气体介质的电气强度精品PPT课件
对于图 1-11所示的击穿电压(峰值)实验曲线，可用 以下经验公式表示：
U b 24.22d 6.08 d kV
(1-34)
式中 d－间隙距离，cm；
－空气相对密度
从图 1-11 中可以得出，当d 在1～10cm范围内时，击
穿强度 E（b 用电压峰值表示）约等于30kV/cm。
2、稍不均匀电场中的击穿
f R/r
Uc
E0
(R r)r R
(1-53) (1-54)
(1-55) (1-56)
球－球电极
E0 27.7 (1 0.337 / r )
Emax
0.9 U d
(1
d) 2r
(1-57) (1-58)
f 0.9(1 d ) 2r
Uc
E0
d 0.9(1 d
/ 2r)
(1-59)
(1-60)
➢工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。
当间隙距离不大时，击穿电压基本上与间 隙距离呈线性上升的关系；
当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降 低，即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性 增加，呈现出饱和现象。
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1.2.2 雷电冲击电压下的击穿
大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘 会产生重大威胁。因此在电力系统中，一方面应采 取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气 设备能耐受一定水平的雷电过电压。
另外，对于某些不太好根据经验公式求的电场结 构，也可以用 E0＝30kV/cm进行大致估算，则间隙击 穿电压 Ub 为
U b 30d / f
(1-61)
3、极不均匀电场中的击穿
极不均匀场的击穿特性：
➢电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱； ➢极间距离对击穿电压的影响增大； ➢在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非 常明显；
Ub E0 d / f
(1-36)
下面给出几种典型的电极结构:
图1-12 几种典型电极结构示意图 1、同心球 2、球－平板 3、球－球 4、同轴圆柱 5、圆柱－平板 6、圆柱－圆柱 7、曲面－平面 8、曲面－曲面
球－板电极
E0 27.7 (1 0.337 / r )
(1-37)
Emax
0.9U
稍不均匀电场的击穿特点：
➢击穿前无电晕； ➢无明显的极性效应； ➢直流击穿电压、工频击穿电压峰值及 50％冲击击穿电压几乎一致。
稍不均匀电场的击穿电压通常可以根据起始场强 经验公式进行估算
U Emax d / f
(1-35)
f 取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电 解槽实验的方法求得。
对于稍不均匀场，当 Emax 达临界场强 E0时，U 达到 击穿电压Ub ，从而
(1-48)
同轴圆柱电极
E0 31.5 (1 0.305 / r ) (1-49)
EmaxHale Waihona Puke U r ln(R / r)
(1-50)
f Rr r ln(R / r)
(1-51)
R U c E0r ln( r )
(1-52)
同心球电极
E0 24 (1 1/ r )
RU Emax r(R r)
(1-43)
r ln(d r )
Uc E0
r 0.9
(1-44)
平行圆柱电极
E0 30.3 (1 0.298 / r )
(1-45)
Emax
0.9U d 2r
2r ln(
)
2r
(1-46)
f 0.9d 2r ln(d 2r ) 2r
(1-47)
d 2r
2r ln(
)
Uc E0
2r 0.9
余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷 沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上 看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐 渐衰减的，约为 103 ~ 101 A，延续时间约为几毫 秒。
上述3个阶段组成下行负雷的第一个分量。
通常，雷电放电并未结束，随后还有几个(甚至十 几个)后续分量。每个后续分量也是由重新使雷电通道 充电的先导阶段、使通道放电的主放电阶段和余光放 电阶段组成。各分量中的最大电流和电流增长最大陡 度是造成被击物体上的过电压、电动力、电磁脉冲和 爆破力的主要因素。而在余光阶段中流过较长时间的 电流则是造成雷电热效应的重要因素。
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1.2.1 持续作用电压下的击穿
1、均匀电场中的击穿
实际中，大均匀 电场间隙要求电极尺 寸做得很大。因此， 对于均匀场间隙，通 常只有间隙长度不大 时的击穿数据，如图 1-11所示。
图1-11 均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值 Ub 随间隙距离d的变化
均匀电场的击穿特性：
➢电极布置对称，无击穿的极性效应； ➢间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短； ➢直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50％冲击 击穿电压相同； ➢击穿电压的分散性很小。
rd rd
0.9 U d
(1
d) r
(1-38)
f 0.9 1 d /r
(1-39)
Uc
E0
dr 0.9(d r)
(1-40)
柱—板电极
E0 30.3 (1 0.298 / r )
(1-41)
Emax
0.9U d r
r ln( )
r
(1-42)
f 0.9d r ln(d r ) r
➢先导过程 ➢主放电过程 ➢余光放电过程
先导过程：延续约几毫秒，以远级发展、 高电导、高温的、具有极高电位的先导通道将 雷云到大地之间的气隙击穿。沿先导通道分布 着电荷，其数量达几库仑。
主放电过程：当下行先导和大地短接时， 发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程 中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响， 沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百 微秒的冲击电流。
雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压，在 这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿 不同的特点。
1、雷电冲击电压的标准波形
雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。 按雷电发展的方向可分为： ➢下行雷
在雷云中产生并向大地发展； ➢上行雷
由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。
下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：
1.2 气体介质的电气强度
实际工程应用中，击穿电压的确定 方式如下：
➢参照一些典型电极的击穿电压来 选择绝缘距离；
➢根据实际电极布置情况，通过实 验来确定。
空气间隙放电电压的影响因素如下： ➢ 电场情况 ➢ 电压形式 ➢ 大气条件
本节内容
1.2.1 持续作用电压下的击穿 1.2.2 雷电冲击电压下的击穿 1.2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性 1.2.4 大气条件对气体击穿的影响 1.2.5 提高气体击穿电压的措施
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气体介质的电气强度
屏障离尖电极过近，屏 障效应将随之而减弱
尖电极为负极性
屏障离开尖电极一定距 离，设置屏障反而将 降低间隙的击穿电压 屏障离尖电极过近，仍 有相当的屏降效应
工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。
雷电冲击电压下屏障的作用
尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间 隙的击穿电压 负极性时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有 屏障时相差不多
均匀电场中的击穿电压
在一定的压力范围内，击 穿场强的提高遵循巴申 定律，并且击穿场强大 致和气压成正比
大 约 从 1MPa 开 始 ， 实 验 结果和巴申定律的分歧 就逐渐明显了
不均匀电场中的击穿电压
不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压 也将高于大气压强下的数值 在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影 响比在大气压力下要显著得多，电场均匀 程度下降，击穿电压将剧烈降低
SF6的特性
1．物理化学特性
2．绝缘特性
电离和离解特性 电场和压力特性 极性效应 时间特性
分散性大
对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不 均匀电场间隙50％击穿电压的标准偏差约为5％；波 前时间超过1000s以后，可达8％左右（工频及雷电冲 击电压下均约为3％）
“饱和”现象
和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击50％击穿 电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征（雷 电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系 ）
1．由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体 分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电 离能力，同时又加强复合过程 ２．气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其 中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞 电离能力 ３．电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子 发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电 离能力
第节提高气体介质电气强度的方法最新PPT资料
这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。
采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。
由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程 超高压输电线路上应用屏蔽原理来改善电场分布以提高电晕起始电压的实例有：超高压线路绝缘子串上安装的保护金具(均压环)、超高
3-高真空
7-空气,0.
带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，也是提 即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限，常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质
的电气强度低得多。 如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（例如SF6气体）来代替空气，那就能获得更好的效果。
以图2—15所示的“棒一板”气隙为例，最有利的屏障位置在x=(1/5～1/6)d处，这时该气隙的电气强度在正极性直流时约可增加为2～ 3倍。 目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用，真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力，所以用于配电网中的真空断路器
还是隙很合的适的。击穿电压。
三、采用屏障
有屏障气隙的击穿 电压与该屏障的安装位 置有很大的关系。以图 2—15所示的“棒一板” 气隙为例，最有利的屏 障位置在x=(1/5～ 1/6)d处，这时该气隙 的电气强度在正极性直 流时约可增加为2～3倍。
但当棒为负极性 时，即使屏障放在 最有利的位置，也 只能略微提高气隙 的击穿电压(例如20 ％)，而在大多数位 置上，反而使击穿 电压有不同程度的 降低。
二、利用空间电荷改善电场分布
如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（例如SF6气体）来代替空气，那就能获得更好的效果。 7Mpa 6-SF6,0. 利用空间电荷改善电场分布
第二章气体介质的电气强度-PPT精品文档
第二章 气体介质的电气强度
第二章 气体介质的电气强度 概论
在工程实践中，常会遇到对气体介质的电气强度作出定 量估计的情况。 通常采用实验的方法来求取某些典型电极所构成的气隙 的击穿特性，以满足工程实用的需要。某些击穿特性实验 结果已在世界范围内获得广泛认可和采用。 气隙的击穿特性与电场形式及所加电压的类型有很大关 系。
《高电压技术》第二讲 5
第二章 气体介质的电气强度
第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性
1、击穿特点
击穿前无稳定电晕； 无明显的极性效应； 直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50％
冲击击穿电压几乎一致； 击穿电压的分散性小； 击穿电压和电场不均匀程度关系大，所以
没有能概括各种电场分布的统一经验公式。
第二章 气体介质的电气强度
第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性
3、稍不均匀电场实例
球间隙
高电压试验中用来测量高电压幅值的球隙 测量器
同轴圆筒
高压标准电容器和气体绝缘组合电器中的 分相封闭母线筒
《高电压技术》第二讲 8
第二章 气体介质的电气强度
第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性
3、稍不均匀电场实例
Uc。
当 r>0.1R 时，气隙已逐渐转为
稍不均匀电场，Ub≈Uc ，击穿前不
再有稳定的电晕放电，且击穿电压
的极大值出现在 r≈0.33R 左右。
通常在绝缘设计中将 r/R 之 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 比选在0.25 ～0.4 的范围内。
r(cm)
《高电压技术》第二讲 9
第二章 气体介质的电气强度
《高范电围压内技变术化》。第二讲
25
第二章 气体介质的电气强度
第2章 气体介质的电气强度 高电压技术课件(共20张PPT)
E bU d b2.5 45 6.66 (内k〕)V 。
第四页，共20页。
第二节 极不均匀(jūnyún)电场气隙的击穿特 性
极不均匀电场：对称电场 棒-棒气隙 不对称电场 棒-板气隙
实测说明：当极间距离不大时，棒间隙的击穿电压与棒极 端面的具体形状有一定(yīdìng)的关系，而当极间距离圈 套时，棒极端面的具体形状对气隙的击穿电压就没有明显 的影响。
对于安装在海拔(hǎibá)高于1000m、但不超过 4000m处的电力设施外绝缘，其试验电压U应为平原 地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔(hǎibá)校正因数 Ka
UKaUp
Ka 1.1H1104
第十二页，共20页。
第四节 提高气体介质电气强度(qiángdù)的方 法
➢ 改善电场分布(fēnbù)的措 〔施1〕改变电极形状
第十七页，共20页。
〔3〕高真空(zhēnkōng)的采用
击穿机理：
强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释
放(shìfàng)出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击
穿。
间隙距离对击穿的影响：
规律：击穿场强随间距的增加而降低。
击穿电压 击穿场强
原因：随着间隙距离及击穿电压的增大， 电子从阴极(yīnjí)到阳极经过了巨大的 电位差，积聚了很大的动能。高能电子 轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐
过电压 气体状态：气体种类、气体状态
第一页，共20页。
第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿(jī chuān)
➢ 均匀电场气隙的击穿特(j性ī
chuān)特性
特点：
〔1〕均匀电场(diàn chǎng)中电极布置对 称，击穿 无极性效应；
〔2〕均匀场间隙中各处电场(diàn chǎng)
第四页，共20页。
第二节 极不均匀(jūnyún)电场气隙的击穿特 性
极不均匀电场：对称电场 棒-棒气隙 不对称电场 棒-板气隙
实测说明：当极间距离不大时，棒间隙的击穿电压与棒极 端面的具体形状有一定(yīdìng)的关系，而当极间距离圈 套时，棒极端面的具体形状对气隙的击穿电压就没有明显 的影响。
对于安装在海拔(hǎibá)高于1000m、但不超过 4000m处的电力设施外绝缘，其试验电压U应为平原 地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔(hǎibá)校正因数 Ka
UKaUp
Ka 1.1H1104
第十二页，共20页。
第四节 提高气体介质电气强度(qiángdù)的方 法
➢ 改善电场分布(fēnbù)的措 〔施1〕改变电极形状
第十七页，共20页。
〔3〕高真空(zhēnkōng)的采用
击穿机理：
强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释
放(shìfàng)出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击
穿。
间隙距离对击穿的影响：
规律：击穿场强随间距的增加而降低。
击穿电压 击穿场强
原因：随着间隙距离及击穿电压的增大， 电子从阴极(yīnjí)到阳极经过了巨大的 电位差，积聚了很大的动能。高能电子 轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐
过电压 气体状态：气体种类、气体状态
第一页，共20页。
第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿(jī chuān)
➢ 均匀电场气隙的击穿特(j性ī
chuān)特性
特点：
〔1〕均匀电场(diàn chǎng)中电极布置对 称，击穿 无极性效应；
〔2〕均匀场间隙中各处电场(diàn chǎng)
《高电压技术系列ppt》--气隙的电气强度
球-球间隙是用来直接测量高电压峰值的最简单而又有一定 准确度的手段，其击穿电压有国际标准表查询。 影响稍不均匀电场的气隙击穿电压的因素，除电场结构和 大气条件外，还有邻近效应和照射效应，这在利用球隙击穿来 测量电压时，特别应加以注意。
标准操作冲击电压波
4、 标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周 期性双指数波。IEC标准和我国标准规定为： 波前时间Tp=250μs±20%； 半峰值时间T2=2500μs±60%； 峰值允许误差 ±3% 。 可写成250/2500μs冲击波。
1 u / Um
0.5 0 Tp T2 t
二、伏秒特性
气隙的击穿放电需要一定的时间才能完成。对于 长时间持续作用的电压来说，气隙的击穿电压有一个 确定的值；但对于脉冲性质的电压，气隙的击穿电压 就与该电压的波形（即作用时间）有很大的关系。同 一个气隙，在峰值较低但持续时间较长的冲击电压作 用下可能击穿，而在峰值较高但持续时间较短的冲击 电压作用下反而不击穿。所以对非持续作用的电压来 说，气隙的击穿电压就不能简单地用单一的击穿电压 值来表示了，对于某一定的电压波形，必须用电压峰 值和延续时间两者来共同表示，这就是该气隙在该电 压波形下的伏秒特性。
tl = ts + tf
tl——放电时延
注意:在短气隙中(S<1m)，特别是电场比较均匀时，tf<<ts，这 时，全部放电时延实际上就等于统计时延。统计时延的长短具 有概率统计的性质，通常取其平均值，称为平均统计时延；在 很不均匀电场的长间隙中，放电发展时间将占放电时延的大部 分。 影响ts的因素：电极材料、外加电压、短波光照射、电场情况。 影响tf的因素：间隙长度、电场均匀度、外施电压。
§3-4 较均匀电场气隙的击穿电压
高电压-第3章-气体介质的电气强度PPT课件
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13
图3-2 球间隙中一球接地时的电场分布 (a)球水平放置 (b)球垂直放置
图3-3 一球接地时球隙测压器的击穿电压 Ub与间距d的关系
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14
2、同轴圆筒
➢外筒内半径R=10cm， 改变内筒外半径r之值， 气隙起始电晕电压Uc和 击穿电压Ub随内筒外直 径r变化规律如图所示。
即r/R<0.1时，间隙属于极不均匀电 场，此时击穿前先出现电晕 r/R >0.1时，间隙属稍不均匀电场 范畴，击穿前不出现电晕 当r/R ≈0.33时击穿电压出现极大值 上述电气设备在绝缘设计时宜尽量将 r/R选取在0.25~0.4的范围内
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8
均匀电场：
• 两个电极形状完全相同且对称布置，因 而不存在极性效应。
• 均匀电场中各处的电场强度均相等，击 穿所需的时间极短
• 在直流、工频和冲击电压作用下的击穿 电压实际上都相同
• 击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快 就变平，冲击系数＝1
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9
图3-1为实验所得到的均匀电场空气间隙击穿电压 特性。它也可用下页的经验公式来表示：
击穿电压与间距的关系
-19ຫໍສະໝຸດ 二、工频交流电压➢升压方式：
• 电压慢电压慢慢升高，直至发生击穿。升 压的速率一般控制在每秒升高预期击穿电 压值的3％。
• “棒-棒”气隙的工频击穿电压要比“棒板”气隙高一些，因为相对而言，“棒-棒” 气隙的电场要比“棒-板”气隙稍为均匀一 些。
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20
可以看出，在气隙长度d不超
图3-1 均匀电场中空气间隙的击- 穿电压峰值Ub随间距d的变化
10
U b2.2 42 d6.08d kV
U b --击穿电压峰值,kV