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1 高电压工程系 tslc@mail.hust.edu.cn 刘春 13871018672
高电压技术 高电压工程系 刘春

2 第3讲回顾 流注理论 不均匀电场的放电特点——电晕 极不均匀场中的放电过程

3 １——主放电通道 ２——主放电和先导通道的交界区 ３——先导通道

4 （ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成； （ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成；
先导的发展 正棒—负板间隙中先导通道的发展 （ａ）先导和其头部的流注ｋｍ；（ｂ）流注头部电子崩的形成； （ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩的形成； （ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度的分布

5 1.3.4 极不均匀场中的极性效应 正棒－负板

6 正棒－负板 电子运动速度快，迅速进入棒极； 棒极附近积聚起正空间电荷，削弱了棒极附近的电场强度而加强了正离子群外部空间的电场 结果：
（1）使电晕起始电压提高。 （2）外部空间电场加强，有利于流注的发展，因此 击穿电压较低。

7 负棒—正板

8 负棒—正板 电子崩中的电子离开强电场区后，不再能引起电离，向阳极运动的速度也越来越慢。
电子崩中的正离子加强了棒极附近的场强，使棒极附近容易形成流注。 结论： （1）电晕起始电压比正极性时要低。 （2）正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，削弱了外部空间的电场，阻碍了流注的发展，因此击穿电压较高。

9 1.4 雷电冲击电压作用下气体的击穿 一、雷电冲击电压标准波形 非周期性指数衰减波 T1＝1.2s（30%） T2＝50s（20%）

10 T1＝1.2s（30%） T2＝50s（20%） 由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形

11 二、放电时延 足够幅值的电压 击穿条件 一定时间的作用
统计时延ts——有效电子（能引起电离过程并最终导致击穿的电子）产生。不均匀电场内， ts小。 放电形成时延tf——出现电子崩、形成流注、主放电、间隙击穿。均匀电场内， tf小。 放电时延 tlag＝ ts＋ tf

12 影响tlag的因素 增大电压U ， tlag减小 紫外光照射 冲击放电所需的全部时间

13 三、雷电50%冲击击穿电压（U50%） 原因——放电时延具有分散性 电压升高到一定程度，100％击穿
试验方法：多级法（每级加压6次，曲线），升降法（10次中4~6次击穿）

14 均匀电场下的50% 冲击击穿电压 均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压——击穿电压分散性小，其雷电冲击50％击穿电压和静态 击穿电压（即持续作用电压下的击穿电压）相差很小 50% 冲击击穿电压 冲击系数＝ 持续作用电压下的击穿电压 冲击系数＝ 1 极不均匀电场下的击穿电压——由于放电时延较长，通常冲击系数大于l，击穿电压的分散性也大一些，其标准偏差可取为±3%

15 极不均匀场中的极性效应

16 四.伏秒特性 以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性
在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压U0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间 = tl，在此时间内电压 上升 击穿完成时间隙上的电压 应为U0+U

17 伏秒特性的绘制——实验方法 保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变(电压幅值可变)，逐级升高电压使气隙发生击穿，读取击穿电压值U与击穿时间t。

18 伏秒特性曲线的形状与电场分布有关 在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦。
在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。

19 伏秒特性的分散性 放电时间具有分散性，每级电压下放电时间不同，实际上伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域

20 伏秒特性的用途 Ｓ２对Ｓ1 起保护作用 在高幅值冲击电压作用下， Ｓ２起不到保护作用

21 1.5 操作冲击电压作用下气体的击穿 一、操作冲击电压标准波形 非周期性指数衰减波 推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500s
衰减振荡电压波 第一个半波的持续时间在2000一3000 s之间 ，反极性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80％

22 二、操作冲击50%击穿电压 均匀电场和稍不均匀电场中
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，击穿电压的分散性也较小。 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而与波尾时间无关。

23 （1）波形的影响 放电时延的作用 在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压低——U形曲线
对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加，对7m以下的间隙，大致在50200s之间 放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的

24 操作冲击电压 由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，所以操作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多
（2）极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50％击穿电压比负极性下低，所以也更危险 （3）分散性大 对于波前时间在数十到数百μs的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50％击穿电压的标准偏差约为5％；波前时间超过1000s以后，可达8％左右（工频及雷电冲击电压下均约为3％） 由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计性，所以操作冲击电压下间隙的击穿电压和放电时间的分散性比雷电冲击电压下大得多

25 （4）“饱和”现象 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（雷电冲击50％击穿电压和距离大致呈线性关系 ）

26 操作冲击50％击穿电压极小值的经验公式 式中 d — 间隙距离，m 上式对于１ 20m的长间隙和试验结果很好地符合

27 1.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系 电场形式 均匀场 稍不均匀场 极不均匀场 电压波形 持续作用电压——直流 工频
均匀场 稍不均匀场 极不均匀场 电压波形 持续作用电压——直流 工频 冲击电压——雷电 操作

28 1.6.1 均匀电场 分散性小 均匀电场中空气的击穿电压经验公式

29 1.6.2 稍不均匀电场 不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是其击穿电压，所以负极下击穿电压略低于正极性下的数值
几种电压形式的击穿电压值基本相等，分散性小 也有极性效应

30 1.6.3 极不均匀电场 波形影响大，分散性大，极性效应明显 一、直流击穿电压 棒－棒间隙 介于两者之间
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l0kV/cm 棒—棒间隙的平均击穿场强约为4.8~5.0kV/cm

31 二、工频击穿电压 在棒-板间隙中，击穿总是在棒为正的半周期内、电压达到幅值时发生，稍低于直流电压下的击穿电压，这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电场有所加强的缘故。 棒-棒间隙的击穿电压较高，因为棒-棒间隙的电场比棒-板间隙的要均匀一些。 击穿电压具有“饱和现象”。棒－板： d＝1m， 5 kV/cm d＝l０m，2 kV/cm 棒—棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值)，棒—板间隙的约为4.8kV/cm(幅值)

32 三、雷电冲击50% 击穿电压 雷电冲击50% 击穿电压高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。
击穿电压的分散性也较大。间隙较长时，击穿通常发生在波尾。 雷电冲击50% 击穿电压和间隙距离大致呈线性关系——因为作用时间短，间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完成放电——击穿电压提高。

33 四、操作冲击50% 击穿电压 击穿通常发生在波头部分。 U50%”U”形曲线。 明显的”饱和”特征.这是因为形成先导后,放电易于发展之故。
电场分布情况对操作冲击50%击穿电压影响很大，存在显著的“邻近效应”。

34 1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响 标准大气条件： 气压P0=101.3kPa，温度t0=20℃——空气密度 绝对湿度f0=11g/m3。
一、空气相对密度的影响

35 (续) 在大气条件下，空气间隙的击穿电压随P的增大而升高。
δ＝0.95~1.05范围内变动时，间隙的击穿电压与相对密度成正比，实际试验或运行条件下 当δ与1相差较大时，须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正

36 二、湿度的影响 湿度增加，电离能力下降 对放电过程起到抑制作用——湿度越大，间隙的击穿电压也会越高。
k是绝对湿度和电压种类的函数；指数ω的值取决于电极形状、间隙距离、电压种类及其极性。

37 (续) 综合气压、温度、湿度的影响 试验中需要对结果加以换算

38 三、对海拔高度的校正 随着海拔增高，空气密度减小，自由程λ增大，电离能力增大，间隙的击穿电压降低。
我国的国家标准规定：海拔超过1000m而又低于4000m地区的外绝缘试验电压U与平原地区外绝缘的试验电压Up的关系为

39 1.8 提高气体间隙击穿电压的措施 两条途径： 一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用
1.8 提高气体间隙击穿电压的措施 两条途径： 一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状 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

40 一、改善电场分布 (一）改进电极形状以改善电场分布 增大电极曲率半径 减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等
增大电极曲率半径 减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等 改善电极边缘 电极边缘做成弧形；尽量使其与某等位面相近 使电圾具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属扁球；墒洞边缘做成近似垂接线旋转体

41 （二）利用空间电荷畸变电场的作用 极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生的空间电荷改善电场分布，提高击穿电压
直径D＝20mm及16mm时，击穿电压曲线的直线部分和尖一板间隙相近 导线直径减为3mm以至0.5mm时，击穿电压曲线的直线部分陡度大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近 —— “细线效应”

42 （三）极不均匀电场中屏障的采用 在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙的击穿电压
原理——屏障积聚空间电荷，改善电场分布 随着屏障位置不同，击穿电压发生了很大的变化，尖电极的极性不同，屏障的影响也有差别

43 棒电极为正极性 屏障离尖电极过近，屏障效应将随之而减弱 棒电极为负极性 屏障离开尖电极一定距离，设置屏障反而将降低间隙的击穿电压 屏障离棒电极过近 ，仍有相当的屏降效应

44 谢 谢！