高電壓-氣體間隙的擊穿強度

關(guān)于高電壓-氣體間隙的擊穿強度電場情況均勻電場、稍不均勻電場、極不均勻電場影響氣體間隙擊穿電壓的主要因素：高電壓工程基礎電壓形式穩(wěn)態(tài)電壓（直流電壓與交流電壓）、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓大氣條件氣壓、溫度、濕度第2頁,共79頁，2024年2月25日，星期天一、穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿二、雷電沖擊電壓下的擊穿三、操作沖擊電壓下的擊穿四、大氣密度和濕度對擊穿的影響五、提高氣體間隙擊穿電壓的措施高電壓工程基礎第三章氣體間隙的擊穿強度第3頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎穩(wěn)態(tài)電壓（持續(xù)電壓）指直流電壓或工頻交流電壓。3.1穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特點：電壓變化的速度和間隙中放電發(fā)展的速度相比極小，故放電發(fā)展所需的時間可以忽略不計，只要作用于間隙的電壓達到擊穿電壓，間隙就會發(fā)生擊穿。第4頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎直流電壓：交流電壓：直流中所含的脈動分量的脈動系數(shù)不大于3%。（脈動系數(shù)是指脈動幅值與直流電壓的平均值之比）直流電壓的大小指直流電壓的平均值。波形接近于正弦波，正、負兩半波相同，峰值與有效值之比為，偏差不超過第5頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、均勻電場中的擊穿因電極布置對稱，所以擊穿電壓無極性效應。因擊穿前間隙各處場強相等，擊穿前無電暈發(fā)生，起始放電電壓等于擊穿電壓。不論何種電壓（直流、交流、正負50%沖擊電壓）作用，其擊穿電壓（峰值）都相同，且分散性很小。第6頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、均勻電場中的擊穿均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓（峰值）可根據(jù)下面經(jīng)驗公式求得：式中d—間隙距離，cm；δ—空氣相對密度。均勻電場中空氣的擊穿場強（峰值）為30kV/cm。第7頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎2、稍不均勻電場中的擊穿稍不均勻電場中各處的場強差異不大，間隙中任何一處若出現(xiàn)自持放電，必將立即導致整個間隙的擊穿。所以對稍不均勻的電場，任何一處自持放電的條件，就是整個間隙擊穿的條件。電場不對稱時，擊穿電壓有極性效應，但不顯著。擊穿前有電暈發(fā)生，但不穩(wěn)定，一出現(xiàn)電暈，立即導致整個間隙擊穿。間隙距離一般不是很大，放電發(fā)展所需時間短。直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及50%沖擊擊穿電壓幾乎一致，且分散性不大。第8頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎2、稍不均勻電場中的擊穿稍不均勻電場的擊穿電壓與電場均勻度關(guān)系極大，沒有能夠概括各種電極結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的經(jīng)驗公式。通常是對一些典型的電極結(jié)構(gòu)做出一批實驗數(shù)據(jù)，實際的電極結(jié)構(gòu)只能從典型電極中選取類似的進行結(jié)構(gòu)估算。電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓越高，其極限就是均勻電場中的擊穿電壓。第9頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（1）球間隙（eg：高壓實驗室中的測量球隙）d<D/4時，電場均勻，直流、交流和沖擊電壓擊穿電壓相同；d>D/4時，電場不均勻程度增大，擊穿場強下降，出現(xiàn)極性效應；球隙測壓器的工作范圍d≤D/2；否則因放電分散性增大，不能保證測量的精度。2、稍不均勻電場中的擊穿第10頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（2）同軸圓柱電極（eg：高壓標準電容器、單芯電纜、GIS分相母線）（1）r/R<0.1時，極不均勻電場，擊穿前先出現(xiàn)電暈，且Uc的值很低，因此上述電氣設備均不設計在這一r/R范圍內(nèi)。（2）r/R>0.1時，稍不均勻電場，擊穿前不出現(xiàn)電暈，且由圖可見，當r/R≈0.33時擊穿電壓出現(xiàn)極大值（上述電氣設備在絕緣設計時盡量將r/R選取0.25~0.4的范圍內(nèi)）。2、稍不均勻電場中的擊穿第11頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（3）其他形狀的電極布置球狀電極的電場不均勻系數(shù)大于相同半徑的圓柱電極；間隙距離增大時，電場不均勻系數(shù)也增大。2、稍不均勻電場中的擊穿第12頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3、極不均勻電場中的擊穿由于存在局部強場區(qū)，故間隙擊穿前有穩(wěn)定的電暈放電，間隙的起始放電電壓小于擊穿電壓。對電極形狀不對稱的極不均勻電場，有明顯的極性效應。因間隙距離長，放電發(fā)展所需時間長，故外加電壓的波形對擊穿電壓的影響大，擊穿電壓的分散性大。第13頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎電場不均勻程度對擊穿電壓的影響減弱（由于電場已經(jīng)極不均勻），間隙距離對擊穿電壓的影響增大?？梢赃x擇電場極不均勻的極端情況，棒—板和棒—棒作為典型電極結(jié)構(gòu)，它們的擊穿電壓具有代表性。在工程遇到很多極不均勻電場時，可以根據(jù)這些典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)做簡單的估算。極不均勻電場的擊穿電壓的特點：第14頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（1）直流電壓作用的擊穿電壓棒—板、棒—棒間隙的直流擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系曲線正棒—負板間隙的擊穿電壓最低，負棒—正板間隙的擊穿電壓最高，棒—棒間隙的擊穿電壓介于兩者之間。第15頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（2）工頻交流電壓作用的擊穿電壓由于棒—板間隙的擊穿總是發(fā)生在棒級為正時的半個周期且電壓達幅值時，故其擊穿電壓（峰值）和直流下正棒—負板時的擊穿電壓相近。在電氣設備上，應盡量采用棒-棒類對稱型的電極結(jié)構(gòu)，而避免棒-板類不對稱的電極結(jié)構(gòu)。棒－棒和棒－板空氣間隙的工頻擊穿電壓（有效值）第16頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、均勻電場的擊穿特點擊穿前無電暈、無極性效應、各種電壓作用時其擊穿電壓（峰值）都相同。2、稍不均勻電場的擊穿特點擊穿前無穩(wěn)定電暈、極性效應不明顯、各種電壓作用下的擊穿電壓幾乎一致。3、極不均勻電場的擊穿特點擊穿前有穩(wěn)定的電暈、有明顯的極性效應、各種電壓波形對擊穿電壓影響很大。小結(jié)：第17頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3.2雷電沖擊電壓下的擊穿1、沖擊電壓的標準波形標準雷電波的波形：T1=1.2μs±30％，T2=50μs±20％對于不同極性：+1.2/50μs或-1.2/50μs操作沖擊波的波形：T1=250μs±20％，T2=2500μs±60％對于不同極性：+250/2500μs或-250/2500μs波前時間半峰值時間第18頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎足夠大的電場強度或足夠高的電壓在氣隙中存在能引起電子崩并導致流注和主放電的有效電子需要一定的時間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿完成氣隙擊穿的三個必備條件：2、放電時延第19頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎直流電壓、工頻交流等持續(xù)作用的電壓，可以滿足上述三個條件；當所加電壓為變化速度很快，作用時間很短的沖擊電壓時，因有效作用時間短（以微秒計），此時放電時間就變成一個重要因素。完成擊穿所需放電時間很短的（微秒級）：靜態(tài)擊穿電壓：穩(wěn)態(tài)電壓作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。擊穿時間：間隙從開始加壓的瞬時到完全擊穿所需的時間，也稱為全部放電時間。第20頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎升壓時間t1：電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓所需的時間統(tǒng)計時延ts：從外施電壓達到Uo時起，到出現(xiàn)一個能引起擊穿的初始電子崩所需的第一個有效電子為止，所需的時間。放電形成時延tf：從出現(xiàn)第一個有效自由電子時起，到放電過程完成所需時間，即電子崩的形成和發(fā)展到流注等所需的時間擊穿時間：td=t1+ts+tf放電時延：tl=ts+tf第21頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎電場較均勻時，由于平均場強很高，放電發(fā)展速度快，放電時延近似等于統(tǒng)計時延。對于極不均勻電場，由于局部場強高（出現(xiàn)有效電子的概率增加），而平均場強較低（放電發(fā)展速度慢），放電時延主要取決于放電形成時延。放電時延還與外加電壓大小有關(guān)，總的趨勢是總電壓越高，放電過程發(fā)展的越快，放電時延越短。放電時延與電場均勻度有關(guān)：第22頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎放電時延服從統(tǒng)計規(guī)律，因此沖擊擊穿電壓具有一定的分散性。工程上常用50%沖擊擊穿電壓U50%表示間隙的沖擊擊穿特性。3、50％擊穿電壓及沖擊系數(shù)U50%—間隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。沖擊擊穿電壓的放電概率一般認為服從高斯分布：第23頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎確定間隙的U50%的方法:保持標準波形不變，逐級升高電壓幅值，每級電壓值加10次，直到每10次中有4-6次擊穿，則此電壓可作為該間隙大致的U50%。每級加壓次數(shù)越多，所得的U50%越準確。U50%與靜態(tài)擊穿電壓U0的比值稱為沖擊系數(shù)β。均勻和稍不均勻電場下，β≈1；極不均勻電場中，β>1，沖擊擊穿電壓的分散性也較大。第24頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎因為U50%只是在一定波形下對應于某個固定擊穿時間的擊穿電壓，所以它不能代表任何擊穿時間下間隙的擊穿電壓。即U50%不能全面反映間隙的沖擊擊穿特性。同一間隙在不同波形的沖擊電壓作用下，其U50%是不同的，如無特別說明，一般指用標準波形做出的。第25頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎圖為標準雷電沖擊電壓下棒—板及棒—棒間隙的U50%和距離的關(guān)系。1.正棒-板2.正棒-棒(接地)3.負棒-棒(接地)4.負棒-板棒—板間隙具有明顯的極性效應，棒—棒間隙也具有不大的極性效應。這是由于大地的影響，使不接地的棒極附近電場增強的緣故。U50%與間隙距離間保持良好的線性關(guān)系。第26頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎一個間隙要發(fā)生擊穿，不僅需要足夠高的電壓，而且還必須有充分的電壓作用時間。4、伏秒特性對于沖擊電壓波，氣隙的擊穿電壓與該電壓的波形有很大的關(guān)系。其擊穿電壓不能簡單地用單一的擊穿電壓值表示，而必須用電壓峰值和延續(xù)時間兩者共同表示。同一個氣隙，沖擊電壓的峰值較低但延續(xù)時間較長，在此電壓作用下，可能被擊穿；沖擊電壓的峰值較高但持續(xù)時間較短，可能反而不被擊穿。第27頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎伏秒特性——對某一沖擊電壓波形，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和間隙擊穿時間的關(guān)系曲線。用實驗確定間隙伏秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變（T1/T2一定），逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時間t。擊穿發(fā)生在波前或峰值，取此刻值擊穿發(fā)生在波尾，取峰值未擊穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性點：50%沖擊擊穿電壓放電時延具有分散性第28頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎伏秒特性的形狀與間隙中電場的均勻程度有關(guān)。對于均勻或稍不均勻電場因平均場強高，放電時延短，故曲線比較平坦，且分散性較小。對于極不均勻電場平均擊穿場強較低，放電時延較長，其伏秒特性隨放電時間的減少有明顯上翹，且分散性較大。第29頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎絕緣的伏秒特性避雷器的伏秒特性伏秒特性曲線主要用來比較不同設備絕緣的沖擊擊穿特性。如果一個電壓同時作用在兩個并聯(lián)的氣體間隙S1和S2上，其中一個氣隙先擊穿，則電壓波被短接截斷，另一個就不會再擊穿。S2始終處于S1的下方，在任何電壓波形下，S2都比S1的先被擊穿。這個原則如用于保護裝置和被保護設備，則就是S2保護了S1。第30頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎絕緣的伏秒特性避雷器的伏秒特性若兩間隙伏秒特性曲線相交，則在時延較短的區(qū)域S1先被擊穿，在時延較長的區(qū)域S2先被擊穿，在兩曲線交叉區(qū)域，可能是S1先被擊穿，也可能是S2先被擊穿。因此S2不能可靠保護S1。第31頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、放電時間的組成為：td=t1+ts+tf2、標準雷電沖擊電壓波形：±1.2/50μs3、沖擊電壓下氣隙的擊穿特性（1）采用擊穿百分比為50%時的電壓來表征氣隙的沖擊擊穿特性；（2）伏秒特性表征氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時間的關(guān)系。小結(jié)：第32頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3.3操作沖擊電壓下的擊穿電力系統(tǒng)的輸電線及電氣設備具有電感和電容性，由于系統(tǒng)運行狀態(tài)的突變，導致電感和電容元件間的電磁能轉(zhuǎn)換，引起振蕩性的過渡過程。該過程會在某些電氣設備和電網(wǎng)上造成很高的電壓，遠遠超過正常運行的電壓，稱為操作過電壓。操作過電壓的幅值、波形與電力系統(tǒng)的電壓等級有關(guān)。過渡過程的振蕩基值等于系統(tǒng)運行電壓，電壓等級越高，操作過電壓幅值也越高。這與雷電過電壓不同，后者取決于接地電阻，與系統(tǒng)電壓等級無關(guān)。第33頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎直到20世紀50年代，各國還認為操作過電壓下的空氣間隙及絕緣子的閃絡電壓=操作沖擊系數(shù)×工頻放電電壓，且波形的影響可忽略。220kV及以下電壓等級電力系統(tǒng)：操作沖擊系數(shù)=1.1220kV以上電壓等級的電力系統(tǒng)：操作沖擊系數(shù)=1隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高，操作沖擊下的絕緣問題越來越突出。近幾年來研究發(fā)現(xiàn)，操作沖擊電壓下的氣體絕緣放電特性有許多新的特點，應根據(jù)操作沖擊電壓波形下的放電電壓進行設計。第34頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎操作過電壓波形隨電壓等級、系統(tǒng)參數(shù)、設備性能、操作性質(zhì)、操作時機等因素而有很大的變化。為了模擬操作過電壓，需要規(guī)定標準波形。1、操作沖擊電壓的標準波形IEC標準：T1/T2=250(±20％)/2500(±60％)μs附加推薦：100/2500μs或500/2500μs另外建議一種衰減振蕩波：第一個半波的持續(xù)時間在2000~3000μs，反極性的第二個半波的峰值約為第一個峰值的80%。第35頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎操作沖擊電壓的作用時間：介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間。在均勻場和稍不均勻場中,操作沖擊U50%、雷電沖擊U50%、直流放電電壓和工頻放電電壓等幅值幾乎相同，分散性不大，擊穿發(fā)生在峰值附近。在極不均勻場中,操作沖擊表現(xiàn)出許多新的特點：U形曲線；極性效應；飽和現(xiàn)象；分散性大。2、操作沖擊50％擊穿電壓的特點第36頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓（1）U形曲線曲線呈U形，波前時間在某一區(qū)域內(nèi)，氣隙的50%擊穿電壓具有極小值，稱為臨界擊穿電壓，與此相應波前時間稱為臨界波前時間。間隙距離d增大時，臨界波前時間隨之增大。d<7m的間隙，臨界波前時間約100~300μs范圍內(nèi)。間隙距離d越大，放電發(fā)展所需的時延越大，因此相應的臨界波前時間就越大。第37頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓（1）U形曲線U形曲線左半支的上升特征當波前時間從臨界值減小，則放電發(fā)展時間縮短，放電時延減小，要求有更高的擊穿電壓才能實現(xiàn)擊穿。U形曲線右半支的上升特征當波前時間從臨界值增大，留給放電發(fā)展的時間足夠長，再增大放電時間，對放電發(fā)展沒有意義；另一方面，起暈棒極附近電離處的與棒極同極性的空間電荷，能有足夠的時間被驅(qū)趕到更遠處，造成附加電場減弱，則不利于放電的進一步發(fā)展，從而要求更高的擊穿電壓才能擊穿。第38頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓（1）U形曲線棒-板間隙在某種波前的操作波作用下的擊穿電壓甚至比工頻電壓還低很多。其他結(jié)構(gòu)的間隙也有這種情況，但程度較輕。原因:工頻四分之一周波相當于波前時間5000μs，位于U形曲線的右半支。因此，其擊穿電壓反而比臨界波前操作沖擊擊穿高。這一點值得特別注意，對工程中各個氣隙尺寸的選定有極其重要的影響。第39頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（1）U形曲線在各種不同的不均勻電場結(jié)構(gòu)中，正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負極性的低，所以更危險。正棒-負板空氣間隙U形曲線中，50%擊穿電壓極小值Umin(kV)可用經(jīng)驗公式計算：式中d—間隙距離，m。第40頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（2）極性效應第41頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎在操作沖擊電壓作用下，長間隙的擊穿電壓呈現(xiàn)出顯著的飽和現(xiàn)象，特別是棒-板型間隙飽和程度尤為明顯。這一點與工頻擊穿電壓的規(guī)律類似。而雷電過電壓下的飽和現(xiàn)象卻不明顯。（3）飽和現(xiàn)象第42頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎擊穿電壓的分散性可用相對標準差σ表示（4）擊穿電壓的分散性大極不均勻電場的空氣間隙，在波前時間為數(shù)十微秒至數(shù)百微秒的操作沖擊電壓作用下，σ約為5%，而在雷電沖擊電壓下，σ約為3%，工頻電壓作用下，分散性更小，σ<2%。第43頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、標準操作沖擊電壓波形為非周期性指數(shù)衰減波形。2、標準操作沖擊電壓的波形對U50%影響很大。3、極性效應更顯著。4、擊穿電壓的分散性大。小結(jié)：第44頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3.4大氣密度和濕度對擊穿的影響溫度

t0＝20℃壓力p0＝101.3kPa絕對濕度h0＝11g/m31、標準大氣條件空氣間隙中氣體的狀態(tài)，如溫度、濕度和氣壓等因素，都會影響空氣的電離發(fā)展，從而影響間隙的擊穿電壓或放電電壓。第45頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎2、大氣條件的校正空氣密度增大時，空氣中自由電子的平均自由行程縮短，不易造成碰撞電離，所以空氣間隙的擊穿電壓升高?？諝獾臐穸仍黾訒r，由于水蒸氣是電負性氣體，易俘獲自由電子形成負離子，使電離減弱，所以空氣間隙的擊穿電壓升高。在均勻電場中，濕度的影響很小，擊穿前各處的場強都很高，即各處電子運動速度很高，不易被水分子俘獲形成負離子。在濕度較大時，絕緣子的閃絡電壓可能出現(xiàn)隨濕度增加而降低的情況。第46頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎2、大氣條件的校正試驗時的放電電壓U與標準大氣條件下的放電電壓U0間的換算關(guān)系為：（1）放電電壓的校正Kt

—大氣校正因數(shù)K1

—空氣密度校正因數(shù)K2

—空氣濕度校正因數(shù)第47頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（1）空氣密度校正因數(shù)K1t

—試驗條件下的溫度，℃p

—試驗條件下的壓力，kPaδ

—相對空氣密度。第48頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（2）濕度校正因數(shù)K2K取決于試驗電壓的種類，且為絕對濕度h與相對空氣密度δ的比率h/δ的函數(shù)。第49頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（3）指數(shù)m和WUB

—實際大氣條件下50%放電電壓的測量值或估算值，kV；L

—試品最小放電路徑，m；δ、K

—實際的空氣相對密度和濕度校正因數(shù)式中參數(shù)。第50頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎例：某距離4m的棒-板間隙，在夏季某日氣壓P=99.8kP，環(huán)境溫度t=30℃，空氣絕對濕度h=20g/m3的大氣條件下，問正極性50%操作沖擊擊穿電壓為多少？第51頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎解：由實驗曲線查得：距離為4m長的棒-板間隙在標準大氣壓狀態(tài)下的正極性50%操作沖擊擊穿電壓為U50標=1300kV查曲線得：K=1.1第52頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎查曲線得：m=W=0.34第53頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3、海拔高度對放電電壓的影響高海拔地區(qū)由于氣壓下降，空氣相對密度下降，因此空氣間隙的放電電壓也隨之下降。在海拔1000-4000m的范圍內(nèi)，海拔每升高100m，空氣的絕緣強度約下降1%。(即絕緣能力變?nèi)?國家標準規(guī)定，對擬用于高海拔地區(qū)(海拔1000-4000m)的外絕緣設備，在非高海拔地區(qū)(海拔1000m以下)進行試驗時，其試驗電壓校正如下：U0

—標準大氣條件下的試驗電壓，kV；KA

—海拔校正因數(shù)，kV；H

—設備使用處海拔高度，m；第54頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎小結(jié)：氣體的放電電壓與大氣狀態(tài)有關(guān)，氣體的相對密度增大時，氣體的放電電壓也隨之增大?？諝獾臐穸仍龃髸r，氣體的放電電壓也增大，但均勻和稍不均勻電場下增加不明顯。沿面閃絡電壓降低。海拔高度增加時，氣體的放電電壓下降。第55頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3.5提高氣隙擊穿電壓的措施改進電極的形狀利用空間電荷改善電場的分布極不均勻電場中屏障的采用高氣壓的采用強電負性氣體(SF6)的應用高真空的采用第56頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎（1）改善電場分布（2）削弱氣體中的電離過程高壓電氣設備中經(jīng)常遇到氣體絕緣間隙。為了減少設備尺寸，一般希望間隙的絕緣距離盡可能小。因此，必須采取措施，以提高氣體間隙的擊穿電壓。提高氣體間隙的平均擊穿場強有兩個途徑：第57頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、改進電極形狀以改善電場分布增大電極曲率半徑如變壓器套管端部加球形屏蔽罩、采用擴徑導線等（截面相同，半徑增大）。第58頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、改進電極形狀以改善電場分布改善電極邊緣電極邊緣做成弧形，以消除邊緣效應，同時電極表面盡量避免毛刺、棱角以消除電場局部增強的現(xiàn)象。第59頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎1、改進電極形狀以改善電場分布使電極具有最佳外形如穿墻高壓引線上加金屬扁球，墻洞邊緣做成近似垂鏈線旋轉(zhuǎn)體。第60頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎2、利用空間電荷對原電場的畸變作用例如利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場間隙中電場分布(2.4.2小節(jié))，從而提高間隙的擊穿電壓。但應該指出，上述細線效應只存在于一定的間隙距離范圍之內(nèi)，間隙距離超過一定值，細線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，使擊穿電壓與棒－板或棒－棒間隙的相近。另外，此種提高擊穿電壓的方法僅在持續(xù)作用電壓下才有效，在雷電沖擊電壓下并不適用。1－D=0.5mm2－D=3mm3－D=16mm4－D=20mm虛線－棒-板電極間隙點劃線－均勻場間隙導線－板電極的空氣間隙擊穿電壓（有效值）與間隙距離的關(guān)系第61頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎3、極不均勻電場中屏障的采用在電場極不均勻的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料（如紙或紙板）阻擋空間電荷，利用空間電荷產(chǎn)生的電場改變電場分布。屏蔽在一定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓，其效果與電壓種類有關(guān)。屏蔽用絕緣材料制成，但它本身的絕緣性能無關(guān)緊要，重要的是它的密封性（攔住帶電粒子的能力）。屏蔽的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場強度減小，從而使整個氣隙的電場分布均勻化。第62頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎當棒極為陽極性時，設置屏障可以顯著提高間隙的擊穿電壓。無屏障時，棒極附近形成的正極性空間電荷加強了前方電場，促進了電離區(qū)向前推進，因此擊穿電壓很低。當設置屏蔽后，正離子在屏障上聚集，因為同號電荷相斥，正離子在屏障表面分布較均勻，從而在屏障前方形成較均勻電場，改善了整個間隙的電場分布，因此可以提高擊穿電壓。當屏障靠近棒極時，屏障與板極間的均勻電場區(qū)擴大，間隙的擊穿電壓上升；但屏障離棒極過近時，屏障上的正電荷分布不再均勻，屏障前方又出現(xiàn)極不均勻電場，屏蔽作用減弱。第63頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎對負棒-板間隙，屏障的作用效果某些部分與正棒-板相似,但是有許多不同的地方，說明如下：當屏障較靠近板極處，間隙擊穿電壓反而降低。因為無屏障時，負離子擴散于空間，部分消失于電極，影響電場分布的主要是正離子，它削弱了前方的電場。但是設置屏障后，屏障上聚集大量的負離子影響了電場分布，加強了前方電場。因此屏障較遠離棒極后，設置的屏障反而減低了間隙的擊穿電壓。當屏障離棒極過近時，仍然具有屏障作用。因為電子速度高，可以穿透屏障，從而屏障上無法聚集大量負電荷，而屏障另一邊由電離造成的正電荷被屏障阻擋，使屏障帶正電，因此屏障和板極間的電場被削弱，當屏障緊靠棒極時，仍具有屏蔽效應.第64頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎直流電壓下棒－板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系第65頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎工頻電壓下棒－板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系（屏障的作用與直流電壓作用下正棒-板的情況相近）第66頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎4、高氣壓的采用采用改善電場分布，來提高擊穿電壓的方法，其平均擊穿場強仍然≤均勻電場中大氣壓下空氣的電氣強度(約30kV/cm)，這個數(shù)值并不高，可見常壓下空氣的電氣強度要比一般固體和液體介質(zhì)的電氣強度低得多。提高氣體壓力，減小電子的平均自由行程，可以削弱氣體中的電離過程，提高擊穿電壓。均勻電場中幾種絕緣介質(zhì)的擊穿電壓與距離的關(guān)系1－2.8MPa的空氣2－0.7MPa的SF63－高真空4－變壓器油5－0.1MPa的SF66－大氣第67頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎采用高氣壓時，下面因素的影響應給予注意：（1）電場均勻度的影響在高氣壓下，電場均勻度對擊穿電壓的影響比在大氣壓力下顯著的多。電場均勻度下降，擊穿電壓降劇烈降低。所以采用高氣壓的電氣設備應使電場盡可能均勻。（2）電極表面狀態(tài)的影響在高氣壓下，氣隙的擊穿電壓與電極表面的粗糙度有很大的關(guān)系。濕度、表面污物等因素在高氣壓下對氣隙擊穿電壓的影響比常壓下顯著。高氣壓下，應盡可能采用均勻電場，電極表面應光潔，氣體要濾去塵埃和水分。第68頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎5、強電負性氣體的應用采用高氣壓方法的缺點:(1)到達一定限度后，設備密封困難，成本大大提高。(2)提高到10個大氣壓后，再提高氣壓，效果大大下降。(3)空氣中的氧在高氣壓下因擊穿時的火花可能引起絕緣材料的燃燒。第69頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎許多含鹵族元素的強電負性氣體電氣強度特別高，因而可稱之為高電氣強度氣體。采用這些氣體來代替空氣，可以大大提高間隙的擊穿電壓，縮小設備尺寸，降低工作氣壓。高電氣強度氣體僅僅滿足電氣強度高是不夠的，還必須同時滿足以下條件：液化溫度要低，這樣才能同時采用高氣壓；良好的化學穩(wěn)定性，出現(xiàn)放電時不易分解、不燃燒或爆炸、不產(chǎn)生有毒物質(zhì)；生產(chǎn)不太困難，價格不過于昂貴。第70頁,共79頁，2024年2月25日，星期天高電壓工程基礎SF6同時滿足以上條件，而且還具備優(yōu)異的滅弧能力，因此SF6及其混合氣體被廣泛用于大容量高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器、高壓