3气隙的电气强度

第三章气隙的电气强度第一节气隙的击穿时间第二节气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节大气条件对气隙击穿电压的影响第四节较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压第五节提高气隙击穿电压的方法§3.1气隙的击穿时间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完成气隙击穿的三个必备条件：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。击穿时间tb=t0+ts+tf放电时延：t1=ts+tftst0tftltbUPutU0555tst0tftltbUutU0第一阶段升压时间t1（0→U0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U0，气隙即被击穿；非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：由于t0非常短，即使电压升到U0，气隙不立即击穿。-无有效电子自由电子的出现需要时间电子-负离子电离终止66tst0tftltbUutU0第二阶段统计时延ts（U0→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）的影响因素：电极材料、外加电压、光照射、电场情况。77tst1tftlagtbUutUs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的影响因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压；88放电时间构成的总结tst0tftltbUutU0总放电时间tbtb＝t0+ts+tf（统计性）放电时延tltl=ts+tf（统计性）99间隙距离越短，电场越均匀，放电形成时延tf越小，tstf，放电时延主要取决于统计时延ts提高外施电压人工光源照射较长的间隙，不均匀电场，局部场强很高，出现有效电子的概率增加，统计时延较小。放电时延主要取决于放电形成时延tf，且电场越不均匀则tf越长，提高外施电压§3.2气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一.电压波形二.伏秒特性三.气隙击穿电压的概率分布07.02一.电压波形（一）直流电压直流试验电压大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，通常所称的电压值是指平均值。直流电压的脉动幅值是最大值与最小值之差的一半。纹波系数为脉动幅值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3％。（二）工频交流电压工频交流试验电压应近似为正弦波，正负两半波相同，其峰值与有效值之比应在以内。频率一般在45-65Hz范围内。（三）雷电冲击电压用来模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数波。如图：T1—视在波前时间；T2—视在半峰值时间；Um—冲击电压峰值T1=1.2μs，容许偏差±30%；T2=50μs，容许偏差±20%通常写成1.2/50μs，并可在前面加上正、负号表示极性。波形峰值Um允许偏差±3%国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为：T1=1.2μs，容许偏差±30%；截断时间Tc=2～5μs.可写成1.2/2～5μs.（四）标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波。IEC标准和我国国家标准规定为：IEC标准和我国标准规定为[左下图]：波前时间Tp=250μs±20%；半峰值时间T2=2500μs±60%。可写成250/2500μs冲击波。当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500μs和500/2500μs冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波[右下图]，第一个半波的持续时间在2000～3000μs之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%0.510u/UmTpT2tu0UmTptTp=1000～1500us（五）操作冲击电压二.伏秒特性气隙的伏秒特性：在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和击穿时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。（一）伏秒特性曲线的制作保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电压，电压为纵坐标，时间为横坐标电压较低时，击穿一般发生在波尾，取该电压的峰值与击穿时刻，得到相应的点；电压较高时，击穿一般发生在波头，取击穿时刻的电压瞬时值及该时刻，得到相应的点；把这些相应的点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的“伏秒特性曲线”。u0t123二.伏秒特性（续）实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域。U50%u0t2313-U0%2-U50%1-U100%1950%冲击击穿电压——击穿百分比为50%的击穿电压。由于放电时延和放电时间均具有统计分散性，多次重复施加电压时可能有几次击穿而另几次没击穿。随着电压的提高，发生击穿的百分比将越来越大。工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压U50%来表征气隙的冲击击穿特性。在实际中施加10次电压有4～6次击穿，就可认为这一电压为气隙的U50%冲击击穿电压。（二）伏秒特性曲线的应用1.间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布2.伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义,是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据。3-2-6S2对S1起保护作用3-2-7在高幅值冲击电压作用下，S2不起保护作用三.气隙击穿电压的概率分布气隙的击穿电压具有一定的分散性，即“击穿概率分布特性”。研究表明，气隙击穿的几率分布接近正态分布，通常可以用U50%和变异系数Z来表示。变异系数是相对数形式表示的变异指标。它是通过变异指标中的全距、平均差或标准差与平均数对比得到的。常用的是标准差系数。气隙绝缘，关心的不仅是其U50%击穿电压，更重要的是其耐受电压。100%的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实验），工程实际中常用对应于很高耐受几率(例如99％以上)的电压作为耐受电压。冲击系数β——U50%与静态击穿电压U0之比称为冲击系数β。均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小，冲击系数β≈1。极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数β均大于1。我国的国家标准所规定的标准大气条件为：压力p0=101.3kpa（760mmHg）；温度t0=20℃或T0=293K；绝对湿度hc=11g/m3。§3.3大气条件对气隙击穿电压的影响由于大气的压力、温度、湿度等条件会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响气隙的击穿电压Ub。空气密度增大时，空气中自由电子的平均自由行程缩短，不易造成碰撞电离，所以空气间隙的击穿电压升高。空气的湿度增加时，由于水蒸气是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使电离减弱，所以空气间隙的击穿电压升高。气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高？hd0t0KKUKUU式中:U——实际试验条件下的气隙击穿电压U0——标准大气条件下的气隙击穿电压Kd——空气密度校正因数Kh——湿度校正因数气隙击穿电压的换算公式空气的密度与压力和温度有关。空气的相对密度Tp9.2式中p——气压，kPa；T——绝对温度，K。在大气条件下，气隙的击穿电压随空气的相对密度δ的增大而提高。当δ处于0.95～1.05的范围内时，气隙的击穿电压几乎与δ成正比，即此时的空气密度校正因数Kd≈δ，因而U≈δU0气隙不长（不超过1m）时，上式能足够精确的使用于各种电场形式和各种电压类型下近似的工程估算。一.对空气密度的校正对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系并不是一种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。Kd如下式计算nmdttppK27327300式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关，值在0.4～1.0的范围内变化，具体取值可参考有关国家标准的规定。一.对空气密度的校正(续)在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿度影响不太明显，可以忽略不计。在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿度校正因数来校正。式中因数K与绝对温度和电压类型有关，而指数W之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可参考有关国家标准。二.对湿度的校正Kh=KW指数m和W的求取UB—实际大气条件下50%放电电压的测量值或估算值，kV；L—试品最小放电路径，m；500BUgLK＝δ、K—实际的空气相对密度和湿度校正因数式中参数。例：某距离4m的棒-板间隙，在夏季某日气压P=99.8kP，环境温度t=30℃，空气绝对湿度h=20g/m3的大气条件下，问正极性50%操作冲击击穿电压为多少？解：由实验曲线查得：距离为4m长的棒-板间隙在标准大气压状态下的正极性50%操作冲击击穿电压为U50标=1300kV95.030273202733.1018.9927327300ttPP2195.0/20/h查曲线得：K=1.162.01.195.045001300g9827.095.034.01mK查曲线得：m=W=0.34033.11.134.02WKKkV1320033.19827.01300215050KKUU标夏三、海拔高度对放电电压的影响高海拔地区由于气压下降，空气相对密度下降，因此空气间隙的放电电压也随之下降。在海拔1000-4000m的范围内，海拔每升高100m，空气的绝缘强度约下降1%。(即绝缘能力变弱)国家标准规定，对拟用于高海拔地区(海拔1000-4000m)的外绝缘设备，在非高海拔地区(海拔1000m以下)进行试验时，其试验电压校正如下：400101.1HUUKUAU0—标准大气条件下的试验电压，kV；KA—海拔校正因数，kV；H—设备使用处海拔高度，m；小结：气体的放电电压与大气状态有关，气体的相对密度增大时，气体的放电电压也随之增大。空气的湿度增大时，气体的放电电压也增大，但均匀和稍不均匀电场下增加不明显。沿面闪络电压降低。海拔高度增加时，气体的放电电压下降。§3.4均匀/稍不均匀场的击穿电压1.在均匀电场中，电场是对称的，故击穿电压与电压极性无关，由于间隙各处的场强大致相等，故起始放电电压就等于气隙的击穿电压。不同电压波形作用下，击穿电压实际上相同，且分散性很小，对于空气，可以用以下的经验公式表示：[kV（peak）]式中——空气相对密度S——间隙距离，cm标准情况下，1cm空气间隙的击穿电压约为30kV.SSUb53.64.242.稍不均匀电场具有一定的极性效应。稍不均匀电场的结构形式有多种多样，常遇到的较典型的电场结构形式有；球—球、球—板、圆柱—板、两同轴圆筒、两平行圆柱、两垂直圆柱等。对这些较简单的、有规则的、较典型的电场，有相应的计算击穿电压的经验公式或曲线，而用时，可参阅有关的手册和资料。3.影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素：电场结构、大气条件、还有邻近效应和照射效应§3.5极不均匀场的击穿电压◆影响击穿电压的主要因素是间隙距离◆直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大，且极性效应显著◆工程上，击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计。◆选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究棒(尖)—板：电场分布不均匀、不对称棒(尖)—棒(尖)：电场分布不均匀、对称(一)直流电压作用下：图3-5-1棒-板和棒-棒气隙直流1min临界耐受电压与气隙距离的关系◆棒—板间隙：棒具有正极性时，平均击穿场强约为4.5kV/cm；棒具有负极性时约为10kV/cm◆棒