1、第三章 气隙的电气强度本章节的教学内容要求：冲击电压下的气息击穿：标准波形，放电时间，伏秒特性及其实际意义，50%冲击击穿电压，放电的分散性。大气条件的影响及换算方法，提高气体间隙击穿的措施沿面放电：均匀与不均匀电场中沿面放电的基本过程和影响因素分析，提高沿面放电电压的方法。31 气隙的击穿时间静态击穿电压：长时间作用在气隙上能使得气隙击穿的最低电压。如果所加电压的瞬时值是变化的，或者所加电压的延续时间很短，则该气隙的击穿电压就不同于静态击穿电压（一般高于）静态击穿电压。所以，应该说，对于某一气隙，当不同波形的电压作用时，将有相应不同的击穿时间和击穿电压。一静态击穿电压0 使气隙击穿的最小电压
2、 二击穿时间 tb从加压的瞬时起到气隙完全击穿为止的总时间 由三部分组成 tst0 tftltbUutU00 （升压时间）： 电压从零升到静态击穿电压0 所需的时间 s（统计时延）： 从电压达到0 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间。 f（放电形成（发展）时延） 从产生第一个有效电子的瞬时到气隙完全被击穿为止的时间 这里所讲的有效电子是指该电子能发展一系列的电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子。气隙中出现的自由电子并不一定能成为有效的电子（有效电子能发展一系列的游离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子） 。这是因为下列原因：有效电子：形成负离子 扩散到间隙外 游离中途衰亡 tl
3、（放电时延）：l s f tl 的特点：根据电场的不同，l 具有分散性和随机性 （1）在短间隙、均匀场中 fs l s 即：均匀电场的放电时延l 主要是产生有效电子的时间，s 的长短具有统计性质，可取其平均值，称为平均统计时延。影响s 的因素：电极材料、外施电压、短波光照射、电场情况 （2）在长间隙不均匀场中，由于电场的不均匀性容易产生有效电子，使 f s l f即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分 影响f 的因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压3-2 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一标准试验电压波形 对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。为此，需对各
4、种电压的波形制定统一的标准。分述如下：1、直流电压：直流试验电压大多由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，通常所称的电压值是指其平均值。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和平均值之比。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%。2、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，其峰值与方均根值（有效值）之比应在 以内。频率一般在 45-65Hz 范围内。07.23、雷电冲击电压模拟雷电过电压 ，在实验室由冲击电压发生器产生。分为：全波非周期性冲击电压，很快到峰值再逐渐下降。截波雷电冲击波被某处放电而截断的波形 4、操作冲击电压：操作
5、过电压波形是随着电压等级，系统参数、设备性能、操作性质等因素而变化的，如图 3-2-3。二伏秒特性曲线 气隙的击穿放电需要一定的时间才能完成。对于长时间持续作用的电压来说，气隙的击穿电压有一个确定的值，但对于脉冲性质的电压，气隙的击穿电压就与该电压的波形（即作用的时间）有很大关系。比如，同一个气隙，在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下可能被击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能反而不能击穿。所以，对某一定的非持续作用的电压波形，气隙的耐压性能需用外加电压的峰值和延续时间共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性 伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与
6、延续时间的关系 （tb ） 伏秒特性的作法 保持一定的波形而逐级升高电压，以示波图来求取。电压较低时，击穿发生在波尾，在击穿前的瞬间，电压虽已从峰值下降到一定的数值，但该电压峰值依然是气隙击穿过程中的主要因素，因此，应以该电压峰值为纵坐标，已击穿时刻为横坐标，得到点“1” 。同样的得到了点“2” ，在电压升高到波峰时，击穿可能正好发生在波峰，该点当然也是特性曲线上的点，当电压继续升高，击穿可能发生在还未到达波峰之前，此时的点也是伏秒特性上的点。把这些点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性曲线。关于伏秒带（分散性）：同一气隙在同一电压（包括波形和峰值）作用下，每次击穿前时间也不完全一
7、样，具有一定的分散性。因此，一个气隙的伏秒特性，不是一条简单的曲线，而是一组曲线族。如图 3-2-5 所示的。族中各曲线代表不同击穿概率下的伏秒特性称为伏秒特性带。0、 、 、 、70% 、80% 、 、100%u0 t123伏秒特性特点 （1）伏秒特性有分散性，为一组曲线，代表不同击穿几率（同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样）如图 3-2-5.。 下包络线，其左方完全不击穿 上包络线，其右方完全击穿 一般取 . （曲线）为平均伏秒特性 （2）曲线形状与电场均匀度的关系：均匀场电场的短气隙中，曲线低且平坦，上翘范围小均匀场、短间隙各处场强相差不大，某处达到自持放电值时放电很快贯穿
8、整个间隙 击穿时间短；在均匀场中，b s，若击穿电压幅值稍降低s 加长b 加长曲线平坦 不均匀电场的长气隙中，曲线较高且陡间隙大的不均匀场，由于电场分布的不均匀性，使击穿时间b 加长, 若保证与均匀电场相同的击穿时间，需加大电压幅值 曲线高；放电时延由f 决定，电压幅值的变化对f 影响很大曲线陡 3伏秒特性在工程中的实用意义A C AA BB B (1) (2) (3)图（ 1 ）： A 设备，保护间隙 图（ 2 ）：保护间隙的伏秒特性曲线（ B ）低于设备的曲线（A ） ，能保护设备 图（ 3 ）：间隙曲线较陡，间隙在交叉点前不能保护设备，在后能保护设备 曲线、形状可以改变，若曲线过低，运行
9、不安全；但若抬高曲线，将会增加经济投入。 可见，若保护间隙是不均匀场，其伏秒曲线较陡，只能保护不重要设备。 击穿电压50 击穿电压：是指气隙被击穿的概率为 50%的冲击电压的峰值。该值已经接近伏秒特性带的下边缘，它反映了该气隙的基本耐电强度，是一个重要的电气参数；但另一个方面，也应该注意到，它并不能全面的代表该气隙的耐电强度。还需考虑到冲击击穿电压，即某气隙在该电压作用下会产生击穿放电，其击穿前时间小于和大于的几率各为即：曲线与时间标尺相交点的电压。3-3 大气条件对气隙击穿电压的影响一大气条件对击穿电压的影响 空气间隙的击穿电压以及电气设备外部绝缘和绝缘子的闪络电压要受到大气条件的影响，主要
10、受到大气的压力、温度、湿度等的影响。为了使不同大气条件下的击穿电压、闪络电压能够互相进行比较，就需要将击穿电压换算成统一大气条件下的值，这就是标准大气压（ ,绝对湿度 ） 。一般技术资料，曲线和文献中CtkPao20,3.1030/1mgh的击穿电压，除了特别说明外，都是指在标准大气条件下的值。1空气密度对击穿电压的影响 由于气压和湿度的改变都反映为空气密度的改变，而空气密度增大时电子的平均自由行程缩短，从而使游离减弱，空气间隙的击穿电压提高。在大气条件下，气隙的击穿电压随空气的相对密度 的增大而提高。当 处于 0.951.05 的范围内时，气隙的击穿电压几乎与 成正比。0u式中 -标准大气条
11、件下空气间隙的击穿电压（幅值） ；0u-实际大气条件下空气间隙的击穿电压（幅值） 。空气的相对密度为实际大气条件下的密度与标准大气条件下的密度之比，而空气的密度与大气压力成正比，与温度成反比，所以tPtPT27389.2730.10/0上述是对 1m 以下的间隙进行试验的基础上得到的，对于均匀电场，不均匀电场、直流电压、工频或冲击电压都适用。2湿度 湿度反映了空气中所含水蒸气的多少，空气中所含水蒸气的密度，即单位体积空气中所含水蒸气的质量，称为空气的绝对湿度，是以 为单位来表示的。3/mg大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，这对气体的放电过程起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿
12、电压也会增高。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，平均击穿场强低，电子运动速度小，而击穿时间长，因此水蒸气吸附电子程度强，游离能力减弱，这样湿度的影响就很明显了，可用下面的湿度校正因数来校正。湿度不等于标准大气条件下的湿度（但没有达到凝露的程度）时，空气间隙击穿电压的换算可用下式计算hKu0)(Kh式中 -湿度校正系数；h-绝对湿度及电压类型的函数；-指数，其值与电极形状、距离以及电压类型、极性有关。， 值与温度，电压形式，电压极性等因素有关，可查表 。K*3海拔高度修正 随着海
13、拔高度的增加，空气的压力和密度均会下降。正由于此，在不同的海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较。我国国家标准规定：对于安装在海拔高于 1000m 、但不超过 4000m 处的电力设施外绝缘，其试验电压 U 应为平原地区外绝缘的试验电压 Up 乘以海拔校正因数 Ka U = Ka Up （1.1 H*104 ） 每升高 1000 米，空气密度 10 总之：e 不易撞击游离 水是电负性，易获电子形成负离子，阻碍游离 3-4 电场放电形式对放电电压的影响1、 均匀电场中的击穿电压工程中很少遇到很大的均匀电场间隙，通常只有间隙不太大的均匀电场。在均匀电场中，间隙
14、各处场强大致相等，因此在间隙中不可能出现持续的局部放电，流注一旦形成，间隙就被击穿。击穿电压就等于起始放电电压，且无极性效应 。当 时，均匀电场中空气的电气强度大致等于 30kV/cm。cms2、 稍不均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。在稍不均匀电场中击穿电压与电场的均匀程度关系极大。没有能概括各种电场分布的试验数据，具体间隙的击穿电压要通过实验才能确定。但有这样一个规律：电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。稍不均匀场的结构形式有多种多样。工程中较典型的电场结构：球-球，球- 板，圆柱-板，同轴圆柱、两平行
15、圆柱等，其中球球间隙可以用来测量高电压峰值的一种方法，既简单，又准确。此时稍不均匀电场中的电气强度比均匀电场电气强度稍低一点。3、 极不均匀电场下的击穿电压工程上常用的电场，绝大多数是极不均匀电场。在极不均匀电场中，各处场强差别很大，在所加电压小于间隙击穿电压时，可以出现局部的持续的电晕放电。电晕放电的空间电荷使外电场强烈畸变，使得决定击穿电压的主要因素是间隙距离，电极形状对击穿电压的影响不大。根据这一现象，可以选择几种形状简单的电极如棒-板，棒- 棒电极作为典型电极，它们的击穿电压具有代表性。在极不均匀的电场中，放电分散性较大，且极性效应明显；棒极为正时的击穿电压比棒极为负时的击穿电压要低。
16、1cm 的气隙大概是 12Kv。由上述几点可见，间隙距离相同时，电场越均匀，气隙的击穿电压就越高。一般情况下，极间距离越大，放电电压也就越高，但不是成比例的增加。因此可以改进电极形状，增大电极曲率半径，以改善电场分布，提高间隙的击穿电压。如果必须采用极不均匀电场，则尽可能采用棒-棒类型的对称电场。3-4 提高气隙击穿电压的方法为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取小一些，为此就得采取措施提高气体介质的电气强度。从使用角度出发，要提高气隙的击穿电压通过两种途径：一是改善气隙中的电场分布，使之尽量均匀；二是设法消弱或抑制气体介质中的电离过程。具体方法有：改进电极形状以改善电场分
17、布 电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。改进电极形状（增大电极的曲率半径、消除电极表面的毛刺、尖角等）减小气隙中的最大电场强、改善电场分布、提高气隙的击穿电压。具体措施有：() 增大电极的曲率半径 利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法。许多高压电气装置的高压出线端具有尖锐的形状，须加屏蔽罩来降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕起始电压。最简单的屏蔽罩是球型屏蔽极；超高压线路上采用的扩径导线，超高压线路绝缘子串上安装的保护金具（均压环）都是在超高压线路上应用屏蔽原理来改善电场分布以提高电晕起始电压的实例 () 提高电极表面的光洁度，消除局部强场 2 增高气压 减小 e ，阻碍游
18、离在一定的气压范围内有效，超出则饱和 。 提高气压会大大减小电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程，使气体的电气强度得到提高。如果在采用高压的同时再以某些高强度的气体（例如 SF6 气体）来替代空气，能获得更好的效果。3采用高真空 高真空可以减弱气体的碰撞电离过程从而显著提高气隙的击穿电压。在极间距离较小时，高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用。4采用高耐电强度气体 在众多气体中，有一些含卤族元素的强电负性气体（例如六氟化硫（SF6 ） 、氟里昂（CCl2F2）等）的电气强度特别高可称为高电器强度气体。采用这些气体来代替空气可以大大提高气隙的击穿电压，
19、甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高电气性能。 原因：分子量大，分子直径大，不易撞击游离 很强的电负性，俘获电子成负离子 这类气体要在工程上获得应用除电气强度高外，还必须满足其它方面的要求，如：(1) 液化温度要低 E(2) 良好的化学稳定性 (3) 有实用的经济性 同时满足上述条件的气体是很少的，工程上唯一广泛应用的是 SF6 ，它还具有优异的灭弧能力。*SF6 应用最广泛。其特性为： (1) 无色，无味，无毒，不燃的惰性化合物 ; 40 80 ， P0.6MPa 范围内气态占优势 ; 500 高温持续作用下不会分解 ; 中等压力下可被液化 , 便于储藏和运输 (2) 适用范围：均匀
20、电场和稍不均匀电场 在极不均匀电场中 , 持续的局部放电使 10% 的 SF6 离解 , 分解物有很大的腐蚀性。 用于： SF6 断路器，电容器，高压充气电缆， SF6 全封闭组合电器 3-5 气体电介质中的沿面放电一般指气体介质中沿固体表面的放电现象，也称闪络 一、沿面放电的一般概念一切导体都要靠固体绝缘装置（各类绝缘子）固定，这些固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用。它们丧失绝缘功能有两种可能：一是固体介质本身的击穿。二是沿着固体介质表面发生闪络。电力系统的外绝缘一般都是自恢复绝缘，绝缘子闪络或空气间隙击穿后，它们的绝缘性能很快自动恢复。实验表明：沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电
21、压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取决与沿面闪络电压。在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时，沿面闪络电压其者决定性作用。在表面潮湿污染的情况下，沿面闪络电压会更低。二、沿面放电的几种典型情况固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型三种情况。（1） 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，这种情况在工程中比较少见，但实际结构中会遇到固体处于稍不均匀电场中、且界面与电力线大致平行的情况。此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似EtEnEEtEnE导杆法兰（2）固体介质处于极不均匀电场中
22、，且界面电场的垂直分量E n比平行于表面的切线分量 Et大得多如右上图（3）固体介质处于极不均匀电场中，但大部分分界面上的电场切线分量E t大于垂直分量 En右下图。三、均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。情况 1 中，虽界面与电力线平行，但沿面闪络电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下： （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子眼固体介质表面移动，畸变了原有电场。可采用在固体介质表面喷吐导电粉末的办法消除。（2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动
23、，降低了闪络电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。（3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。 由上述分析可知，为了提高该条件下的沿面闪络电压，应注意固体电介质与电极的紧密结合。同时也看到空气的湿度及固体电介质表面吸附水分的能力对闪络电压有较为显著的影响。湿度越大或固体电介质越容易吸附水分，则闪络电压越低。由于引起电场畸变的离子移动，电荷集聚都需要一定的时间，因此工频或直流下的沿面闪络电压要比雷电冲击电压下的闪络电压要低。四、极不均匀电场1、界面电场具有强垂直分量时的沿面放电在电压还不高时，如右 a 图法兰附近先出现电晕放电，随着电压升高放电区变成许多平行的火花细线组成
24、的光带（b 图 ） ，当电压超过某一临界值后个别细线突然迅速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道，如 c 图。这种树枝火花在不同的位置上交替出现，成为滑闪放电。电压再升高一些火花就到达另一电极，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或简称 “闪络” 。即： 浅兰色的电晕放电 平行细光线（刷形放电） 临界值性质变，较明亮的浅紫色的树枝状的火花，常改变路径， 有轻的爆裂声，称滑闪放电 一点 火花有较大的增长，沿面闪络 2、界面电场具有强水平分量时的沿面放电这种绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本身不可能被击穿，只可能出现沿面闪络。电极本身的形状和布置已经使电场很不均匀，因此降低了闪络电压（与
25、均匀电场类型沿面放电相比） ，但不会显著降低（与强垂直分量沿面放电相比） ，这是因为界面电场垂直分量较小而无明显滑闪放电现象，以及界面电荷使电压重新分布所造成电场畸变影响作用相对减小。对于这种情况，为了提高沿面闪络电压，主要从改进电极形状以及改善电极附近的电场着手，如采用内电极屏蔽和外电极屏蔽。例如绝缘支柱采用了均匀环后，不但降低电极边缘的电场，改善了对地电容电流，还改善了电压分布，从而提高了闪络电压。一般高度在 2 米以上的绝缘支柱采用均匀环后就有良好的效果。五、沿面放电电压的影响因素和提高方法影响因素：（一）固体介质材料：主要取决于该材料的亲水性或憎水性。（二）电场形式 同样的表面闪络距离
26、下均匀与稍不均匀电场闪络电压最高。界面电场主要为强切线分量的极不均匀电场中，闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低的较少，强垂直分量极不均匀电场则低得很多。提高方法：以瓷套管为例，要在瓷套的内壁上喷铝，消除内壁两侧的电位差。加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉，防止滑闪放电过早出现。六、湿闪与污闪简介洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电电压称为湿闪电压。绝缘子表面有湿污层时的闪络电压称为污闪电压。1湿闪如右图，棒型绝缘子除最上面的一个伞裙的上表面会全部淋湿外，下面各伞的上表面都只有一部分淋湿，全部伞裙的下表面及瓷柱也不会被淋湿，只可能有少量的回溅雨水。可见绝缘子表面的水膜是不均
27、匀和不连续的。有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小，决大多数外加电压将由干表面（图中的 BCA）段来承受。2污闪绝缘子的污闪通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。线路和变电所的外绝缘受环境应力的作用，包括雨、露、霜、雪、风等气候条件和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽物的污染。染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。遇到雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，泄漏电流大增。发热使水分蒸发形成干区（干区的距离较短而压降很大，因此这部分表面空气的电场强度很高而发生大气中的火花放电。火花通道中的电阻要低于原来烘干区内表面电阻，使得泄露电流增加，形成局部电弧） 。例如悬式绝缘子铁脚和铁帽附近的污层中电流密度较大，污层烘干较快先出现干区并易形成电晕放电或辉光放电，泄漏电流较大时，进一步转为有明亮通道的电弧，成为局部电弧乃至沿面闪络。污闪造成的后果很严重，由于一个区域内绝缘子积污受潮情况差不多，所以容易发生大面积污闪事故。自动重合闸成功率很低。就经济损失而言，污闪在各类事故中居首位。*污闪事故的对策（一）调整爬距（增大泄露距离）（二）定期或不定期的清扫。（三）防污闪涂料（有机硅脂、地蜡等）（四）采用防污闪性能好的新型合成绝缘子ABCAB
