1、第三章氣隙的電氣強度本章節的教學內容要求：沖擊電壓下的氣息擊穿： 標準波形，放電時間，伏秒特性及其實際意義，50%沖擊擊穿電壓, 放電的分散性。大氣條件的影響及換算方法，提高氣體間隙擊穿的措施 沿面放電：均勻與不均勻電場中沿面放電的基本過程和影響因素分析，提高沿面放電電壓的方法。 3- 1氣隙的擊穿時間靜態擊穿電壓：長時間作用在氣隙上能使得氣隙擊穿的最低電壓。如果所加電壓的瞬時值是變化的，或者所加電壓的延續時間很短， 則該氣隙的擊穿電壓就不同于靜態擊穿電壓（-般高于）靜態擊穿電壓。所以，應該說，對于某一氣隙，當不同波形的電壓作用時，將有相 應不同的擊穿時間和擊穿電壓。一.靜態擊穿電壓U 0使氣

2、隙擊穿的最小電壓 二擊穿時間tb從加壓的瞬時起到氣隙完全擊穿為止的總時間由三部分組成電壓從零升到靜態擊穿電壓U0所需的時間t s （統計時延）：從電壓達到U 0的瞬時起到氣隙中形成第一個有效電子為止的時間。t f （放電形成（發展）時延）從產生第一個有效電子的瞬時到氣隙完全被擊穿為止的時間這里所講的有效電子是指該電子能發展一系列的電離過程，最后導致間隙完全擊穿的那個電子。氣隙中出現的自由電子并不一定能成為有效的電子（有效電子一一能發展一系列的游離過程，最后導致間隙完全擊穿的那個電子） 。這是因為下列原因：有效電子：形成負離子擴散到間隙外游離中途衰亡4. tl （放電時延）：t l =t s +

3、t ftl的特點：根據電場的不同，tl具有分散性和隨機性在短間隙、均勻場中t ft s T t l=t s即：均勻電場的放電時延tI主要是產生有效電子的時間，t s的長短具有統計性質，可取其平均值，稱為平均統計時延。影響t s的因素：電極材料、外施電壓、短波光照射、電場情況在長間隙不均勻場中，由于電場的不均勻性容易產生有效電子，使t ft s T t l=t f即：不均勻長間隙電場中，先導放電的發展占放電時延的主要部分影響t f的因素：間隙長度、電場均勻度、外加電壓 3-2氣隙的伏秒特性和擊穿電壓的概率分布一.標準試驗電壓波形對于不同性質、不同波形的電壓，氣隙的擊穿電壓是不同的。為此，需對各種

4、電壓的波形制定統一的標準。分述如下：1、直流電壓：直流試驗電壓大多由交流整流而得，其波形必然有一定的脈動，通常所稱的電壓值是指其平均值。直流電壓的脈動幅值是最大值與最小值之差的一半。紋波系數為脈動幅值和平均值之比。國家標準規定，被試品上直流試驗電壓的紋波系數應不大于3%。2、工頻交流電壓：工頻交流試驗電壓應近似為正弦波，正負兩半波相同，其峰值與方均根值(有效值)之比應在 .2 _0.07以內。頻率一般在 45-65HZ范圍內。3、 雷電沖擊電壓模擬雷電過電壓，在實驗室由沖擊電壓發生器產生。分為：全波一一非周期性沖擊電壓，很快到峰值再逐漸下降。截波 雷電沖擊波被某處放電而截斷的波形4、操作沖擊電

5、壓：操作過電壓波形是隨著電壓等級，系統參數、設備性能、操作性質 等因素而變化的，如圖 3-2-3。二.伏秒特性曲線氣隙的擊穿放電需要一定的時間才能完成。對于長時間持續作用的電壓來說，氣隙的擊穿電壓有一個確定的值，但對于脈沖性質的電壓， 氣隙的擊穿電壓就與該電壓的波形(即作用的時間)有很大關系。比如，同一個氣隙，在峰值較低但延續時間較長的沖擊電壓作用 下可能被擊穿，而在峰值較高但延續時間較短的沖擊電壓作用下可能反而不能擊穿。所以， 對某一定的非持續作用的電壓波形，氣隙的耐壓性能需用外加電壓的峰值和延續時間共同表 示，這就是該氣隙在該電壓波形下的伏秒特性.伏秒特性：在電壓波形一定的情況下，氣隙擊穿

6、時的外加電壓峰值 與延續時間的關系Ub =f( tb )1 .伏秒特性的作法保持一定的波形而逐級升高電壓，以示波圖來求取。電壓較低時，擊穿發生在波尾，在擊穿前的瞬間，電壓雖已從峰值下降到一定的數值，但該電壓峰值依然是氣隙擊穿過程中的主要因素，因此，應以該電壓峰值為縱坐標，已擊穿時刻為橫坐標，得到點“1”。同樣的得到了點“2”，在電壓升高到波峰時， 擊穿可能正好發生在波峰，該點當然也是特性曲線上的點，當電壓繼續升高，擊穿可能發生在還未到達波峰之前，此時的點也是伏秒特性上的點。 把這些點連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的伏秒特性曲線。關于伏秒帶（分散性）：同一氣隙在同一電壓（包括波形和峰值）

7、作用下，每次擊穿前 時間也不完全一樣，具有一定的分散性。因此，一個氣隙的伏秒特性，不是一條簡單的曲線，而是一組曲線族。如圖3-2-5所示的。族中各曲線代表不同擊穿概率下的伏秒特性稱為 伏秒特性帶。0、70%、80%、100%2 .伏秒特性特點（1） 伏秒特性有分散性，為一組曲線，代表不同擊穿幾率（同一氣隙在同一電壓作用下,每次擊穿時間不完全一樣）如圖3-2-5.。Y =0 下包絡線，其左方完全不擊穿 屮=1 上包絡線，其右方完全擊穿 一般取9 = 0. 5（50%曲線）為平均伏秒特性（2）曲線形狀與電場均勻度的關系：均勻場電場的短氣隙中，曲線低且平坦，上翹范圍小均勻場、短間隙各處場強相差不大，

8、某處達到自持放電值時放電很快貫穿整個間隙t s加長Tt b加長t曲線擊穿時間短；在均勻場中，t b =t S,若擊穿電壓幅值稍降低 平坦.不均勻電場的長氣隙中，曲線較高且陡間隙大的不均勻場，由于電場分布的不均勻性，使擊穿時間t 場相同的擊穿時間，需加大電壓幅值 對t f影響很大t曲線陡.伏秒特性在工程中的實用意義T 曲線高；放電時延由tb加長，若保證與均勻電 f決定，電壓幅值的變化3.A）A 設備，E保護間隙保護間隙的伏秒特性曲線（B ）低于設備的曲線（A ）,能保護設備間隙曲線E較陡，間隙在交叉點C前不能保護設備，在C后能保護設備曲線A、E形狀可以改變，若曲線E過低，運行不安全；但若抬高曲線

9、A,將會增加經濟投入。可見，若保護間隙是不均勻場，其伏秒曲線較陡，只能保護不重要設備。4.50%擊穿電壓U 50%5 0%擊穿電壓：是指氣隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓的峰值。該值已經接近伏秒特性帶的下邊緣，它反映了該氣隙的基本耐電強度，是一個重要的電氣參數；但另一個 方面，也應該注意到，它并不能全面的代表該氣隙的耐電強度。還需考慮到2卩s沖擊擊穿電壓，即某氣隙在該電壓作用下會產生擊穿放電，其擊穿前時間小于和大于2卩s的幾率各為5 0%.即：5 0%曲線與2 卩s時間標尺相交點的電壓。 3-3大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響大氣條件對擊穿電壓的影響空氣間隙的擊穿電壓以及電氣設備外部絕緣和絕緣子的

10、閃絡電壓要受到大氣條件的影 響，主要受到大氣的壓力、溫度、濕度等的影響。為了使不同大氣條件下的擊穿電壓、閃絡 電壓能夠互相進行比較， 就需要將擊穿電壓換算成統一大氣條件下的值，這就是標準大氣壓（P0 =101.3kPa, t0 = 20C,絕對濕度h0 =11g/m）。一般技術資料，曲線和文獻中的擊 穿電壓，除了特別說明外，都是指在標準大氣條件下的值。空氣密度對擊穿電壓的影響由于氣壓和濕度的改變都反映為空氣密度的改變，而空氣密度增大時電子的平均自由 行程縮短，從而使游離減弱，空氣間隙的擊穿電壓提高。在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨空氣的相對密度S的增大而提高。當S處于0.951.05的范圍內時，

11、氣隙的擊穿電壓幾乎與 S成正比。U 二 u 0式中Uo-標準大氣條件下空氣間隙的擊穿電壓（幅值）U-實際大氣條件下空氣間隙的擊穿電壓（幅值）。空氣的相對密度為實際大氣條件下的密度與標準大氣條件下的密度之比，而空氣的密度與大氣壓力成正比，與溫度成反比，所以P/TPo/To-2.89P 273 20101.3273 t上述是對1m以下的間隙進行試驗的基礎上得到的，對于均勻電場，不均勻電場、直流 電壓、工頻或沖擊電壓都適用。濕度濕度反映了空氣中所含水蒸氣的多少，空氣中所含水蒸氣的密度， 即單位體積空氣中所含水蒸氣的質量，稱為空氣的絕對濕度，是以g/m3為單位來表示的。大氣中的水分子能夠俘獲自由電子而

12、形成負離子，這對氣體的放電過程起著抑制作用， 可見大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓也會增高 。在均勻和稍不均勻電場 中，放電開始時，整個氣隙的電場強度都很大，電子運動速度較快，不易被水分子俘獲，因而濕度影響不太明顯，可以忽略不計。在極不均勻電場中，平均擊穿場強低，電子運動速度小，而擊穿時間長，因此水蒸氣吸附電子程度強，游離能力減弱，這樣濕度的影響就很明顯了，可用下面的濕度校正因數 來校正。濕度不等于標準大氣條件下的濕度(但沒有達到凝露的程度)時，空氣間隙擊穿電壓的換算可用下式計算U卡Kh=(K廠K h式中Kh-濕度校正系數；K -絕對濕度及電壓類型的函數；-指數，其值與電極形狀、距離以及電壓類型

13、、極性有關。K , 值與溫度，電壓形式，電壓極性等因素有關，可查表。*3 海拔高度修正隨著海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均會下降。正由于此，在不同的海拔高度下所 得出的擊穿電壓實測數據都必須換算到某種標準條件下才能互相進行比較。我國國家標準規定：對于安裝在海拔高于1000m、但不超過4000m處的電力設施外絕緣，其試驗電壓 U應為平原地區外絕緣的試驗電壓Up乘以海拔校正因數 KaU = Ka x UpKa =1/( 1.1 H*104 )每升高1000米，空氣密度J 10 % 總之：3 入e不易撞擊游離Ubf水是電負性，易獲電子形成負離子，阻礙游離fUbf 3-4電場放電形式對放電電壓的影響

14、1、均勻電場中的擊穿電壓工程中很少遇到很大的均勻電場間隙，通常只有間隙不太大的均勻電場。在均勻電場中，間隙各處場強大致相等，因此在間隙中不可能出現持續的局部放電，流注一旦形成，間隙就被擊穿。擊穿電壓就等于起始放電電壓，且無極性效應。當s 1cm時，均勻電場中空氣的電氣強度大致等于30kV/cm。2、稍不均勻電場中的擊穿電壓稍不均勻電場中，一旦出現局部放電，立即導致整個間隙的完全擊穿。在稍不均勻電場 中擊穿電壓與電場的均勻程度關系極大。沒有能概括各種電場分布的試驗數據，具體間隙的擊穿電壓要通過實驗才能確定。但有這樣一個規律：電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高，其極限就是均勻電場中的擊穿電

15、壓。稍不均勻場的結構形式有多種多樣。工程中較典型的電場結構：球-球，球-板，圓柱-板,同軸圓柱、兩平行圓柱等，其中球球間隙可以用來測量高電壓峰值的一種方法，既簡單，又 準確。此時稍不均勻電場中的電氣強度比均勻電場電氣強度稍低一點。3、極不均勻電場下的擊穿電壓工程上常用的電場，絕大多數是極不均勻電場。 在極不均勻電場中， 各處場強差別很大， 在所加電壓小于間隙擊穿電壓時， 可以出現局部的持續的電暈放電。 電暈放電的空間電荷使 外電場強烈畸變，使得決定擊穿電壓的主要因素是間隙距離，電極形狀對擊穿電壓的影響不大。根據這一現象，可以選擇幾種形狀簡單的電極如棒-板，棒-棒電極作為典型電極，它們的擊穿電壓

16、具有代表性。在極不均勻的電場中，放電分散性較大，且極性效應明顯；棒極為正時的擊穿電壓比棒 極為負時的擊穿電壓要低。 1cm 的氣隙大概是 12Kv 。 由上述幾點可見， 間隙距離相同時， 電場越均勻， 氣隙的擊穿電壓就越高。 一般情況下， 極間距離越大，放電電壓也就越高，但不是成比例的增加。因此可以改進電極形狀，增大 電極曲率半徑，以改善電場分布，提高間隙的擊穿電壓。如果必須采用極不均勻電場，則盡可能采用棒-棒類型的對稱電場。3-4 提高氣隙擊穿電壓的方法為了縮小電力設施的尺寸， 總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取小一些， 為此就得采 取措施提高氣體介質的電氣強度。從使用角度出發，要提高氣隙的

17、擊穿電壓通過兩種途徑： 一是改善氣隙中的電場分布，使之盡量均勻；二是設法消弱或抑制氣體介質中的電離過程。 具體方法有：1改進電極形狀以改善電場分布電場分布越均勻， 氣隙的平均擊穿場強也就越大。 改進電極形狀 (增大電極的曲率半徑、 消除電極表面的毛刺、尖角等) 減小氣隙中的最大電場強、改善電場分布、 提高氣隙的擊穿 電壓。具體措施有：(1 ) 增大電極的曲率半徑利用屏蔽來增大電極的曲率半徑是一種常用的方法。 許多高壓電氣裝置的高壓出線端具有尖 銳的形狀， 須加屏蔽罩來降低出線端附近空間的最大場強， 提高電暈起始電壓。 最簡單的屏 蔽罩是球型屏蔽極； 超高壓線路上采用的擴徑導線， 超高壓線路絕緣

18、子串上安裝的保護金具 (均壓環)都是在超高壓線路上應用屏蔽原理來改善電場分布以提高電暈起始電壓的實例(2 )提高電極表面的光潔度，消除局部強場2.增高氣壓減小入e，阻礙游離在一定的氣壓范圍內有效，超出則飽和。提高氣壓會大大減小電子的自由行程長度， 削弱和抑制了電離過程， 使氣體的電氣強度 得到提高。如果在采用高壓的同時再以某些高強度的氣體(例如SF6 氣體)來替代空氣，能獲得更好的效果。3采用高真空高真空可以減弱氣體的碰撞電離過程從而顯著提高氣隙的擊穿電壓。在極間距離較小時，高真空的擊穿與陰極表面的強場發射有關。 目前高真空僅在真空斷路器中得到實際應用。4 采用高耐電強度氣體在眾多氣體中，有一

19、些含鹵族元素的強電負性氣體(例如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCI2F2)等)的電氣強度特別高可稱為高電器強度氣體。采用這些氣體來代替空氣可以 大大提高氣隙的擊穿電壓，甚至在空氣中混入一部分這樣的氣體也能顯著提高電氣性能。原因：a.分子量大，分子直徑大，不易撞擊游離b.很強的電負性，俘獲電子成負離子這類氣體要在工程上獲得應用除電氣強度高外，還必須滿足其它方面的要求，如：液化溫度要低良好的化學穩定性有實用的經濟性同時滿足上述條件的氣體是很少的，工程上唯一廣泛應用的是SF6 ，它還具有優異的滅弧能力。*SF6 應用最廣泛。其特性為：(1) 無色，無味，無毒，不燃的惰性化合物 ;40 C 0 80

20、C, P0.6MPa范圍內氣態占優勢500 C高溫持續作用下不會分解；中等壓力下可被液化，便于儲藏和運輸（2）適用范圍：均勻電場和稍不均勻電場在極不均勻電場中,持續的局部放電使 10%的SF6離解 分解物有很大的腐蝕性。用于：SF6斷路器，電容器，高壓充氣電纜，SF6全封閉組合電器 3-5氣體電介質中的沿面放電一般指氣體介質中沿固體表面的放電現象，也稱閃絡一、沿面放電的一般概念一切導體都要靠固體絕緣裝置（各類絕緣子）固定，這些固體絕緣裝置還起著電氣絕緣的作用。它們喪失絕緣功能有兩種可能：一是固體介質本身的擊穿。二是沿著固體介質表 面發生閃絡。電力系統的外絕緣一般都是自恢復絕緣，絕緣子閃絡或空氣

21、間隙擊穿后，它們的絕緣性能很快自動恢復。實驗表明：沿固體表面的閃絡電壓不但比固體介質本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。可見一個固體絕緣裝置的實際耐壓能力取決與沿面閃絡電壓。在確定輸電線路和變電所外絕緣的絕緣水平時，沿面閃絡電壓其者決定性作用。在表面潮濕污染的情況下，沿面閃絡電壓會更低。二、沿面放電的幾種典型情況固體介質與氣體介質交界面上的電場分布狀況對沿面放電特性有很大影響。界面電場分布可分為典型三種情況。（1）固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平行，這種情況在工程中比較少見，但 實際結構中會遇到固體處于稍不均勻電場中、且界面與電力線大致平行的情況。此時的

22、沿面放電特性與均勻電場的情況有些相似（2） 固體介質處于極不均勻電場中，且界面電場的垂直分量En比平行于表面的切線分量 Et大得多如右上圖（3） 固體介質處于極不均勻電場中，但大部分分界面上的電場切線分量 Et大于垂直分量 En 右下圖。三、均勻和稍不均勻電場中的沿面放電。情況1中，雖界面與電力線平行，但沿面閃絡電壓仍要比空氣間隙的擊穿電壓低很多。 說明電場發生了畸變，主要原因如下：（1 ）固體介質與電極表面接觸不良，存在小氣隙。小氣隙中的電場強度很大，首先發生放電，所產生的帶電粒子眼固體介質表面移動，畸變了原有電場。可采用在固體介質表面噴吐導電粉末的辦法消除。（2）大氣的濕度影響。 大氣中的

23、潮氣吸附在固體介質表面形成水膜，其中的離子受電場的驅動而沿著介質表面移動，降低了閃絡電壓。與固體介質吸附水分的性能也有關。（3）固體介質 表面電阻的不均勻和表面的粗糙不平也會造成沿面電場畸變。由上述分析可知，為了提高該條件下的沿面閃絡電壓，應注意固體電介質與電極的緊密結合。同時也看到空氣的濕度及固體電介質表面吸附水分的能力對閃絡電壓有較為顯著的影 響。濕度越大或固體電介質越容易吸附水分，則閃絡電壓越低。由于引起電場畸變的離子移動，電荷集聚都需要一定的時間，因此工頻或直流下的沿面閃絡電壓要比雷電沖擊電壓下 的閃絡電壓要低。四、極不均勻電場1、界面電場具有強垂直分量時的沿面放電在電壓還不高時，如右

24、a圖法蘭附近先出現電暈放電，隨著電壓升高放電區變成許多平行的火花細線組成的光帶 （b圖），當電壓超過某一臨界值后個別細線突然迅速增長，轉為分叉的樹枝狀明亮火花通道，如c圖。法蘭這種樹枝火花在不同的位置上交替出現，成為滑閃放電。 電壓再升高一些火花就到達另一電極，完成表面氣體的完全擊穿，稱為沿面閃絡或簡稱閃絡”。即：Uf T 淺蘭色的電暈放電T 平行細光線（刷形放電）Uf臨界值T性質變， 較明亮的淺紫色的樹枝狀 的火花，常改變路徑，有輕的爆裂聲，稱滑閃放電Uf一點 T 火花有較大的增長，沿面閃絡2、界面電場具有強水平分量時的沿面放電這種絕緣子的兩個電極之間的距離較長，其間固體介質本身不可能被擊穿

25、，只可能出現沿面閃絡。電極本身的形狀和布置已經使電場很不均勻，因此降低了閃絡電壓 （與均勻電場類型沿面放電相比），但不會顯著降低（與強垂直分量沿面放電相比），這是因為界面電場垂 直分量較小而無明顯滑閃放電現象，以及界面電荷使電壓重新分布所造成電場畸變影響作用相對減小。對于這種情況，為了提高沿面閃絡電壓，主要從改進電極形狀以及改善電極附近的電場著手，如采用內電極屏蔽和外電極屏蔽。例如絕緣支柱采用了均勻環后，不但降低電極邊緣的電場，改善了對地電容電流，還改善了電壓分布，從而提高了閃絡電壓。一般高度在2米以上的絕緣支柱采用均勻環后就有良好的效果。五、沿面放電電壓的影響因素和提高方法影響因素：（一）固體介質材料：主要取決于該材料的親水性或憎水性。（二）電場形式同樣的表面閃絡距離下均勻與稍不