氣體間隙的擊穿強(qiáng)度

氣體間隙的擊穿強(qiáng)度第1頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)3.1穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿均勻電場(chǎng)中的擊穿eg：高壓靜電電壓表的電極布置特點(diǎn)：（1）均勻電場(chǎng)中電極布置對(duì)稱，擊穿無(wú)極性效應(yīng)；（2）均勻場(chǎng)間隙中各處電場(chǎng)強(qiáng)度相等，擊穿所需時(shí)間極短，其直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值、50%沖擊擊穿電壓相同；（3）擊穿電壓的分散性很小。第2頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿（1）球間隙（eg：高壓實(shí)驗(yàn)室中的測(cè)量球隙）d<D/4時(shí)，電場(chǎng)均勻，直流、交流和沖擊電壓擊穿電壓相同；d>D/4時(shí)，電場(chǎng)不均勻程度增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降，出現(xiàn)極性效應(yīng)；球隙測(cè)壓器的工作范圍d≤D/2；否則因放電分散性增大，不能保證測(cè)量的精度。第3頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)（2）同軸圓柱電極（eg：高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器、單芯電纜、GIS分相母線）（1）r/R<0.1時(shí)，極不均勻電場(chǎng)，擊穿前先出現(xiàn)電暈，且Uc的值很低，因此上述電氣設(shè)備均不設(shè)計(jì)在這一r/R范圍內(nèi)。（2）r/R>0.1時(shí)，稍不均勻電場(chǎng)，擊穿前不出現(xiàn)電暈，且由圖可見(jiàn)，當(dāng)r/R≈0.33時(shí)擊穿電壓出現(xiàn)極大值（上述電氣設(shè)備在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)盡量將r/R選取0.25~0.4的范圍內(nèi)）。d:間距f:不均勻系數(shù)Em:最大場(chǎng)強(qiáng)

第4頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)（3）其他形狀的電極布置球狀電極的電場(chǎng)不均勻系數(shù)大于相同半徑的圓柱電極；間隙距離增大時(shí)，電場(chǎng)不均勻系數(shù)也增大。第5頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)極不均勻電場(chǎng)中的擊穿不對(duì)稱布置的極不均勻場(chǎng)間隙的極性效應(yīng)很明顯，而且其擊穿的極性效應(yīng)與稍不均勻場(chǎng)間隙相反。尖－板和尖－尖空氣間隙的直流擊穿電壓棒－棒和棒－板空氣間隙的工頻擊穿電壓（有效值）第6頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)3.2雷電沖擊電壓下的擊穿沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形：T1=1.2μs±30％，T2=50μs±20％對(duì)于不同極性：+1.2/50μs或-1.2/50μs操作沖擊波的波形：T1=250μs±20％，T2=2500μs±60％對(duì)于不同極性：+250/2500μs或-250/2500μs波前時(shí)間半峰值時(shí)間第7頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)放電時(shí)延臨界擊穿電壓

統(tǒng)計(jì)時(shí)延：從外施電壓達(dá)Uo時(shí)起，到出現(xiàn)一個(gè)能引起擊穿的初始電子崩所需的第一個(gè)有效電子所需時(shí)間放電形成時(shí)延：從出現(xiàn)第一個(gè)有效自由電子時(shí)起，到放電過(guò)程完成所需時(shí)間，即電子崩的形成和發(fā)展到流注等所需的時(shí)間第8頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)50％擊穿電壓及沖擊系數(shù)50％擊穿電壓多次施加電壓時(shí)有半數(shù)會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷褐礥b50。2.沖擊系數(shù)同一間隙的50％沖擊擊穿電壓與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓Uss之比

。第9頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)伏－秒特性伏－秒特性：在同一沖擊電壓波形下，擊穿電壓值與放電時(shí)延（或電壓作用時(shí)間）有關(guān)的特性。用實(shí)驗(yàn)確定間隙伏－秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變，逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時(shí)間t。擊穿發(fā)生在波前或峰值，取此刻值擊穿發(fā)生在波尾，取峰值未擊穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%沖擊擊穿電壓第10頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)電氣設(shè)備絕緣的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性（a）正確配合（b）不正確配合絕緣的伏－秒特性避雷器的伏－秒特性第11頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)3.3操作沖擊電壓下的擊穿操作沖擊電壓下?lián)舸┑腢形曲線（1）長(zhǎng)空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其擊穿電壓僅與波前時(shí)間有關(guān)。（2）當(dāng)波前時(shí)間tf為100～300μs時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)極小值。出現(xiàn)極小值的波前時(shí)間隨間隙距離的增加而增大。Eb隨tf的減小而增大是放電時(shí)延在起作用，與雷電沖擊電壓相似電壓作用時(shí)間增加后空間電荷遷移范圍擴(kuò)大，改善了間隙中電場(chǎng)分布，擊穿電壓提高棒－棒導(dǎo)線－板工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)第12頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)操作沖擊電壓的推薦波形a.T1/T2=250(±20％)/2500(±60％)μsb.振蕩操作波長(zhǎng)空氣間隙在操作沖擊電壓下的擊穿強(qiáng)度特點(diǎn)：（1）長(zhǎng)間隙的雷電沖擊擊穿電壓遠(yuǎn)比操作沖擊擊穿電壓要高；（2）間隙長(zhǎng)度超過(guò)5m時(shí)呈現(xiàn)飽和趨勢(shì)。（3）間隙距離越大，“2”與“3”的擊穿電壓的差別越大。雷電沖擊操作沖擊最小擊穿電壓第13頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)3.4大氣密度和濕度對(duì)擊穿的影響大氣校正因數(shù)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，利用校正因數(shù)可將測(cè)得的放電電壓值換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（t0＝20℃，p0＝101.3kPa，h0＝11g/m3）的電壓值，或?qū)?biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下規(guī)定的試驗(yàn)電壓值換算為試驗(yàn)條件下的電壓值。1.空氣密度校正系數(shù)2.濕度校正因素第14頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)3.指數(shù)m和W第15頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)3.6提高氣隙擊穿電壓的措施改善電場(chǎng)分布的措施（1）改變電極形狀

例如采用屏蔽罩、擴(kuò)徑導(dǎo)線等增大電極曲率半徑，或改善電極邊緣形狀以消除邊緣效應(yīng)。長(zhǎng)空氣間隙的交流擊穿電壓棒－板棒－棒導(dǎo)線－桿塔支柱導(dǎo)線－導(dǎo)線第16頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)（2）利用空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變作用

例如利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來(lái)改善極不均勻場(chǎng)間隙中電場(chǎng)分布，從而提高間隙的擊穿電壓。但應(yīng)該指出，上述細(xì)線效應(yīng)只存在于一定的間隙距離范圍之內(nèi)，間隙距離超過(guò)一定值，細(xì)線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，使擊穿電壓與尖－板或尖－尖間隙的相近了。另外，此種提高擊穿電壓的方法僅在持續(xù)作用電壓下才有效，在雷電沖擊電壓下并不適用。第17頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)（3）極不均勻電場(chǎng)中屏障的使用

正尖－板間隙中屏障的作用

屏障靠近尖電極或板電極時(shí)，屏障效應(yīng)消失，正、負(fù)極性下出現(xiàn)很大差別。

直流電壓下尖－板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系屏障應(yīng)靠近尖電極，使比較均勻的電場(chǎng)區(qū)擴(kuò)大。但離尖電極過(guò)近時(shí)，屏障上空間電荷的分布將變得不均勻而使屏障效應(yīng)減弱，因此屏障有一最佳位置。第18頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)高氣壓的采用均勻電場(chǎng)中幾種絕緣介質(zhì)的擊穿電壓與距離的關(guān)系1－2.8MPa的空氣2－0.7MPa的SF63－高真空4－變壓器油5－0.1MPa的SF66－大氣第19頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)強(qiáng)電負(fù)性氣體的應(yīng)用（1）SF6和一些氟里昂氣體屬于強(qiáng)電負(fù)性氣體，其絕緣強(qiáng)度比空氣高得多，因此用于電氣設(shè)備時(shí)其氣壓不必太高，使設(shè)備的制造和運(yùn)行得以簡(jiǎn)化。（2）氟里昂12（CCI2F2）的絕緣強(qiáng)度與SF6相近，其液化溫度也可滿足戶內(nèi)設(shè)備的條件，但為保護(hù)大氣中的臭氧層，國(guó)際上早已將氟里昂12列入第一批需限制和禁用的氟里昂。（3）SF6的價(jià)格較高，用于斷路器時(shí)（氣壓在0.7MPa左右）液化溫度不能滿足高寒地區(qū)要求，在工程應(yīng)用中有時(shí)采用SF6混合氣體。已得到應(yīng)用的混合氣體是SF6-N2混合氣體，通常其混合比在50%∶50%左右，其液化溫度能滿足高寒地區(qū)要求，絕緣強(qiáng)度約為純SF6的85％左右。（4）SF6氣體溫室效應(yīng)相當(dāng)于CO2的23900倍，且SF6氣體不會(huì)自然分解，在大氣中壽命長(zhǎng)達(dá)3200年。因此目前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是在SF6用氣量大的氣體絕緣管道輸電線中改用SF6含量較小的N2-SF6混合氣體（SF6的含量為20％時(shí)，混合氣體的絕緣強(qiáng)度為純SF6的75％左右）。第20頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)高真空的采用擊穿電壓擊穿場(chǎng)強(qiáng)間隙距離對(duì)擊穿的影響：規(guī)律：擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨間距的增加而降低。原因：隨著間隙距離及擊穿電壓的增大，電子從陰極到陽(yáng)極經(jīng)過(guò)了巨大的電位差，積聚了很大的動(dòng)能。高能電子轟擊陽(yáng)極時(shí)能使陽(yáng)極釋放出正離子及輻射出光子。正離子及光子到達(dá)陰極后又將加強(qiáng)陰極的表面電離。在此反復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生越來(lái)越大的電子流，使電極局部氣化，導(dǎo)致?lián)舸?。擊穿機(jī)理：強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過(guò)熱并釋放出氣體，發(fā)生金屬氣化，破壞了真空，故引起擊穿。第21頁(yè)，課件共23頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高電壓工程基礎(chǔ)在完全相同的實(shí)驗(yàn)條件下，擊穿電壓隨電極材料熔點(diǎn)的提高而增大，因?yàn)閺?qiáng)場(chǎng)發(fā)射電流達(dá)到臨界電流密度，致使金