高电压气体间隙的击穿强度.ppt

高电压工程基础高电压工程基础第三章第三章 气体间隙气体间隙的击穿强度的击穿强度 电场情况电场情况均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场影响气体间隙击穿电压的主要因素：影响气体间隙击穿电压的主要因素：高电压工程基础 电压形式电压形式稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击电压、稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击电压、操作冲击电压操作冲击电压 大气条件大气条件气压、温度、湿度气压、温度、湿度一、稳态电压下的击穿一、稳态电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿三、操作冲击电压下的击穿三、操作冲击电压下的击穿四、大气密度和湿度对击穿的影响四、大气密度和湿度对击穿的影响五、提高气体间隙击穿电压的措施五、提高气体间隙击穿电压的措施高电压工程基础第三章第三章 气体间隙的击穿强度气体间隙的击穿强度高电压工程基础稳态电压（持续电压）指直流电压或工频交流电压。稳态电压（持续电压）指直流电压或工频交流电压。3.1 稳态电压下的击穿稳态电压下的击穿特点：特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。发生击穿。高电压工程基础直流电压：直流电压：交流电压：交流电压：直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于3%。（脉动系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比）（脉动系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比）直流电压的大小指直流电压的平均值。直流电压的大小指直流电压的平均值。波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有效值之比为效值之比为 ，偏差不超过，偏差不超过2%5高电压工程基础1、均匀电场中的击穿、均匀电场中的击穿 因电极布置对称，所以击穿电压无极性效应。因电极布置对称，所以击穿电压无极性效应。因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。起始放电电压等于击穿电压。不论何种电压（直流、交流、正负不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）冲击电压）作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。高电压工程基础1、均匀电场中的击穿、均匀电场中的击穿均匀电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面均匀电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面经验公式求得：经验公式求得：式中式中 d 间隙距离，间隙距离，cm；空气相对密度。空气相对密度。均匀电场中空气均匀电场中空气的击穿场强（峰的击穿场强（峰值）为值）为30kV/cm。24.226.08()bUdd kV0.010.1110d/cm110100400Ub/kV高电压工程基础2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍不均匀的电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击不均匀的电场，任何一处自持放电的条件，就是整个间隙击穿的条件。穿的条件。电场不对称时，击穿电压有极性效应，但不显著。电场不对称时，击穿电压有极性效应，但不显著。击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕，立即导致击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕，立即导致整个间隙击穿。整个间隙击穿。间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。直流击间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、工频击穿电压峰值及穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一冲击击穿电压几乎一致，且分散性不大。致，且分散性不大。高电压工程基础2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系极大，没有能够概括各种电极结构的统一的经验极大，没有能够概括各种电极结构的统一的经验公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取类似的进行结构估算。类似的进行结构估算。电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。高电压工程基础（1）球间隙）球间隙（eg：高压实验室中的测量球隙）：高压实验室中的测量球隙）a.dD/4时，电场不时，电场不均匀程度增大，均匀程度增大，击穿场强下降，击穿场强下降，出现极性效应；出现极性效应；c.球隙测压器的工球隙测压器的工作范围作范围dD/2；否；否则因放电分散性则因放电分散性增大，不能保证增大，不能保证测量的精度。测量的精度。2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础（2）同轴圆柱电极）同轴圆柱电极（eg：高压标准电容器、单芯电缆、：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线）分相母线）（1）r/R0.1时，稍不均匀电场，时，稍不均匀电场，击穿前不出现电晕，且由图可见，击穿前不出现电晕，且由图可见，当当r/R 0.33时击穿电压出现极大时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时值（上述电气设备在绝缘设计时尽量将尽量将r/R选取选取0.250.4的范围内）。的范围内）。bmdUEf2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础（3）其他形状的电极布置）其他形状的电极布置 bmdUEf球状电极的电场不均匀系数球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极；大于相同半径的圆柱电极；间隙距离增大时，电场不均间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。匀系数也增大。2、稍不均匀电场中的击穿、稍不均匀电场中的击穿高电压工程基础3、极不均匀电场中的击穿、极不均匀电场中的击穿 由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。对电极形状不对称的极不均匀电场，有明显的对电极形状不对称的极不均匀电场，有明显的极性效应。极性效应。因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的分散性大。分散性大。高电压工程基础电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由于电场已经极不均匀），间隙距离对击穿电压的于电场已经极不均匀），间隙距离对击穿电压的影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况，影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况，棒棒板和棒板和棒棒作为典型电极结构，它们的击穿棒作为典型电极结构，它们的击穿电压具有代表性。电压具有代表性。在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据这些典型电极的击穿电压数据做简单的估算。这些典型电极的击穿电压数据做简单的估算。极不均匀电场的击穿电压的特点：极不均匀电场的击穿电压的特点：高电压工程基础（1）直流电压作用的击穿电压）直流电压作用的击穿电压棒棒板、棒板、棒棒间隙的直流击棒间隙的直流击穿电压与间隙距离的关系曲线穿电压与间隙距离的关系曲线正棒正棒负板间隙的击穿负板间隙的击穿电压最低，负棒电压最低，负棒正板正板间隙的击穿电压最高，间隙的击穿电压最高，棒棒棒间隙的击穿电压棒间隙的击穿电压介于两者之间。介于两者之间。高电压工程基础（2）工频交流电压作用的击穿电压）工频交流电压作用的击穿电压由于棒由于棒板间隙的击穿总是板间隙的击穿总是发生在棒级为正时的半个周发生在棒级为正时的半个周期且电压达幅值时，故其击期且电压达幅值时，故其击穿电压（峰值）和直流下正穿电压（峰值）和直流下正棒棒负板时的击穿电压相近。负板时的击穿电压相近。在电气设备上，应尽量采用在电气设备上，应尽量采用棒棒-棒类对称型的电极结构，棒类对称型的电极结构，而避免棒而避免棒-板类不对称的电极板类不对称的电极结构。结构。棒棒和棒板空气间隙的工频棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压（有效值）击穿电压（有效值）高电压工程基础1、均匀电场的击穿特点、均匀电场的击穿特点击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压（峰值）都相同。（峰值）都相同。2、稍不均匀电场的击穿特点、稍不均匀电场的击穿特点击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击穿电压几乎一致。穿电压几乎一致。3、极不均匀电场的击穿特点、极不均匀电场的击穿特点击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对击穿电压影响很大。击穿电压影响很大。小小 结：结：高电压工程基础3.2 雷电冲击电压下的击穿雷电冲击电压下的击穿1、冲击电压的标准波形、冲击电压的标准波形标准雷电波标准雷电波的波形：的波形：T1=1.2s30，T2=50s20对于不同极性：对于不同极性：+1.2/50s或或-1.2/50s操作冲击波操作冲击波的波形：的波形：T1=250s20，T2=2500s60对于不同极性：对于不同极性：+250/2500s或或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 高电压工程基础 足够大的电场强度或足够高的电压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有效电子 需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿完成气隙击穿的三个必备条件：完成气隙击穿的三个必备条件：2、放电时延、放电时延高电压工程基础 直流电压、工频交流等持续作用的电压，可以满直流电压、工频交流等持续作用的电压，可以满足上述三个条件；足上述三个条件；当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短（以微秒计），此击电压时，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。时放电时间就变成一个重要因素。完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）：完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）：静态击穿电压静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。的最低电压。击穿时间击穿时间：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的时间，也称为全部放电时间。时间，也称为全部放电时间。高电压工程基础升压时间t1：电压从零升到静态击穿电压所需的时间 统计时延ts：从外施电压达到Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子为止，所需的时间。放电形成时延tf：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间击穿时间：击穿时间：td=t1+ts+tf 放电时延：放电时延：tl=ts+tf高电压工程基础电场较均匀时电场较均匀时，由于平均场强很高，放电发展速度快，由于平均场强很高，放电发展速度快，放电时延近似等于统计时延放电时延近似等于统计时延。对于。对于极不均匀电场极不均匀电场，由，由于局部场强高（出现有效电子的概率增加），而平均于局部场强高（出现有效电子的概率增加），而平均场强较低（放电发展速度慢），场强较低（放电发展速度慢），放电时延主要取决于放电时延主要取决于放电形成时延放电形成时延。放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是总电压放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是总电压越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。放电