《高电压技术》辅导资料三

主    题：第一章 介子在强电场下的特性（第7-8节）

学习时间：2013年10月14日－10月20日

内    容：

我们这周主要学习第一章第七、八节“各种电压作用下气隙的特性”、“大气条件对空气间隙击穿电压的影响及提高气体介质强度的方法”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对气隙放电的理解以及了解大气环境下的击穿电压和提高气体介质强度的方法。

第七节    各种电压作用下气隙的特性

（1）概述

气体间隙的击穿电压和电场分布、电压种类都有很大关系。也就是说气隙的击穿特性取决于电场形式和外加电压类型。通常，有如下划分：

电场形式：均匀电场，稍不均匀电场，极不均匀电场。在间隙距离相同的情况下，通常电场越均匀，击穿电压越高。

外加电压类型：

直流电压        稳态电压       

工频交流电压

雷电过电压      冲击电压

操作过电压         

（2）均匀电场气隙的击穿

在均匀电场中，不存在极性效应，起始场强等于击穿场强。

直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同，击穿电压分散性很小。

空气间隙的击穿电压经验公式：

               Ub=24.55δd+6.4（δd）0.5  kV

Ub－击穿电压峰值，kV

δ－空气的相对密度

d－间隙距离，ｃｍ

间隙距离比较小（d＝ 1 ～10cm）时，可以用这个经验公式估算，均匀电场中空气的电气强度大致为Eb=30kV/cm

（3）稍不均匀电场

与均匀电场相似，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。稍不均匀电场中直到击穿为止不发生电晕；电场不对称时，极性效应不明显（但是存在）。直流击穿电压、工频击穿电压（幅值）、50%冲击击穿电压基本上相等，击穿电压的分散性质也不大。

该电场中，电场越均匀，相同间隙距离下的击穿电压越高，其极限是均匀电场中的击穿电压。

该电场中，不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，所以负极性下击穿电压略低于正极性下的数值（可参见上一周内容的极性效应相关内容）。

（4）极不均匀电场

在极不均匀电场中，有持续的局部放电，空间电荷积累导致显著的极性效应。电极形状对气隙击穿电压影响不大。极不均匀电场中，直流击穿电压、工频击穿电压、冲击击穿电压间的差别明显，分散性较大，极性效应显著。

1）直流击穿电压（长间隙）

“棒—板”间隙，棒电极为正极时，平均击穿场强4.5kV/cm；

                棒电极为负极时，平均击穿场强10 kV/cm；

“棒—棒”间隙，棒电极为正极时，平均击穿场强4.8kV/cm；

                棒电极为负极时，平均击穿场强5.0kV/cm。

 注意各个电压之间大小的关系：“棒—板”范围大于“棒—棒”，正极值大于负极值。

2）工频击穿电压

击穿总是在棒极为正半波峰值附近发生。这是由于极性效应导致的，正棒负板的击穿电压比负棒正板的击穿电压低。在间隙距离较小的时候（小于1m），击穿电压与间隙距离成正比。在间隙距离较大的时候（大于2m），击穿电压与间隙距离的关系趋于饱和，棒-板尤甚。各种气隙的工频击穿电压分散性不大。

“棒—板”间隙，平均击穿场强 3.35kV/cm（有效值），4.8kV/cm（幅值）；

“棒—棒”间隙，平均击穿场强  3.8kV/cm（有效值），5.36kV/cm（幅值）；

后者比前者的击穿电压要高的原因：棒—棒 电极形成的电场能更加均匀一些。

3）雷电冲击50%击穿电压

完成气隙击穿有三个必要条件：足够大的电场强度或足够高的电压；在气隙中存在能发展一系列的电离过程最后导致间隙完全击穿的有效电子；需要有一定的时间让放电得以发展并完成击穿。

冲击系数：雷电冲击50%击穿电压和持续作用电压下的击穿电压之比。

极不均匀电场中，冲击击穿特性有极性效应。雷电50%击穿电压高于稳态击穿电压，击穿电压分散性较大，通常发生在波尾。由于作用时间短，雷电冲击50%击穿电压和间隙距离大致呈线性关系。

4）操作冲击50%击穿电压

在均匀或稍不均匀电场中，间隙的操作冲击50%击穿电压、雷电冲击50%击穿电压和工频击穿电压（峰值）几乎相同，击穿几乎发生在峰值，分散性也较小。在极不均匀电场中，操作冲击电压下的击穿通常发生在波头部分，击穿电压与波头时间有关与波尾时间无关。

操作冲击击穿电压有极小值，该极小值比雷电冲击电压低，甚至某些时候比工频击穿电压低得多。

在极不均匀电场中，操作冲击50%击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征。

    第八节   大气条件对空气间隙击穿电压的影响及提高气体介质强度的方法

1.大气条件对空气间隙击穿电压的影响

空气间隙电气设备外部绝缘的击穿电压会受到大气压力、温度、湿度等大气条件的影响，因此在不同大气条件下的击穿电压必须换算到标准大气条件下才能进行比较。

我国规定的标准大气条件是：气压P0=101.3kPa；温度t0=20°C（或T0=293K）；绝对湿度f0=11g/m3，非标准大气条件的实测电压值应换算到标准大气条件下的电压值。

（1）空气相对密度的影响

气压与温度的影响归结到空气相对密度的影响。

实际击穿电压U和标准条件下击穿电压U0换算关系：

                U≈δU0  （δ在0.95～1.05时）

其中δ=2.P/(273+t);P为气压，kPa；t为温度，°C；

当δ与1相差较大时，U=KdU0

其中Kd=（P/P0）m×[（273+t0）/(273+t)]n ;

（2）湿度的影响

非标准湿度下的击穿电压U和标准湿度下的击穿电压U0的关系：

                U=U0/Kh

其中，Kh=kω ；k是绝对湿度和电压种类的函数；ω取决于电极形状、间隙距离、电压种类及其极性。

综合气压、温度、湿度的影响，在试验或运行条件下的间隙击穿电压U和标准大气条件下的击穿电压U0可以进行如下换算：

                 U=（Kd/Kh）×U0

（该式同时适用于空气间隙的击穿电压和外绝缘的沿面闪络电压）

（3）对海拔高度进行校正

国标规定：凡安装在海拔高度超过1000m而又低于4000m地区的电力设施其外绝缘试验电压U与平原地区外绝缘的试验电压Up的关系为：

                U=KαUp

其中，Kα=1/（1.1-H×10-4）；H为海拔高度，m；

2．提高气体介质强度的方法（提高气隙击穿电压）

影响气体击穿电压的主要因素：气体间隙中的电场分布、所加电压的波形、气体的状态、气体的种类等。

为提高气体间隙的击穿电压，两种途径：改善间隙中的电场分布，使之尽量均匀；削弱或抑制气体中的电离过程。

（1）改善电场分布——电场越均匀，间隙平均击穿场强越高

A.改进电极形状以改善电场分布

   增大电极曲率半径；

   改进电极边缘形状以消除边缘效应；

   尽量避免电极表面出现毛刺、棱角等以消除局部场强增高；

   如：电力系统变电站中一些高压设备的出线端加装屏蔽罩来增大电极曲率半径以降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕起始电压。

B.利用空间电荷改善电场分布

   细线效应

C.极不均匀电场中采用屏障改善电场分布

在电场中放入薄层固体绝缘材料作为屏障，挡住与电晕电极同号的空间电荷，使得电晕电极与屏障之间的场强减弱，阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布，使得屏障与极板之间形成比较均匀的电场，从而使整个间隙的击穿电压得到提高。

屏障本身的耐电强度并无多大意义，其主要作用是阻止空间电荷的运动，积聚空间电荷，以达到改善电场分布的目的。

一般来说，屏障插入极不均匀电场的电晕电极附近能提高间隙的稳态击穿电压，而暂态电压下屏障的作用小很多。

（2）削弱或抑制电离过程

A.采用高气压

均匀电场中，当气压在10个大气压下时，击穿电压随气压增大而呈线性增加；

极不均匀电场中，效果不如在均匀电场。

B.采用强电负性气体

目前得到工程应用的强电负性气体有六氟化硫及其混合气体。其电气强度约为空气的2.5倍，其灭弧能力则为空气的100倍以上，它作为绝缘介质和灭弧介质是除空气外应用得最广泛的气体介质。

C.采用高真空

当空隙中接近真空时，整个间隙中气体分子的数量非常少，产生碰撞电离的几率很低。

采用真空作为绝缘介质的例子：真空电容器、真空避雷器、真空断路器。

本周要求掌握的内容如下：

了解各种电压作用下气隙的特性；了解大气条件对空气间隙击穿电压的影响；了解提高气体介质强度的方法。

习题

（一）选择题

1、 均匀电场中空气的电气强度大致等于（）kV/cm。

A. 20

B. 30          

C. 50

D. 60

答案：B

2、在大气条件下，空气间隙击穿电压随空气相对密度的增大而（        ）

A．不变

B．升高

C．降低

D．不确定

答案：B

3、在大气条件及间隙距离相同时，均匀场间隙的击穿电压与非均匀场间隙的击穿电压相比，总是（    ）

A．高

B．低

C．相等

D. 不确定

答案：A

4、 下列属于均匀电场气隙击穿的特性的有（）。

A.不存在极性效应 

B.直流、工频、冲击电压作用下的击穿电压相同

C.击穿电压分散性很小

答案：ABC

（二）判断题

1、在极不均匀电场中，操作冲击50%击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征。                                               （正确）

2、工频条件下，“棒—板”间隙平均击穿场强大于“棒—棒”间隙平均击穿场强。                                                        （错误）

3、湿度增加，空气中所含的水分子增加，是电离能力上升，对气体中的放电过程起到促进作用。                                          （错误）

（三）简答题

1、简述提高气隙击穿电压的措施。

两种途径：改善间隙中的电场分布，使之尽量均匀；削弱或抑制气体中的电离过程。

改善电场分布具体措施有（1）改进电极形状以改善电场分布、（2）利用空间电荷改善电场分布、（3）极不均匀电场中采用屏障改善电场分布

削弱或抑制电离过程的具体措施有（1）采用高气压、（2）采用强负电性气体（3）采用高真空