气隙的击穿特性.ppt

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1、气隙的击穿特性（一）气隙的击穿特性（一）主要内容主要内容n气隙的击穿时间气隙的击穿时间n伏秒特性伏秒特性n持续作用电压下空气的击穿电压持续作用电压下空气的击穿电压n雷电冲击电压下空气的击穿电压雷电冲击电压下空气的击穿电压n操作冲击电压下空气的击穿电压操作冲击电压下空气的击穿电压n提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施影响空气间隙放电电压的因素主要有：影响空气间隙放电电压的因素主要有：电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压 、操作冲击电压、操作冲击电压大气条件：气压、温

2、度、湿度大气条件：气压、温度、湿度一、气隙的击穿时间一、气隙的击穿时间 n最低静态击穿电压最低静态击穿电压U0 n击穿时间击穿时间tb 升升压压时时间间t0、统统计计时时延延ts、放放电发展时间电发展时间tf、放电时延放电时延 tl n短间隙短间隙(1厘米以下厘米以下)tf 1cm），均均匀匀电电场场中中空空气气的电气强度（峰值）大致等于的电气强度（峰值）大致等于30kV/cm n稍不均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中的击穿电压 1.不能形成稳定的电晕放电不能形成稳定的电晕放电 2.电场不对称时，极性效应不很明显电场不对称时，极性效应不很明显 3.直直流流、工工频频下下的的击击穿穿电电压压(幅

3、幅值值)以以及及50冲冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大 4.击击穿穿电电压压和和电电场场均均匀匀程程度度关关系系极极大大，电电场场越越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高 球球球间隙，球球间隙，球板间隙，同轴圆柱间隙板间隙，同轴圆柱间隙 球球球间隙球间隙当当dD/4，电电场场相相当当均均匀匀，直直流流电电压压、工工频频电电压压及及冲冲击击电电压作用下，击穿电压都相同压作用下，击穿电压都相同 当当dD/4，大大地地对对电电场场的的畸畸变变作作用用使使间间隙隙电电场场分分布布不不对对称称，Ub有极性效应有极性效应

4、 电电场场最最强强的的电电极极为为负负极极性性时时的的击击穿穿电电压压略略低低于于正正极极性性时时的的数值数值 同同一一间间隙隙距距离离下下，球球电电极极直直径径越越大大，由由于于电电场场均均匀匀程程度度增增加，击穿电压也越高加，击穿电压也越高 击穿电压的估算击穿电压的估算 n根据起始场强经验公式估算击穿电压根据起始场强经验公式估算击穿电压 d:极极间间距距离离；：不不均均匀匀系系数数，决决定定于于电电极极布布置置，可可根根据静电场计算或电解槽等实验方法求得据静电场计算或电解槽等实验方法求得 nEmax达到临界值达到临界值E030kV/cm(幅值幅值)，间隙击穿，间隙击穿 0 实际上和电极布置

5、有关实际上和电极布置有关 n影响击穿电压的主要因素是间隙距离影响击穿电压的主要因素是间隙距离n选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒棒(尖尖)板板 ：电场分布不对称：电场分布不对称 棒棒(尖尖)棒棒(尖尖)：电场分布对称：电场分布对称 n根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离 n直直流流、工工频频及及冲冲击击击击穿穿电电压压间间的的差差别别比比较较明明显显，分散性较大，且极性效应显著分散性较大，且极性效应显著 1.1.直流电压下的击穿电压直流电压下的击穿电压n极极性性效效应应：尖尖尖尖电电极极间间的的击击穿

6、穿电电压压介介于于极极性性不同的尖不同的尖板电极之间板电极之间n 棒棒板板间间隙隙：棒棒具具有有正正极极性性时时，平平均均击击穿穿场场强强约约为为4.5kV/cm；棒棒具具有有负极性时约为负极性时约为l0kV/cmn棒棒棒棒间间隙隙的的平平均均击击穿穿场强约为场强约为4.85.0kV/cm 2.2.工频电压下的击穿电压工频电压下的击穿电压 n击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 n除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系 n棒棒棒棒间间隙隙的的平平均均击击穿穿场场强强约约为为5.36kV/cm(幅幅值值)，棒棒

7、板间隙的约为板间隙的约为4.8kV/cm(幅值幅值)n“饱饱和和现现象象”：距距离离加加大大，平平均均击击穿穿场场强强明明显显降降低低，棒棒板间隙尤为严重板间隙尤为严重 d1m，5 kV/cm dlm，2 kV/cm三、雷电冲击电压下空气的击穿电压三、雷电冲击电压下空气的击穿电压及伏秒特性及伏秒特性 1.雷雷电电流流是是冲冲击击波波形形的的，故故由由雷雷闪闪放放电电引引起起的高电压也具有冲击波形的高电压也具有冲击波形 2.雷电冲击电压标准波形雷电冲击电压标准波形 Tl1.2 s（30%）T250 s（20%）3.雷电冲击雷电冲击50击穿电压击穿电压 在在多多次次施施加加电电压压时时，其其中中半

8、半数数导导致致击击穿穿的的电电压压，工工程程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性 n均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压 击击穿穿电电压压分分散散性性小小，其其雷雷电电冲冲击击50击击穿穿电电压压和和静静态态击击穿穿电电压压(即即持持续续作作用用电电压压下下的的击击穿穿电电压压)相相差差很小很小 冲击系数冲击系数1 n极不均匀电场中的击穿电压极不均匀电场中的击穿电压 u 在在图图所所示示范范 围围内内击击穿穿电电压压和和间间隙隙距距离离呈直线关系呈直线关系u由由于于放放电电时时延延较较长长，通通常常冲冲击击系系数数大大于于l，

9、击击穿穿电电压压的的分散性也大一些，其标准偏差可取为分散性也大一些，其标准偏差可取为3%u棒棒板板间间隙隙有有明明显显的的极极性性效效应应，棒棒棒棒间间隙隙也也有有不不大大的极性效应的极性效应四、操作冲击电压下空气的击穿电压四、操作冲击电压下空气的击穿电压 1.操作冲击电压推荐波形操作冲击电压推荐波形 n非周期性指数衰减波非周期性指数衰减波 推荐操作冲击电压的标准波形为推荐操作冲击电压的标准波形为2502500微秒微秒 2.操作冲击操作冲击50击穿电压击穿电压 n均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压 气气体体间间隙隙的的操操作作冲冲击击50击击穿穿电电压压和和雷

10、雷电电冲冲击击50击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同 击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值 n极不均匀电场中的击穿电压极不均匀电场中的击穿电压 极不均匀电场中的操作击穿有许多特点极不均匀电场中的操作击穿有许多特点特点特点1.极性效应极性效应 极极不不均均匀匀电电场场中中同同样样有有极极性性效效应应。正正极极性性下下50击击穿穿电电压压比负极性下低，所以也更危险比负极性下低，所以也更危险 2.电场分布的影响电场分布的影响 “邻邻近近效效应应”：接接地地物物体体靠靠近近放放电电间间隙隙会会显显著著降降低低其其正正

11、极极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响 3.3.波形的影响波形的影响 n在在一一定定的的波波前前时时间间范范围围内内，U50 甚甚至至会会比比工工频频击击穿穿电电压压低低，呈呈现现出出“形形曲曲线线”n对对应应于于极极小小值值的的波波前前时时间间随随着着间间隙隙距距离离加加大大而而增增加加，对对7m以以下下的的间间隙隙，大大致致在在50 200 s之间之间n放放电电时时延延和和空空间间电电荷荷(形形成成及及迁迁移移)这这两两类类不不同同因因素的影响所造成的素的影响所造成的

12、 n分散性大分散性大 对对于于波波前前时时间间在在数数十十到到数数百百微微秒秒的的操操作作冲冲击击电电压压，极极不不均均匀匀电电场场间间隙隙50击击穿穿电电压压的的标标准准偏偏差差 约约为为5；波波前前时时间间超超过过1000 s以以后后，可可达达8左左右右（工工频频及及雷雷电电冲击电压下均约为冲击电压下均约为3）n“饱和饱和”现象现象 和和工工频频电电压压下下类类似似，极极不不均均匀匀电电场场中中操操作作冲冲击击50击击穿穿电电压压和和间间隙隙距距离离的的关关系系具具有有明明显显的的“饱饱和和”特特征征（雷雷电冲击电冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系击穿电压和距离大致呈线性关系）n50击穿

13、电压极小值的经验公式击穿电压极小值的经验公式 式中式中 d 间隙距离，间隙距离，m上式对于上式对于 20m的长间隙和试验结果很好地符合的长间隙和试验结果很好地符合五、提高气体间隙击穿电压的措施五、提高气体间隙击穿电压的措施两个途径：两个途径：一、改善电场分布，使之尽量均匀一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程(一）改进电极形状以改善电场分布一）改进电极形状以改善电场分布 n增增大大电电极极曲曲率率半半径径 减减小小表表面面场场强强。如如变变压压器

14、器套套管管端端部部加加球球形形屏屏蔽蔽罩罩；采用扩径导线等采用扩径导线等n改改善善电电极极边边缘缘 电电极极边边缘缘做做成成弧弧形形；尽尽量量使使其其与某等位面相近与某等位面相近n使使电电极极具具有有最最佳佳外外形形 如如穿穿墙墙高高压压引引线线上上加加金金属属扁扁球球；墒墒洞洞边边缘缘做做成成近似垂接线旋转体近似垂接线旋转体（二）利用空间电荷畸变电场的作用（二）利用空间电荷畸变电场的作用 n 极极不不均均匀匀电电场场中中击击穿穿前前发发生生电电晕晕放放电电，利利用用放放电电产产生生的的空空间间电电荷荷改改善善电电场场分分布，提高击穿电压布，提高击穿电压 n直直径径D20mm及及16mm时时，

15、击击穿穿电电压压曲曲线线的的直直线线部部分分和尖一板间隙相近和尖一板间隙相近n导导线线直直径径减减为为3mm以以至至0.5mm时时，击击穿穿电电压压曲曲线线的的直直线线部部分分陡陡度度大大为为增增加加，曲曲线线逐逐渐渐与与均均匀匀电电场场中中的的相近相近 “细线效应细线效应”（三）极不均匀电场中屏障的采用（三）极不均匀电场中屏障的采用 n在在电电场场极极不不均均匀匀的的空空气气间间隙隙中中，放放入入薄薄片片固固体体绝绝缘缘材材料料（例例如如纸纸或或纸纸板板），在在一一定定条条件件下下，可可以以显显著著提提高高间间隙隙的的击击穿电压穿电压 n原原理理是是屏屏障障积积聚聚空空间间电电荷，改善电场分

16、布荷，改善电场分布 n随随着着屏屏障障位位置置不不同同，击击穿穿电电压压发发生生了了很很大大的的变变化化，尖尖电电极极的的极极性性不不同同，屏障的影响也有别屏障的影响也有别 n尖电极为正极性尖电极为正极性 屏屏障障离离尖尖电电极极过过近近，屏屏障效应将随之而减弱障效应将随之而减弱 n尖电极为负极性尖电极为负极性 屏屏障障离离开开尖尖电电极极一一定定距距离离，设设置置屏屏障障反反而而将将降低间隙的击穿电压降低间隙的击穿电压 屏屏障障离离尖尖电电极极过过近近，仍仍有相当的屏降效应有相当的屏降效应 n工频电压下屏障的作用工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。设置屏障可以显著提高间

17、隙的击穿电压。n雷电冲击电压下屏障的作用雷电冲击电压下屏障的作用 尖尖电电极极具具有有正正极极性性时时，设设置置屏屏障障可可显显著著提提高高间间隙的击穿电压隙的击穿电压 负负极极性性时时设设置置屏屏障障后后，间间隙隙的的击击穿穿电电压压和和没没有有屏障时相差不多屏障时相差不多（四）高气压的采用（四）高气压的采用 n减小电子的平均自由行程，削弱电离过程减小电子的平均自由行程，削弱电离过程例例：大大气气压压力力下下空空气气的的电电气气强强度度仅仅约约为为变变压压器器油油的的1/5 1/8，提提高高压压力力至至1 1.5MPa，空空气气的的电电气气强强度度和和一一般般的的液液、固固态态绝绝缘缘材材料

18、料如如变变压压器器油油、电电瓷瓷、云云母母等等的的电气强度相接近电气强度相接近 n压压缩缩空空气气绝绝缘缘及及其其它它压压缩缩气气体体绝绝缘缘在在一一些些电电气气设备中已得到采用设备中已得到采用如：高压空气断路器、高压标准电容器等如：高压空气断路器、高压标准电容器等n均匀电场中的击穿电压均匀电场中的击穿电压在在一一定定的的压压力力范范围围内内，击击穿穿场场强强的的提提高高遵遵循循巴巴申申定定律律，并并且且击击穿穿场场强强大大致和气压成正比致和气压成正比 大大约约从从1MPa开开始始，实实验验结结果果和和巴巴申申定定律律的的分分歧歧就逐渐明显了就逐渐明显了 n不均匀电场中的击穿电压不均匀电场中的

19、击穿电压不不均均匀匀电电场场中中提提高高气气压压后后，间间隙隙的的击击穿穿电电压压也将高于大气压强下的数值也将高于大气压强下的数值在在高高气气压压下下，电电场场均均匀匀程程度度对对击击穿穿电电压压的的影影响响比比在在大大气气压压力力下下要要显显著著得得多多，电电场场均均匀匀程度下降，击穿电压将剧烈降低程度下降，击穿电压将剧烈降低（五）高真空的采用（五）高真空的采用n削削弱弱间间隙隙中中的的碰碰撞撞电电离离过过程程，从从而而显显著著增增高高间间隙隙的的击击穿电压穿电压 n高真空中击穿机理发生了改变高真空中击穿机理发生了改变距距离离较较小小时时，间间隙隙的的击击穿穿和和阴阴极极的的强强场场放射密切

20、有关放射密切有关分分散散性性很很大大：电电极极材材料料、电电极极表表面面的的光光洁度及清洁度洁度及清洁度 n含含卤卤族族元元素素的的气气体体化化合合物物，如如六六氟氟化化硫硫（SF6）、氟氟利利昂昂（CCl2F2）等等，其其电电气气强强度度比比空空气气的的要要高高很很多多。称称为高电气强度气体为高电气强度气体（六）高电气强度气体的采用（六）高电气强度气体的采用n 卤化物气体电气强度高的原因卤化物气体电气强度高的原因 1由由于于含含有有卤卤族族元元素素，气气体体具具有有很很强强的的电电负负性性，气气体体分分子子容容易易和和电电子子结结合合成成为为负负离离子子，削削弱弱电电子子的的碰碰撞撞电电离能

21、力，同时又加强复合过程离能力，同时又加强复合过程气气体体的的分分子子量量比比较较大大，分分子子直直径径较较大大，电电子子在在其其中中的的自自由由行行程程缩缩短短，不不易易积积聚聚能能量量，从从而而减减少少其其碰碰撞撞电离能力电离能力电电子子和和这这些些气气体体的的分分子子相相遇遇时时，还还易易于于引引起起分分子子发发生生极极化化等等过过程程，增增加加能能量量损损失失，从从而而减减弱弱其其碰碰撞撞电电离能力离能力n对高电气强度气体的要求对高电气强度气体的要求1液液化化温温度度要要低低，采采用用高高电电气气强强度度气气体体时时，常常常常同同时时提提高高压压力力，以以便便更更大大程程度度的的提提高高

22、间间隙隙的的击击穿穿电电压压，缩缩小小设设备备的的体体积积和和重重量量。所所以以这这些些气气体体的的液液化化温温度度要要低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当的压力低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当的压力2应应具具有有良良好好的的化化学学稳稳定定性性，不不易易腐腐蚀蚀设设备备中中的的其其它它材材料料，无无毒毒，不不会会爆爆炸炸，不不易易燃燃烧烧，即即使使在在放放电电过过程中也不易分解等程中也不易分解等3经济上应当合理，价格便宜，能大量供应经济上应当合理，价格便宜，能大量供应 n目目前前工工程程上上已已得得到到采采用用的的是是六六氟氟化化硫硫（SF6）。SF6除除了了其其电电气气强强度度

23、很很高高以以外外，还还具具有有优优良良的的灭灭弧弧性性能能，很适合用于高压断路器中很适合用于高压断路器中nSF6已已不不仅仅用用来来制制作作单单台台电电气气设设备备（如如SF6断断路路器器、避避雷雷器器、电电容容器器等等），而而且且发发展展成成了了各各种种组组合合设设备备，即即将将整整套套送送变变电电设设备备组组成成一一体体，密密封封后后充充以以SF6气气体体，如如全全封封闭闭组组合合电电器器、气气体体绝绝缘缘变变电电所所、充充气气输输电电管管道道等等。这这些些SF6组组合合设设备备具具有有很很多多优优点点，如如可可大大大节省占地面积、简化运行维护等等大节省占地面积、简化运行维护等等谢谢谢谢!作作 业业