氣隙的電氣強(qiáng)度

1、氣隙的電氣強(qiáng)度第1頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 3.1 氣隙的擊穿時(shí)間一、完成氣隙擊穿的三個(gè)必備條件： 足夠大的電場強(qiáng)度或足夠高的電壓； 在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流柱和主放電的有效電子；需要有一定的時(shí)間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。二、靜態(tài)擊穿電壓：長時(shí)間作用在氣隙上能使其擊穿的最低 電壓。* 擊穿完成所用時(shí)間都以微秒記，在直流和工頻等持續(xù)電壓 下，時(shí)間不成問題。但沖擊電壓的有效作用時(shí)間也以微秒 記，所以放電時(shí)間就成了重要因素了。 第2頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四三、擊穿時(shí)間： 即放電的總時(shí)間 tb ，由三部分組成： tb = t

2、l + ts + tf 其中， tl 升壓時(shí)間；ts 統(tǒng)計(jì)時(shí)延，指從 tl 到氣隙中 出現(xiàn)第一個(gè)有效電子所用時(shí)間； tf放電形成時(shí)延，從出現(xiàn)有效電子到最終擊穿所用時(shí)間。 令 t2 = ts + tf ，稱為放電時(shí)延。tst1tft2tbUut第3頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四氣隙的電氣強(qiáng)度取決于以下幾點(diǎn)：電場形式 均勻或稍不均勻電場 極不均勻電場電壓類型大氣條件第4頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四3.2 電壓類型一. 電壓波形（一）直流電壓 直流試驗(yàn)電壓大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脈動(dòng)，通常所稱的電壓值是指平均值。直流電壓的脈動(dòng)幅值是

3、最大值與最小值之差的半。紋波系數(shù)為脈動(dòng)幅值與平均值之比。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被試品上直流試驗(yàn)電壓的紋波系數(shù)應(yīng)不大于3。（二）工頻交流電壓 工頻交流試驗(yàn)電壓應(yīng)近似為正弦波，正負(fù)兩半波相同，其峰值與有效值之比應(yīng)在 以內(nèi)。頻率一般在4565Hz范圍內(nèi)。第5頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 （ 三） 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波 模擬電力系統(tǒng)中的雷電過電壓波，采用非周期性雙指數(shù)波。T1視在波前時(shí)間；T2視在半峰值時(shí)間 ；Um沖擊電壓峰值。國際電工委員會(IEC)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：T1=1.2s ，容許偏差30% ；T2=50s，容許偏差20% 通常寫成1.2/50s，并可在前面加上正、負(fù)號表

4、示極性。 0.30.50.9100T1T2 u / Umt第6頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 （四） 標(biāo)準(zhǔn)雷電截波 模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后出現(xiàn)的截尾沖擊波。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：視在波前時(shí)間T1=1.2s ，容許偏差30% ；截?cái)鄷r(shí)間Tc=25s ，可寫成1.2/ 25s .0.900.31 u / Um0T1Tct第7頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 （五） 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波 等效模擬電力系統(tǒng)中操作過電壓波，一般也用非周期性雙指數(shù)波。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：波前時(shí)間Tcr=250s, 容許偏差20%；半峰值時(shí)

5、間T2=2500s, 容許偏差60% ?？蓪懗?50/2500s沖擊波。當(dāng)在試驗(yàn)中上述波形不能滿足要求時(shí)，推薦采用100/2500s 和 500/2500s 沖擊波。此外還建議采用一種衰減震蕩波，第一個(gè)半波的持續(xù)時(shí)間在20003000s之間，極性相反的第二個(gè)半波的峰值約為第一個(gè)半波峰值的80% 。0.510 u / UmTcrT2tu0UmTcrtTcr=1000 1500us第8頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 我國的國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為： 壓力 p0 =101.3kpa（760mmHG）； 溫度 t0 =20 或 T0 = 293K； 絕對濕度 hc =1

6、1g / m3 。在實(shí)際試驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓U與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U0 之間可以通過相應(yīng)的校正因數(shù)進(jìn)行如下?lián)Q算：式中 Kd空氣密度校正因數(shù)； Kh濕度校正因數(shù)。3.3 大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響 第9頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四一、對空氣密度的校正 空氣的密度與壓力和溫度有關(guān)。空氣的相對密度 式中 p氣壓，kPa；T溫度，K 。 在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨的增大而提高。當(dāng)處于0.951.05的范圍內(nèi)時(shí)，氣隙的擊穿電壓幾乎與成正比，即此時(shí)的空氣密度校正因數(shù) Kd ，因而 U U0 氣隙不長（例如不超過1m）時(shí)，上式能足夠精確的使用于各種電場形式和各種電

7、壓類型下近似的工程估算。第10頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 研究表明：對更長空氣間隙來說，擊穿電壓與大氣的關(guān)系并不是一種簡單的線形關(guān)系。而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長度而變化的復(fù)雜關(guān)系。Kd 如下式計(jì)算式中指數(shù) m ，n 與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有關(guān)，值在0.41.0的范圍內(nèi)變化，具體取值可參考有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。第11頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 二、對濕度的校正 在均勻和稍不均勻電場中，放電開始時(shí)，整個(gè)氣隙的電場強(qiáng)度都很大，電子運(yùn)動(dòng)速度較快，不易被水分子俘獲，因而濕度影響不太明顯，可以忽略不計(jì)。例如用球隙測量高電壓時(shí)，只

8、要按空氣相對密度校正其擊穿電壓就可以了，而不必考慮濕度的影響。 在極不均勻電場中，濕度影響就很明顯了，可用下面的濕度校正因數(shù)來校正。 Kh = k式中因數(shù) k 與絕對溫度和電壓類型有關(guān)，而指數(shù) 之值取決于電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性。具體值亦可參考有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。第12頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四三、對海拔的校正 我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對于安裝在海拔高于1000m 、但不超過4000m 處的電力設(shè)施外絕緣，其試驗(yàn)電壓U 應(yīng)為平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓Up 乘以海拔校正因數(shù)Kn ，即 U = Ka Up式中 H安裝點(diǎn)的海拔高度，m。第13頁，共39頁，2022年，5月

9、20日，8點(diǎn)30分，星期四氣隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的沖擊電壓作用下，氣隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系，稱為該氣隙的伏秒特性。伏秒特性曲線表示該氣隙伏秒特性的曲線，稱為伏秒特性曲線。50%沖擊擊穿電壓 （U50% )指某氣隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。沖擊系數(shù)U50%與 靜態(tài)擊穿電壓Us 之比稱為沖擊系數(shù) 。均勻和稍不均勻電場下沖擊擊穿電壓的分散性很小， 沖擊系數(shù) 1。極不均勻電場中由于放電時(shí)延較長，沖擊系數(shù) 均大于1。3.4 氣隙的伏秒特性 第14頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四（一）伏秒特性曲線的制作保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級升高電壓，

10、以電壓為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)，電壓較低時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時(shí)刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；電壓較高時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波頭，取擊穿時(shí)刻的電壓值及該時(shí)刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；把這些相應(yīng)的點(diǎn)連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的“伏秒特性曲線”。u0t123第15頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 伏秒特性具有統(tǒng)計(jì)分散性，是一個(gè)以上下包線為界的帶狀區(qū)域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲線”來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿特性。U50%u0t231第16頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四（二）伏秒特性曲線的應(yīng)用 在保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合上具有重要的意

11、義。是防雷設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合的依據(jù) 。第17頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四三. 氣隙擊穿電壓的概率分布 不論是在何種電壓作用下，氣隙的擊穿電壓都有一定的分散性，即“擊穿概率分布特性”。研究表明，氣隙擊穿的幾率分布接近正態(tài)分布，通?？梢杂肬50%和變異系數(shù)Z（標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值稱為變異系數(shù)）來表示。耐受電壓：即能確保耐受而不被擊穿的電壓。100%的耐受電壓是很難測的（要做無窮次的實(shí)驗(yàn)），工程實(shí)際中常用對應(yīng)于很高耐受幾率(例如99以上)的電壓作為耐受電壓。確保擊穿電壓：擊穿概率很高的電壓。第18頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期

12、四3.5 電場在不同電壓下的擊穿電壓一、較均勻電場氣隙的擊穿電壓 均勻電場 電場是對稱的，故擊穿電壓與電壓極性無關(guān)，由于間隙各處的場強(qiáng)大致相等，不可能出現(xiàn)持續(xù)的局部放電，故起始放電電壓就等于氣隙的擊穿電壓。 不同電壓波形作用下，擊穿電壓實(shí)際上相同，且分散性很小，對于空氣，可以用以下的經(jīng)驗(yàn)公式表示： KV（peak）式中 空氣的相對密度 S 氣隙的距離，cm第19頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四 稍不均勻電場 稍不均勻電場的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，常遇到的較典型的電場結(jié)構(gòu)形式有；球球、球板、圓柱板、兩同軸圓筒、兩平行圓柱、兩垂直圓柱等。對這些較簡單的、有規(guī)則的、較典型的電場，

13、有相應(yīng)的計(jì)算擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式或曲線，而用時(shí)可參閱有關(guān)的手冊和資料。 影響稍不均勻電場間隙擊穿電壓的因素： 電場結(jié)構(gòu)、大氣條件、鄰近效應(yīng)、照射效應(yīng)等。第20頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四均勻電場和稍不均勻電場的擊穿特性 第21頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四二、不均勻電場氣隙的擊穿電壓 不均勻電場的特征：各處場強(qiáng)差別很大，在所加電壓小于整個(gè)間隙擊穿電壓時(shí)，可能出現(xiàn)局部的持續(xù)的放電。由于持續(xù)的局部放電的存在，空間電荷的積累對擊穿電壓的影響很大，導(dǎo)致顯著的極性效應(yīng)。 對很不均勻電場，只要宏觀上保持原有的電場布局和氣隙最小距離不變，則電極的具體形狀、

14、尺寸和結(jié)構(gòu)的改變，對擊穿電壓的影響不大。 預(yù)先對幾種典型的電場的氣隙，如棒棒或線線、棒板或線板作出擊穿電壓和氣隙距離的關(guān)系曲線，在工程上遇到的各種不均勻電場，其擊穿電壓可以參照與接近的典型氣隙的擊穿電壓來估計(jì)。第22頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四直流電壓 存在明顯的極性效應(yīng)第23頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四圖3-5-2 棒棒和棒和板空氣間隙的 工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系擊穿總是發(fā)生在棒極為正半波時(shí)。工頻電壓第24頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四氣隙較大時(shí)（S大于2.5m），擊穿電壓與距離關(guān)系出現(xiàn)了明顯的飽和趨向，特

15、別是棒板氣隙，其飽和趨向更明顯。第25頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四雷電沖擊電壓作用實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)線平板氣隙的U50%與棒板氣隙的十分接近（不論正/負(fù)極性），在缺乏線板擊穿電壓的具體數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以用棒板的擊穿數(shù)據(jù)來估計(jì)。(圖3-5-4)第26頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四操作沖擊電壓1. 波形的影響：一般均指“正極性”情況。p60 圖3-5-8 不同性質(zhì)電壓作用下棒板氣隙的擊穿電壓 與氣隙距離的關(guān)系第27頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四2.飽和現(xiàn)象：長氣隙在操作電壓作用下呈現(xiàn)顯著的“飽和現(xiàn)象”。圖3-5-9棒棒和棒-板

16、間隙的操作沖擊擊穿電壓第28頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四3.分散性大 （五）疊加性電壓作用下 工程實(shí)際中，作用在氣隙上的電壓常常是由不同性質(zhì)電壓疊加的，而不是單一性質(zhì)的。注意：同一氣隙對疊加性電壓的、耐受程度與對單一性電壓的耐受程度是不同的。當(dāng)工作電壓是穩(wěn)態(tài)直流時(shí)，兩者的差異更顯著？。第29頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四3.5 提高氣隙擊穿電壓的方法兩個(gè)思路：1、改善氣隙中的電場分布，使之均勻；2、設(shè)法削弱和抑制氣體介質(zhì)中的電離過程。 第30頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四一、改進(jìn)電極形狀以改善電場分布增大電極的曲率

17、半徑（常用的是屏蔽），例如變壓器套 管，均壓環(huán)，擴(kuò)徑導(dǎo)線等；消除電極表面的毛刺；消除電極表面尖角。 * 不僅要注意改善高壓電極的形狀以降低該電極旁邊的局部場強(qiáng)，還要注意改善接地電極和中間電極的形狀，以降低該電極旁邊的局部場強(qiáng)。第31頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四圖中所示采用不同直徑屏蔽球時(shí)的效果，可以看到，在極間距離為110cm時(shí)，采用直徑為75cm的球形屏蔽極可使氣隙的擊穿電壓約提高1倍。第32頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四二、 利用空間電荷畸變電場的作用三、采用屏障 在電場極不均勻的氣隙中，放入薄片固體絕緣材料（例如紙或紙板），在一定條件

18、下，可以顯著提高氣隙的擊穿電壓。原理是屏障積聚空間電荷，改善電場分布。第33頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四二、采用高度真空？*高真空中，擊穿機(jī)理發(fā)生了變化，撞擊電離的機(jī)制不起主要作用，而擊穿與強(qiáng)場發(fā)射有關(guān)。應(yīng)用：真空斷路器中用作絕緣和滅弧。三、增高氣壓？在一定的氣壓范圍內(nèi)，增高氣壓對提高氣隙的擊穿電壓是極為有效的。但是容器的密封比較困難，即使做到了密封，造價(jià)也比較昂貴。第34頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四四、采用高耐電強(qiáng)度氣體？鹵族元素的氣體：六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等耐電強(qiáng)度比氣體高的多，采用該氣體或在其他氣體中混入一定比例的這類氣體，可以大大提高擊穿電壓？第35頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)30分，星期四高耐電強(qiáng)度氣體還應(yīng)具有較好的物理化學(xué)