放电时间和冲击电压下气隙击穿
《高电压工程》习题答案完整版
《高电压工程》习题答案第一章1. 解释绝缘电阻、吸收比、泄漏电流、tan δ的基本概念。
为什么可以用这些参数表征绝缘介质的特性?绝缘电阻：电介质的电阻率很大，只有很小的泄漏电流（一般以μA 计）流过电介质，对应的电阻很大，称为绝缘电阻。
绝缘电阻是电气设备和电气线路最基本的绝缘指标。
绝缘电阻值的大小常能灵敏的反映绝缘情况，能有效地发现设备局部或整体受潮和脏污，以及绝缘击穿和严重过热老化等缺陷。
吸收比：吸收比K 定义为加上直流电压后60s 与15s 时的绝缘电阻值之比。
即ss R R K 1560=。
若绝缘良好，比值相差较大；若绝缘裂化、受潮或有缺陷，比值接近于1，因此绝缘实验中可以根据吸收比K 的大小来判断绝缘性能的好坏。
泄漏电流：流过电介质绝缘电阻的纯阻性电流，不随时间变化，称为泄漏电流。
泄漏电流实际上就是电气线路或设备在没有故障和施加电压的作用下，流经绝缘部分的电流，因此，它是衡量电器绝缘性好坏的重要标志之一。
tan δ ：介质损耗因数是在交流电压作用下，电介质中电流的有功分量与无功分量的比值。
即CR I I =δtan 。
tan δ是反映绝缘介质损耗大小的特征参数。
2. 为什么一些电容量较大的设备如电容器、电力电缆等经过直流高压实验后，要用接地棒将其两极间短路放电长达5-10min?因为容型设备的储存电荷较多，放电实质是一个RC电路，等效的公式为U（1-e T），其中时间常数T=R*C ，电容越大，放电的时间越长。
为了操作安全以及不影响下一次试验结果，因此要求电容要充分放电至安全程度，时间长达5-10min。
3. 试比较气体、液体、固体电介质的击穿场强大小及绝缘恢复特性。
固体电介质击穿场强最大，液体电介质次之，气体电介质最小；气体电介质和液体电介质属于自恢复绝缘，固体电介质属于非自恢复绝缘。
4. 何谓电介质的吸收现象?用电介质极化、电导过程的等值电路说明出现此现象的原因。
为什么可以说绝缘电阻是电介质上所加直流电压与流过电介质的稳定体积泄漏电流之比?（1）一固体电介质加上直流电压U，如图1-1a所示观察开关S1合上之后流过介质电流i的变化情况。
2.4冲击电压下气体的击穿过程
一、雷电冲击电压下空气的击穿电压 （一）、标准冲击电压波形
为了检验绝缘耐受冲击电压的能力，在实验室中可以利用冲击电压发 生器（图1-28）产生冲击电压，以模拟实际产生的过电压。为了使 得到的结果可以互相比较，需规定标准波形。 模仿雷电及操作过电压等
冲击电压 发生器
冲击电压的电源装臵，主
要用于绝缘冲击耐压及介 质冲击击穿、放电等试验。
3.雷电冲击电压
脉冲性质电压
4.操作冲击电压
2.4
冲击电压下气体的击穿过程
电力系统中冲击电压是指作用时间短暂的电压，它包括雷电冲击电 压和操作冲击电压。
雷电冲击电压是由雷云放电引起的，其持续时间极短，只有约几个 微秒到几十个微秒，与击穿所需的时间相当； 操作冲击电压是指当电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突 然变化引起电感—电容回路的振荡产生的过电压，其作用时间介于 雷电冲击电压与工频电压之间。 由于冲击电压的作用时间短暂，故空气间隙在冲击电压作用下的击 穿具有与持续电压作用下不同的特点。
（二）、放电时延
升压时间t0：电压从零升高到静态击穿 电压U0所需的时间 。 统计时延ts：从电压升到U0的时刻起到 间隙中形成第一个有效电子的时间 。 具有分散性。 放电形成时延tf：从形成第一个有效电 子的时刻起到间隙完全被击穿的时间 。
击穿时间:从开始加压的瞬时起到间隙完全击穿为止的时间 tb=t0+ts+tf
1000 800 4
Ub / kV
600 3 400 2 200 1 50 100
5
0
150 200 d /cm
250
300
350
1-球极直径D=12.5cm；2-D=25cm；3-D=50cm； 4-D=75cm；5-“棒-板”气隙（虚线）
第三章 气隙的电气强度
第三章气隙的电气强度第三章气隙的电气强度本章节的教学内容要求：冲击电压下的气息击穿：标准波形，放电时间，伏秒特性及其实际意义，50%冲击击穿电压，放电的分散性。
大气条件的影响及换算方法，提高气体间隙击穿的措施沿面放电：均匀与不均匀电场中沿面放电的基本过程和影响因素分析，提高沿面放电电压的方法。
§3－1气隙的击穿时间静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使得气隙击穿的最低电压。
如果所加电压的瞬时值是变化的，或者所加电压的延续时间很短，则该气隙的击穿电压就不同于静态击穿电压（一般高于）静态击穿电压。
所以，应该说，对于某一气隙，当不同波形的电压作用时，将有相应不同的击穿时间和击穿电压。
一．静态击穿电压Ｕ0使气隙击穿的最小电压二．击穿时间tb从加压的瞬时起到气隙完全击穿为止的总时间由三部分组成１．ｔ0 （升压时间）：电压从零升到静态击穿电压Ｕ0所需的时间２．ｔs （统计时延）：从电压达到Ｕ0 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间。
３．ｔf （放电形成（发展）时延）从产生第一个有效电子的瞬时到气隙完全被击穿为止的时间这里所讲的有效电子是指该电子能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子。
气隙中出现的自由电子并不一定能成为有效的电子（有效电子－－能发展一系列的游离过uU程，最后导致间隙完全击穿的那个电子）。
这是因为下列原因：有效电子：形成负离子扩散到间隙外游离中途衰亡４．tl （放电时延）：ｔl ＝ｔs ＋ｔftl 的特点：根据电场的不同，ｔl具有分散性和随机性（1）在短间隙、均匀场中ｔf〈〈ｔs→ｔl ＝ｔs即：均匀电场的放电时延ｔl 主要是产生有效电子的时间，ｔs的长短具有统计性质，可取其平均值，称为平均统计时延。
影响ｔs的因素：电极材料、外施电压、短波光照射、电场情况（2）在长间隙不均匀场中，由于电场的不均匀性容易产生有效电子，使ｔf 〉〉ｔs →ｔl ＝ｔf即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分影响ｔf 的因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压§3-2气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一．标准试验电压波形对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。
高电压技术第一章第五节气体放电的流注理论
⑵放电时间
03
⑶阴极材料的影响
⑴放电外形
01
光子
第五节 气体放电的流注理论
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⑵ 正流注
条件：当外加电压＝击穿电压
二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注
① 正流注体的形成
1：主电子崩； 2：二次电子崩； 3：流注
流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场
第五节 气体放电的流注理论
气体击穿的流注放电理论
对象：工程上感兴趣的压力较高的气体击穿，比如雷电放电并不存在金属电极，因而与阴极上的γ过程和二次电子发射根本无关。 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场（使原来均匀的电场变成了不均匀电场）的作用 放电过程
均匀电场E0
电子崩头部 电场明显增强，电离过程强烈，有利于发生分子和离子的激励现象，当它们回复到正常状态时，发射出光子。
崩头内部正负电荷区域 电场大大削弱，但电子和正离子浓度却是最大，有助于发生复合过程，发射出光子。
大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱了崩头内正、负电荷区域之间的电场
第一章 气体放电的基本物理过程
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本章主要内容
第一节 带电粒子的产生和消失
第二节 电子崩
第三节 自持放电条件
第四节 起始电压与气压的关系
第五节 气体放电的流注理论电
一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电； 如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件。
高电压技术复习资料
击穿：当气体中的电场强度达到一定数值，气体中的电流剧增，在气体间隙中形成一条导电性很高的通道，气体丧失绝缘能力，气体这种由绝缘状态变成良导电状态的过程。
自持放电：只依靠电场就能维持下去的放电。
非自持放电：依靠外界游离因素支持的放电。
伏秒特性曲线：用气隙上出现电压最大值与放电时间关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性。
50%击穿电压：在该电压下进行多次试验，气隙击穿概率为50%。
沿面放电：在固体介质和空气的分界面上出现沿着固体介质表面的气体放电现象。
耐压试验：模拟设备在运行过程中实际可能碰到的危险的过电压状况对绝缘加上与之等价的高电压来进行试验，从而考核绝缘的耐电强度。
极化指数：对大电容量的设备，可采用10min和1min 时的绝缘电阻之比。
绝缘吸收比：加压60s时的绝缘电阻与15s时的绝缘电阻的比值。
局部放电：当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象，称为局部放电。
彼得逊法则：计算节点的电流、电压，可把线路等值成一个电压源，其电动势是入射波的2倍，其波形不限，电源内阻是波阻抗Z1。
雷电日：一年中有雷电的日数（小时数）。
阀型避雷器残压：避雷器动作后雷电流流过阀片在阀片上形成的压降。
耐雷水平：雷击线路时线路绝缘布发生冲击闪络的最大雷电流幅值。
雷击跳闸率：每100km线路每年由雷击引起的跳闸次数。
反击：线路绝缘上电压的幅值随雷电流增大而增大，当这个幅值大于绝缘子串冲击闪络电压时，绝缘子串将发生闪络，由于此时杆塔电位较导线电位为高，此类闪络称为反击。
绕击：雷绕过避雷线而直接击中导线。
绕击率：发生绕击的概率。
进线段保护：在临近变电所1~2km的一段线路上加强防雷保护措施。
绝缘配合：根据电气设备在系统中可能承受的各种电压，并考虑过电压的限制措施和设备的绝缘性能后来确定的绝缘水平，以便把作用于电气设备上的各种电压所引起的绝缘损坏降低到经济上和运行上所能接受的水平。
高电压工程1(气体击穿)..
Chapter 2. 气体放电的物理过程
研究气体放电的目的： ●了解气体在高电压（强电场）的作用下逐步由电介质
演变成导体的过程； ●掌握气体介质的电气强度及其提高的方法
气体放电的基本理论： ●汤逊理论 ●流注理论
基本概念回顾：
●电离 —原子在外界因素作用下，使其一个或几个 电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子 的过程
数量级：电介质的γ小，泄漏电流小；金属的电导电流很大 电导电流影响因素：电介质中由离子数目决定，对所含杂质、 温度很敏感；金属中主要由外加电压决定，杂质、温度不是
主要因素
3.液体和固体电介质的γ与温度的关系：
B/T
Ae
温度↑ ａ．热运动加剧→离子迁移率↑→γ↑ ｂ．介质分子或杂质热离解↑→γ↑
电介质的电阻率具有负的温度系数；金属的电阻率具有正的温 度系数。
bc段：I随着U的提高而增大，表明此时电场E足够大，使电 子积累足够的动能造成碰撞电离的发生，出现电子崩，E越 大，电子碰撞电离越激烈，产生的带电粒子越多；
cS段：随着外加电场的增大，碰撞电离愈激烈，带电粒子数 目呈指数增长，电流增大更快；
S点后：当电压增大到U0时， 过程产生的二次电子足够多，
能接替外界电离因子产生的初始电子的作用，即转为自持放 电阶段，气隙击穿，表现为电流急剧增大，并伴有发光、发 声等现象，气隙转入良好的导电状态。
1.碰撞电离：气体介质中粒子相撞，撞击粒子传给被 撞粒子能量，使其电离
是气体中产生带电粒子的 最重要的形式
动能、位能
条件：⑴ 撞击粒子的总能量＞被撞粒子的电离能
⑵ 一定的相互作用的时间和条件，通过复杂 的电磁力的相互作用达到两粒子间能量转换
主要的碰撞电离由电子完成
气隙的击穿特性
放电时间具有分散性，实际 上伏秒特性是以上、下包 线为界的一个带状区域
伏秒特性的用途
1. 间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布 2. 伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有
重要意义
Ｓ２对Ｓ1 起保护作用
在高幅值冲击电压作用下， Ｓ２不起保护作用
二、持续作用电压下空气的击穿电压
棒(尖)—板 ：电场分布不对称 棒(尖)—棒(尖) ：电场分布对称 根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离 直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显 ，分散性较大，且极性效应显著
1. 直流电压下的击穿电压
极性效应：尖—尖电极 间的击穿电压介于极性 不同的尖—板电极之间
棒—板间隙：棒具有正 极性时，平均击穿场强 约 为 4.5kV/cm ； 棒 具 有 负极性时约为l0kV/cm
、操作冲击电压 大气条件：气压、温度、湿度
一、气隙的击穿时间
最低静态击穿电压U0 击穿时间电发展时间tf 、放电时延 tl
短间隙(1厘米以下) tf<<ts ，平均统计时延
较长的间隙中 tl主要决定于tf
间隙上外施电压增加，放电 发展时间也会减小
球—球间隙
当d＜D/4，电场相当均匀，直 流电压、工频电压及冲击电 压作用下，击穿电压都相同
当d＞D/4，大地对电场的畸变 作用使间隙电场分布不对称 ，Ub有极性效应
电场最强的电极为负极性时的 击穿电压略低于正极性时的 数值
同一间隙距离下，球电极直径 越大，由于电场均匀程度增 加，击穿电压也越高
击穿电压的估算
tb t0ts tf tl ts tf
持续作用电压
直流电压、工频电压
与电压的变化速度相比，放电发展所需时间可以忽略 不计 。当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电 压具有确定的数值，当间隙上的电压升高达到击穿电 压时，间隙击穿
高压电技术1-5 冲击电压下气隙的击穿特性
放电时间构成
第一阶段---升压时间t1
u
（0→Us静态击穿电压）：击穿过程可能并
U
未开始
Us 对于持续电压（直流、工频电压）：此阶
段电压升到Us ，气隙即及被击穿；
t1 ts
tf
t
tlag
非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：
tb
由于t1非常短，即使电压升到Us ，气隙也 不一定被击穿。
放电时间构成
对非持续作用的电压来说，一个气隙的耐电压性 能就不能单一地用“击穿电压”值来表达，须用电 压峰值和击穿时间这两者来共同表达，这就是该气 隙在该电压波形下的伏秒特性。
伏秒特性曲线——同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间 隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线。
伏秒特性的制定方法（实验方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）
保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值
1.5 冲击电压下气隙的击穿特性
• 冲击电压标准波形 • 放电时延 • 伏秒特性
冲击电压标准波形
冲击电压标准波形
作用时间短暂的电压称为冲击电压，在冲击电压作用下空气间隙的击 穿具有新的特性。
雷电在电力系统中造成的过电压是一种冲击电压，这是电力系统发生 事故的重要因素。
为了模拟雷电压，各国规定了试验用雷电冲击电压的标准波形，分为 全波和截波两种。
第二阶段--统计时延ts
u
（Us → 出现第一个有效电子）：击穿过程 U
开始，具有统计性。
由于有效电子的出现是一个随机事件，取 Us
决于很多偶然因素，ts具有分散性。
ts每次都不一样，要确定ts就要记录多个时 间值进行统计，故称为统计时延。
t1 ts
tf
tlag tb
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➢冲击电压下气隙的击穿特性
o采用击穿百分比为50％时的电压来表征气隙
的冲击击穿特性；
o伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时
间的关系。
（本节完）
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U50%与Ur静态击穿电压的比值称为冲击系数β， ➢均匀和稍不均匀电场下，β ≈ 1; ➢极不均匀电场中,β > 1，冲击击穿电压的分散性 也较大，其标准偏差可取3％。
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（二）伏秒特性
冲击击穿特性最 好用电压和时间两个 参量来表示，这种在 “电压－时间”坐标 平面上形成的曲线， 通常称为伏秒特性曲 线，它表示该气隙的 冲击击穿电压与放电 时间的关系。
图1-18 伏秒特性曲线的绘制方法示意图
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实际的伏秒特性曲线如图1-19所示，是一个 以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒 特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击 击穿特性。
1－上包线； 2－50％伏秒特性； 3－下包线
图1-19 伏秒特性带与50％伏秒特性
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（二）标准雷电截波
用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪 络后所出现的截尾冲击波，如图所示。
T1－波前时间； Tc－截断时间
图1-16 雷电截波
IEC和国标规定为：
T1＝1.2μs±30％ Tc =2～5μs
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（三）标准操作冲击电压波
图1-17 操作冲击试验电压波形 （a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波
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二 冲击电压波形的标准化
（一）标准雷电冲击电压波 标准雷电冲击电压如下图所示：
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Um－冲击电压峰值 T2－视在半峰值时间； T1－视在波前时间；
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IEC和国标的规定为：
T1＝1.2 μs± 30％ T2＝50 μs± 20％
一般写为1.2/50 μs，有国家为1.5/40 μs
形成时延tБайду номын сангаас 。
图1-14 放电时间的组成
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放电时间的组成：
总放电时间
tb=t1+ts+tf
后面两个分量之和 称为放电时延
tlag=ts+tf
图1-14 放电时间的组成
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tb和tf都具有统计性 放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅 值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快， tb和tlag越短。
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Tcr－波前时间； T2－半峰值时间； Um－冲击电压峰值
IEC和国标规定为：
Tcr＝250μs±20％ T2＝2500μs±60％
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三、冲击电压下气隙的击穿特性
（一）50％冲击击穿电压（ U50% ）
在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压 （ U50% ）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加 10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％ 冲击击穿电压。
随着时间的延伸，一切气隙 的伏秒特性都趋于平坦，但 特性曲线变平的时间却与气 隙的电场形式有较大关系：
如图所示：均匀或稍不 均匀电场的放电时延（间） 短，因而其伏秒特性很快就 变平了（例如1μs处）；
图1-20 均匀电场和不均匀 电场气隙的 伏秒特性比较
1－均匀电场； 2－不均匀电场
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而极不均匀电场的 放电时延（间）较长， 因而其伏秒特性到达变 平点的时间也就较长。
图1-20 均匀电场和不均匀 电场气隙的 伏秒特性比较
1－均匀电场； 2－不均匀电场
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小结
➢放电时间的组成为：tb=t1+ts+tf
➢冲击电压波形的标准化 o标准雷电冲击电压波 o标准雷电截波 o标准操作冲击电压波
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t1－气隙在持续电压下的击 穿电压为Us，为所加电压从 0上升到Us的时间；
ts－从t1开始到气隙中出现
第一个有效电子所需的时间
称为统计时延ts；
图1-14 放电时间的组成
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tf－出现有效电子后，引
起碰撞电离，形成电子崩， 发展到流注和主放电，最 后完成气隙的击穿。这个 过程需要的时间称为放电
一、放电时间
完成气隙击穿的三个必备条件： ➢足够大的电场强度或足够高的电压 ➢在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有 效电子 ➢需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿
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完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）： ➢直流电压、工频交流等持续作用的电压，满 足上述第三个条件不成问题； ➢当所加电压变化速度很快、作用时间很短的 冲击电压，因有效作用时间短，以微秒计，此 时放电时间就变成一个重要因素。