1、第三章 氣隙的電氣強度第一節 氣隙的擊穿時間第二節 氣隙的伏秒特性和擊穿電壓的概率分布第三節 大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響第四節 較均勻/不均勻電場氣隙的擊穿電壓第五節 提高氣隙擊穿電壓的方法3.1 氣隙的擊穿時間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，讓放電得以逐步開展并完成擊穿完成氣隙擊穿的三個必備條件：直流電壓、工頻交流等持續作用的電壓，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）：靜態擊穿電壓：穩態電壓

2、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。擊穿時間tb = t0+ts+tf 放電時延：t1= ts + tftst0tftltbUPutU055tst0tftltbUutU0第一階段 升壓時間t1（0U0靜態擊穿電壓）：擊穿過程可能并未開始對于持續電壓（直流、工頻電壓）：此階段電壓升到U0 ，氣隙即被擊穿；非持續電壓下（雷電、操作沖擊電壓）：由于t0非常短，即使電壓升到U0 ，氣隙不立即擊穿。-無有效電子自由電子的出現需要時間電子-負離子電離終止56tst0tftltbUutU0第二階段 統計時延ts（U0 出現第一個有效電子

3、）：擊穿過程開始，具有統計性由于有效電子的出現是一個隨機事件，取決于很多偶然因素，所以ts具有分散性。 ts每次都不一樣，要確定ts就要記錄多個時間值進行統計，故稱為統計時延。ts（平均值）的影響因素：電極材料、外加電壓、光照射、電場情況。67tst1tftlagtbUutUs第三階段 放電形成時延tf（出現第一個有效電子氣隙被擊穿 ）：具有統計性對于湯遜理論：過程+過程氣隙被擊穿；對于流注理論：電子碰撞電離+流注的形成氣隙被擊穿tf的影響因素：間隙長度、電場均勻度、外加電壓；78放電時間構成的總結tst0tftltbUutU0總放電時間tbtbt0 + ts + tf（統計性）放電時延tlt

4、l= ts + tf （統計性）89間隙距離越短，電場越均勻，放電形成時延tf越小，tstf ，放電時延主要取決于統計時延ts 提高外施電壓人工光源照射較長的間隙，不均勻電場，局部場強很高，出現有效電子的概率增加，統計時延較小。放電時延主要取決于放電形成時延tf ，且電場越不均勻則tf越長，提高外施電壓93.2 氣隙的伏秒特性和擊穿電壓的概率分布電壓波形伏秒特性氣隙擊穿電壓的概率分布一. 電壓波形（一）直流電壓 直流試驗電壓大都由交流整流而得，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與平均值之比。國家標準規定被試品上直

5、流試驗電壓的紋波系數應不大于3。（二）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，其峰值與有效值之比應在 以內。頻率一般在45-65Hz范圍內。（三）雷電沖擊電壓 用來模擬電力系統中的雷電過電壓波，采用非周期性雙指數波。如圖：T1視在波前時間；T2視在半峰值時間 ；Um沖擊電壓峰值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、負號表示極性。波形峰值Um允許偏差3% 國際電工委員會(IEC)和我國國家標準規定為：T1=1.2s ，容許偏差30%；截斷時間Tc=25s.可寫成1.2/25s. （四）標準雷電截波 用來

6、模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡后出現的截尾沖擊波。 IEC標準和我國國家標準規定為：IEC標準和我國標準規定為左以下圖：波前時間Tp=250s20%；半峰值時間T2=2500s60%。可寫成250/2500s沖擊波。當在試驗中上述波形不能滿足要求時，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右以下圖，第一個半波的持續時間在20003000s之間，極性相反的第二個半波的峰值約為第一個半波峰值的80% 0.510 u / UmTpT2tu0UmTptTp=1000 1500us（五）操作沖擊電壓二.伏秒特性 氣隙的伏秒特性： 在同一波形，不同

7、幅值的沖擊電壓作用下，氣隙上出現的電壓最大值和擊穿時間的關系，稱為該氣隙的伏秒特性。（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，電壓為縱坐標，時間為橫坐標電壓較低時，擊穿一般發生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時刻，得到相應的點；電壓較高時，擊穿一般發生在波頭，取擊穿時刻的電壓瞬時值及該時刻，得到相應的點；把這些相應的點連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的“伏秒特性曲線。u0t123二.伏秒特性（續） 實際上伏秒特性具有統計分散性，是一個以上下包線為界的帶狀區域。U50%u0t2313-U0%2-U50%1-U100%19 50%沖擊擊穿電壓擊穿百分比為50%的擊穿電壓

8、。由于放電時延和放電時間均具有統計分散性，屢次重復施加電壓時可能有幾次擊穿而另幾次沒擊穿。隨著電壓的提高，發生擊穿的百分比將越來越大。工程實際中廣泛采用擊穿百分比為50%時的電壓U50% 來表征氣隙的沖擊擊穿特性。在實際中施加10次電壓有46次擊穿，就可認為這一電壓為氣隙的U50% 沖擊擊穿電壓。（二）伏秒特性曲線的應用間隙伏秒特性的形狀決定于電極間電場分布伏秒特性對于比較不同設備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義,是防雷設計中實現保護設備和被保護設備的絕緣配合的依據 。 3-2-6 S2對S1 起保護作用 3-2-7 在高幅值沖擊電壓作用下，S2不起保護作用三. 氣隙擊穿電壓的概率分布 氣隙的擊

9、穿電壓具有一定的分散性，即“擊穿概率分布特性。研究說明，氣隙擊穿的幾率分布接近正態分布，通常可以用U50%和變異系數Z來表示。 變異系數是相對數形式表示的變異指標。它是通過變異指標中的全距、平均差或標準差與平均數比照得到的。常用的是標準差系數。 氣隙絕緣，關心的不僅是其U50%擊穿電壓，更重要的是其耐受電壓。100%的耐受電壓是很難測的（要做無窮次的實驗），工程實際中常用對應于很高耐受幾率(例如99以上)的電壓作為耐受電壓。沖擊系數U50%與 靜態擊穿電壓U0 之比稱為沖擊系數。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 1。極不均勻電場中由于放電時延較長，沖擊系數均大于1。 我

10、國的國家標準所規定的標準大氣條件為： 壓力 p0 =101.3kpa（760mmHg）； 溫度 t0=20 或 T0= 293K； 絕對濕度 hc=11g / m3。3.3 大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響 由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件會影響空氣的密度、電子自由行程長度、碰撞電離及附著過程，影響氣隙的擊穿電壓Ub。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。空氣的濕度增加時，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。 氣隙的擊穿電壓隨大氣密度或濕度的增加而升高？式中: U 實際試驗條件下的氣隙擊

11、穿電壓 U0 標準大氣條件下的氣隙擊穿電壓 Kd空氣密度校正因數 Kh濕度校正因數氣隙擊穿電壓的換算公式 空氣的密度與壓力和溫度有關。空氣的相對密度式中 p氣壓，kPa； T絕對溫度，K 。 在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨空氣的相對密度的增大而提高。當處于0.951.05的范圍內時，氣隙的擊穿電壓幾乎與成正比，即此時的空氣密度校正因數 Kd ，因而U U0 氣隙不長（不超過1m）時，上式能足夠精確的使用于各種電場形式和各種電壓類型下近似的工程估算。一. 對空氣密度的校正 對更長空氣間隙來說，擊穿電壓與大氣的關系并不是一種簡單的線形關系。而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長度而變化的復雜關系。Kd

12、如下式計算 式中指數 m ，n 與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有關，值在0.41.0的范圍內變化，具體取值可參考有關國家標準的規定。一. 對空氣密度的校正(續) 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，濕度影響就很明顯了，可用下面的濕度校正因數來校正。 式中因數 K與絕對溫度和電壓類型有關，而指數 W 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國家標準。 二. 對濕度的校正Kh = KW指數m和W的求取 UB 實際大氣條件下50%放電電壓的測量值或估算

13、值，kV；L 試品最小放電路徑，m；、K 實際的空氣相對密度和濕度校正因數式中參數。例：某距離4m的棒-板間隙，在夏季某日氣壓 P=99.8kP，環境溫度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？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查曲線得：m=W=0.34三、海拔高度對放電電壓的影響高海拔地區由于氣壓下降，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，海拔每升高100m，空氣的絕緣強度約下降1%。(即絕

14、緣能力變弱)國家標準規定，對擬用于高海拔地區(海拔1000-4000m)的外絕緣設備，在非高海拔地區(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，kV； H 設備使用處海拔高度，m；小 結：氣體的放電電壓與大氣狀態有關，氣體的相對密度增大時，氣體的放電電壓也隨之增大。空氣的濕度增大時，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。3.4 均勻/稍不均勻場的擊穿電壓1. 在均勻電場中，電場是對稱的，故擊穿電壓與電壓極性無關，由于間隙各處的場強大致相等，故起始放電電壓就

15、等于氣隙的擊穿電壓。 不同電壓波形作用下，擊穿電壓實際上相同，且分散性很小，對于空氣，可以用以下的經驗公式表示： kV（peak）式中 空氣相對密度 S 間隙距離，cm 標準情況下，1cm空氣間隙的擊穿電壓約為30kV.2.稍不均勻電場 具有一定的極性效應。 稍不均勻電場的結構形式有多種多樣，常遇到的較典型的電場結構形式有；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、有規則的、較典型的電場，有相應的計算擊穿電壓的經驗公式或曲線，而用時，可參閱有關的手冊和資料。3.影響稍不均勻電場間隙擊穿電壓的因素： 電場結構、大氣條件、還有鄰近效應和照射效應3.5 極不均勻場的擊

16、穿電壓影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差異比較明顯，分散性較大，且極性效應顯著 工程上，擊穿電壓可以參照與接近的典型氣隙的擊穿電壓來估計。選擇電場極不均勻的極端情況典型電極來研究 棒(尖)板 ：電場分布不均勻、不對稱 棒(尖)棒(尖) ：電場分布不均勻、對稱 (一)直流電壓作用下：圖3-5-1 棒-板和棒-棒氣隙直流1min臨界耐受電壓與氣隙距離的關系棒板間隙：棒具有正極性時，平均擊穿場強約為4.5kV/cm；棒具有負極性時約為10kV/cm棒棒間隙的平均擊穿場強約為5.4kV/cm極性效應：圖3-5-2 棒-棒和棒-板空氣間隙的工頻擊穿電壓與間隙距離的關系（二）工

17、頻電壓作用下:擊穿總在棒為正半波時發生 除了起始局部外，中等距離范圍內，擊穿電壓和距離近似線性關系 棒棒3.8kV/cm；棒板低(極性效應)氣隙S2.5m時，擊穿電壓與距離關系出現了明顯的飽和趨向，特別是棒板氣隙，其飽和趨向更明顯。圖3-5-3 長氣隙和絕緣子串的工頻50%擊穿（或閃絡）電壓與氣隙距離的關系 另外，棒-棒和棒-板的工頻擊穿電壓曲線是各種不均勻電場氣隙擊穿電壓曲線的上下包絡線，這點對設計很有用。“飽和現象 ： d=1m， 5 kV/cm d=10m，2 kV/cm（三）雷電沖擊電壓作用下 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

18、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系。電力系統的輸電線及電氣設備具有電感和電容性，由于系統運行狀態的突變，導致電感和電容元件間的電磁能轉換，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、波形與電力系統的電壓等級有關。過渡過程的振蕩基值等于系統運行電壓，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，與系統電壓等級無關。（四）操作沖擊電壓作用下直到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=操作沖擊系數工頻放電電壓，且波形的影響可忽略。2

19、20kV及以下電壓等級電力系統：操作沖擊系數=1.1220kV以上電壓等級的電力系統：操作沖擊系數=1隨著電力系統電壓等級的提高，操作沖擊下的絕緣問題越來越突出。近幾年來研究發現，操作沖擊電壓下的氣體絕緣放電特性有許多新的特點，應根據操作沖擊電壓波形下的放電電壓進行設計。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，擊穿發生在峰值附近。在極不均勻場中,操作沖擊表現出許多新的特點：極性效應； U形曲線；飽和現象；分散性大。操作沖擊50擊穿電壓的特點在各種不同的不均勻電場結構

20、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)可用經驗公式計算：式中 d間隙距離，m。（1）極性效應棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓（2）U形曲線曲線呈U形，波前時間在某一區域內，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。d7m的間隙，臨界波前時間約100300s范圍內。間隙距離d越大，放電開展所需的時延越大，因此相應的臨界波前時間就越大。棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓U形曲線左半支的上升特征 當波前時間從臨界值減小，則放電開展時間縮短，

21、放電時延減小，要求有更高的擊穿電壓才能實現擊穿。U形曲線右半支的上升特征 當波前時間從臨界值增大，留給放電開展的時間足夠長，再增大放電時間，對放電開展沒有意義； 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趕到更遠處，造成附加電場減弱，則不利于放電的進一步開展，從而要求更高的擊穿電壓才能擊穿。棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓棒-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。其他結構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5000s，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

22、工程中各個氣隙尺寸的選定有極其重要的影響。在操作沖擊電壓作用下，長間隙的擊穿電壓呈現出顯著的飽和現象，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律類似。而雷電過電壓下的飽和現象卻不明顯。（3）飽和現象擊穿電壓的分散性可用相對標準差表示（4）擊穿電壓的分散性大極不均勻電場的空氣間隙，在波前時間為數十微秒至數百微秒的操作沖擊電壓作用下， 約為5%，而在雷電沖擊電壓下， 約為3%，工頻電壓作用下，分散性更小， 2%。1、標準沖擊電壓波形為非周期性指數衰減波形。2、電壓波形對U50%影響很大。3、標準沖擊電壓的極性效應顯著。4、標準沖擊電壓的擊穿電壓的分散性大。小 結：3.6 提高氣隙擊穿電壓的方法兩個途徑： 一、改善電場分布，使之盡量均勻 二、利用各種方法來削弱氣體中的電離過程 常用方法：增大電極的曲率半徑（簡稱屏蔽）。一. 改善電場分布3.6 提高氣隙擊穿電壓的方法（續） 從氣體碰撞電離的理論可知，將氣隙抽成高度的真空能抑制碰撞電離的開展，提高氣隙的擊穿電壓。注意：高真空中，擊穿機理發生了變化，撞擊電離的機制不起主要作用，而擊穿與強場發射有關。應用：真