第3章-气体间隙的击穿强度

第3章气体间隙的击穿强度3.1稳态电压下的击穿3.2雷电冲击电压下的击穿3.3操作冲击电压下的击穿3.4大气密度和湿度对击穿的影响3.5SF6气体间隙中的击穿3.6提高气体间隙击穿电压的措施①气体击穿电压与电场分布有关均匀、稍不均匀、极不均匀②气体击穿电压与电压形式有关直流、交流、雷电冲击、操作冲击③气体击穿电压与气体种类有关空气、电负性气体④气体击穿电压与气体状态有关气体的气压、温度、湿度、海拔高度影响气体间隙击穿电压的主要因素气体放电理论可以解释规律，不能准确计算间隙击穿电压。怎么办呢？典型电极结构实际电极布置试验数据3.1稳态电压下的击穿稳态电压：直流与工频电压均为持续作用的电压，这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需时间内（以微秒计），外施电压的变化可忽略不计的电压。3.1.1均匀电场中的击穿均匀场工程实践中非常少见！为什么呢？ddUb08.622.24静电电压表式中d—间隙距离，cm；δ—空气相对密度。均匀电场中空气的击穿场强（峰值）为30kV/cm。在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的放电时延可以忽略不计，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都相同，且击穿电压的分散性也较小。均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式为：ddUb1.64.24（kV）bEbU0.040.010.10.412410124681012468102040608010020040020406080100cmd/Ub/kVbE/kV·cm-1图稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值Ub与极间距离d的关系均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流、正负冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算。Ub随着d的增大而显著增加；Eb基本不变，但随着d过大，电场的均匀强度减弱，则Eb会稍稍下降。在d=1～10cm的范围内，其击穿场强约30kV/cm。特点：（1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应；（2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同；（3）击穿电压的分散性很小。⒈特点①击穿前不能形成稳定的电晕放电；②电场不对称时，有极性效应，不很明显；③直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50％冲击击穿电压相同，分散性不大；④击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高。典型电极球—球间隙、球—板间隙、圆柱—板、同轴圆柱间隙3.1.2稍不均匀电场中的击穿加拿大魁北克省水电局研究所高电压试验室尺寸82×67×51.2m3（1）球间隙（eg：高压实验室中的测量球隙）11若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图1.12所示，由于大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。12正极性直流电压与冲击电压负极性直流电压及冲击电压气隙距离已超出用以测量电压时所推荐的变动范围d/cmUb/kV（峰值）图3-3一球接地时，直径为D的球隙的击穿电压Ub与间隙距离d的关系当dD/4时，击穿特性与均匀电场相似，无极性效应；dD/4时，电场不均匀度增大，大地对球隙中电场分布的影响加大，平均击穿场强减小，击穿电压的分散性增大。极性效应：稍不均匀电场中，电晕起始电压就是其击穿电压，所以起晕电压较低的负极性下击穿电压略低于正极性下的数值。（2）同轴圆柱电极（eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线）（1）r/R0.1时，极不均匀电场，击穿前先出现电晕，且Uc的值很低，因此上述电气设备均不设计在这一r/R范围内。（2）r/R0.1时，稍不均匀电场，击穿前不出现电晕，且由图可见，当r/R≈0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时尽量将r/R选取0.25~0.4的范围内）。d:间距f:不均匀系数Em:最大场强bmdUEf＝同轴圆柱击穿电压随r变化出现极大值可解释为：当r很大时虽然电场均匀度接近1，但因气隙距离d＝（R－r）很小，所以Ub很低；若r过小，虽然此时d增大，但由于电场不均匀度增大，也会使Ub下降。bmdUEf＝（3）其他形状的电极布置bmdUEf＝球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极；间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。3.1.3极不均匀场中的击穿在间隙很大时，不同形状电极的间隙击穿电压差别并不大，在一极接地时都接近于棒-板电极击穿数据。因此通常选取尖-板和尖-尖作为典型电极，分别用来估算工程中不对称布置和对称布置时所需的绝缘距离。不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。在各种各样的极不均匀电场气隙中：“棒－棒”气隙：完全对称性“棒－板”气隙：最大不对称性其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之间。对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒-棒”或“棒-板”两种典型气隙的击穿特性曲线来估计其电气强度。+-正棒—负板间隙的击穿电压最低负棒—正板间隙的击穿电压最高棒—棒间隙的击穿电压介于两者之间。（间隙距离减小，不均匀度减小）极不均匀电场的击穿特性－直流电压“棒一棒”气隙的工频击穿电压要比“棒一板”气隙高一些，因为相对而言，“棒－棒”气隙的电场要比“棒一板”气隙稍微均匀一些，（后者的最大场强区完全集中在棒板附近，而前者则由两个棒极来分摊）由于棒—板间隙的击穿总是发生在棒级为正时的半个周期且电压达幅值时，故其击穿电压（峰值）和直流下正棒—负板时的击穿电压相近。在电气设备上，应尽量采用棒-棒类对称型的电极结构，而避免棒-板类不对称的电极结构。极不均匀电场的击穿特性－工频交流电压1、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（峰值）都相同。2、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穿电压几乎一致。3、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电压影响很大。小结：冲击电压就是作用时间极为短暂的电压，一般指雷电冲击和操作冲击电压。前者是由雷电造成的幅值高、陡度大、作用时间极短的冲击电压；后者是由电力系统操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起的持续时间较长、幅值高于系统相电压几倍的冲击电压。下面分别讨论雷电冲击电压和操作冲击电压下气隙的击穿特性。3.2雷电冲击电压下的击穿（1）采取措施限制大气过电压水平。（2）保证高压电气设备能耐受一定水平的雷电过电压。冲击电压的标准波形标准雷电波的波形：T1=1.2μs±30％，T2=50μs±20％对于不同极性：+1.2/50μs或-1.2/50μs操作冲击波的波形：T1=250μs±20％，T2=2500μs±60％对于不同极性：+250/2500μs或-250/2500μs波前时间半峰值时间参数：①波前时间：反映上升速度②半峰值时间：反映下降速度注意：雷电电压具有冲击性。上升速度和下降速度都非常快。气隙击穿的必备条件①足够大的电场强度或足够高的电压；②在气隙中存在有效电子；有效电子→引起电子崩并导致流柱和主放电③需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。持续电压（直流、工频电压），电压的变化速度很小。相比之下放电发展所需时间可以忽略不计，当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值。非持续电压下（雷电、操作冲击电压），因为电压波来去速度很快，放电发展速度就不能忽略不计了。间隙的击穿电压与作用电压的波形（即作用时间）有很大关系。放电时延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；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）：静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。击穿时间：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。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：td=t1+ts+tf放电时延：tl=ts+tftst1tftlagtbUutUs第一阶段升压时间t1（0→Us静态击穿电压）：击穿过程可能并未开始对于持续电压（直流、工频电压）：此阶段电压升到Us，气隙即及被击穿；非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：由于t1非常短，即使电压升到Us，气隙也不一定被击穿。tst1tftlagtbUutUs第二阶段统计时延ts（Us→出现第一个有效电子）：击穿过程开始，具有统计性由于有效电子的出现是一个随机事件，取决于很多偶然因素，所以ts具有分散性。ts每次都不一样，要确定ts就要记录多个时间值进行统计，故称为统计时延。ts（平均值）的影响因数：电极材料、外加电压、短波光照射、电场情况。tst1tftlagtbUutUs第三阶段放电形成时延tf（出现第一个有效电子→气隙被击穿）：具有统计性对于汤逊理论：α过程+γ过程→气隙被击穿；对于流注理论：电子碰撞电离+流注的形成→气隙被击穿tf的影响因数：间隙长度、电场均匀度、外加电压；放电时间构成的总结tst1tftlagtbUutUs总放电时间tbtb＝t1+ts+tf（统计性）放电时延tlagtlag=ts+tf（统计性）电场较均匀时，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。极不均匀电场，由于局部场强高（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），放电时延主要取决于放电形成时延。放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是电压越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。放电时延与电场均匀度有关：放电时延服从统计规律，因此冲击击穿电压具有一定的分散性。工程上常用50%冲击击穿电压U50%表示间隙的冲击击穿特性。U50%—间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。3%500UU冲击击穿电压的放电概率一般认为服从高斯分布：50％击穿电压及冲击系数确定间隙的U50%的方法:保持标准波形不变，逐级升高电压幅值，每级电压值加10次，直到每10次中有4-6次击穿，则此电压可作为该间隙大致的U50%。每级加压次数越多，所得的U50%越准确。U50%与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数β。均匀和稍不均匀电场下，β≈1；极不均匀电场中，β1，冲击击穿电压的分散性也较大。因为U50%只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性。同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50%是不同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。图为标准雷电冲击电压下棒—板及棒—棒间隙的U50%和距离的关系。1.正棒-板2.正棒-棒(接地)3.负棒-棒(接地)4.负棒-板棒—板间隙具有明显的极性效应，棒—棒间隙也具有不大的极性效应。这是由于大地的影响，使不接地的棒极附近电场增强的缘故。U50%与间隙距离间保持良好的线性关系。一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压，而且还必须有充分的电压作用时间。对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击穿电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共同表示。同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值较高但持续时间较短，可能反而不被击穿。伏－秒特性伏秒特性——对某一冲击电压波形，间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变（T1/T2一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。伏秒特性的制定方法（用实验方法求取）保持冲击电压