气体介质的电气强度知识

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提高气体介质电气强度的方法

提高气体介质电气强度的方法
提高气体介质电气强度的方法
一、增加气体介质电气强度的方法
1、控制气体介质温度：由于气体介质对电磁波的传播受制于温度的影响，所以温度的增高使电气强度可以被改变，当温度达到一定值时，由于气体分子的运动会降低电磁波的传播，导致电气强度的降低。

2、增加气体浓度：由于气体介质中的电磁波传播受到气体浓度的影响，在浓度较低时，电磁波可以较为自由地传播，这使得电气强度得到提高；而在气体浓度较高时，电磁波的传播会受到限制，这使得电气强度降低。

3、增加气体介质中的灰尘：灰尘对电磁波的传播具有干扰作用，当气体介质中含有大量灰尘时，电磁波的传播受到较大的阻碍，从而使电气强度得到提高。

4、改变气体介质电导率：气体介质电导率与电气强度有关，当其电导率增大时，电气强度也会增大。

5、改变气体介质中电磁波的频率：电磁波的传播随着其频率的增加而增大，因此，电气强度也会随之增大。

二、减少气体介质电气强度的方法
1、降低气体介质温度：当气体介质的温度降低时，气体分子的运动会减缓，从而导致电磁波的传播也会受到影响，从而使得电气强度得到降低。

2、降低气体介质中的灰尘：当气体介质中的灰尘被清除时，电气强度会有所降低。

3、降低气体介质电导率：电导率的降低会使得电气强度也会降低。

4、降低气体介质中电磁波的频率：当电磁波的频率降低时，电气强度也会有所降低。

气体的绝缘特性与介质的电气强度

影响介质电气强度的因素
介质本身的性质
不同介质的电气强度不同，这是由于介质内部的分子结构、极性、
电子云分布等因素的影响。
电场的形式和分布
电场的形式和分布也会影响介质的电气强度。例如，均匀电场中，电场强度呈线性分布；而不均匀电场中，电场强度可能存在局部
增强或减弱。
环境因素
温度、湿度、气压等环境因素也会影响介质的电气强度。在高温、高湿、低气压等条件下，介质的
气体的基本概念
气体是由大量分子组成的物质形态，其分子之间的距离较大，相互作用力相对较小。
气体在一定条件下可以转化为液态或固态，其性质也会随之发生变化。
气体的绝缘特性是指气体在电场中保持绝缘的能力，与气体的组成、压力、温度等因素有关。
02
气体的绝缘特性
气体绝缘原理
气体分子自由移动
气体由大量自由移动的分子组成，这些分子在空间中随机运动，形成一种 “混乱”的状态，阻碍电流通过。
气体绝缘输电线路的绝缘性能主要依赖于气体的压力和电气强度。在高压下，气体的压力越大，气体分子间的距离越小，相互作用力越大，使得气体不易发生电离，从而提高了电气强度。同时，气体的电气强度还受到气体中的杂质离子和水分含量的影响，因此
需要采取措施控制气体的纯度和湿度。
气体绝缘变压器
气体绝缘变压器是一种利用气体作为绝缘介质的变压器，通常采用SF6气体作为绝缘介质。这种变压器具有体积小、重量轻、散热性能好等优点，广泛应用于电力系统的高压变压器和互感器等场合。
电离与激发
在强电场的作用下，气体分子可能被电离或激发，形成导电的离子或电子，但这个过程相对缓慢，因此气体具有较好的绝缘性能。
气体绝缘介质

第二章气体介质的电气强度-PPT精品文档

第二章气体介质的电气强度
第二章气体介质的电气强度概论
在工程实践中，常会遇到对气体介质的电气强度作出定量估计的情况。通常采用实验的方法来求取某些典型电极所构成的气隙的击穿特性，以满足工程实用的需要。某些击穿特性实验结果已在世界范围内获得广泛认可和采用。气隙的击穿特性与电场形式及所加电压的类型有很大关系。
《高电压技术》第二讲 5
第二章气体介质的电气强度
第二节稍不均匀电场气隙的击穿特性
1、击穿特点
击穿前无稳定电晕；无明显的极性效应；直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50％
冲击击穿电压几乎一致；击穿电压的分散性小；击穿电压和电场不均匀程度关系大，所以
没有能概括各种电场分布的统一经验公式。
第二章气体介质的电气强度
第二节稍不均匀电场气隙的击穿特性
3、稍不均匀电场实例
球间隙
高电压试验中用来测量高电压幅值的球隙测量器
同轴圆筒
高压标准电容器和气体绝缘组合电器中的分相封闭母线筒
《高电压技术》第二讲 8
第二章气体介质的电气强度
第二节稍不均匀电场气隙的击穿特性
3、稍不均匀电场实例
Uc。
当 r>0.1R 时，气隙已逐渐转为
稍不均匀电场，Ub≈Uc ，击穿前不
再有稳定的电晕放电，且击穿电压
的极大值出现在 r≈0.33R 左右。
通常在绝缘设计中将 r/R 之 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 比选在0.25 ～0.4 的范围内。
r(cm)
《高电压技术》第二讲 9
第二章气体介质的电气强度
《高范电围压内技变术化》。第二讲
25
第二章气体介质的电气强度

2-气体介质电气强度

1、对空气密度的校正空气密度与压力和温度有关。空气的相对密度：
p δ = 2.9 T
式中： p ：气压,kPa
T ：温度,K.
在大气条件下，气隙的击穿电压随 δ
的增大而提高。
实验表明，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 K d ≈ δ ，因而：
二、极不均匀电场气隙的击穿特性
按电极的对称程度，主要有两种典型的极不均匀电场气隙： a、“棒 — 棒”气隙（“尖 — 尖”气隙） b、“棒 — 板”气隙（“尖 — 板”气隙）不同电压波形作用下，差异明显，分散性大；在直流电压下，极性效应明显，而在工频交流电压下“饱和”现象明显。
1、直流电压下的击穿电压
2、稍不均匀电场气隙的击穿特性
测量球隙：球间距离d，球的直径D d<D/4时：直流、工频交流、冲击电压下的击穿电压大致相同。 d>D/4时：大地的畸变作用增强，平均击穿场强下降，出现极性效应。测量球隙工作范围在d≤D/2；超出此范围分散性大。
加拿大魁北克省水电局研究所高电压试验室尺寸 82×67×51.2 m3
b、消除电极表面的毛刺、尖角许多高压电气装置的高压出线端 ( 例如电力设备高压套管导杆上端 ) 具有尖锐的形状，往往需要加装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。屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始电压 U c大于装置的最大对地工作电压 U g .max ，即：
U c > U g . max
极不均匀电场的工频击穿电压和间隙距离的关系
“棒-棒”气隙的工频击穿电压要比 “棒-板”气隙高一些，因为“棒-棒” 气隙的电场要比“棒-板” 稍微均匀一些 d<1m时，棒棒和棒板几乎一样，但d增大后，差别变大；显著特征：“饱和”特性

气体介质电气强度

实验条件下的气隙击穿电压 U与标准大气条
件下的击穿电压之间关系：
US
K d ：空气U密度KK校dh U正s 因数
K h ：湿度校正因数
(1-66)
上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外绝缘的沿面闪络电压。
在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。
图1-15 伏秒特性绘制方法
实际的伏秒特性曲线如图1-16所示，是一个
以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒
特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击
击穿特性。
1-0％伏秒特性
2－100％伏秒特性
3－50％伏秒特性
4—50％冲击击穿电压
5－0％冲击击穿电压
图1-16 50％伏秒特性示意图（虚线表示没
90％蜂值以上持续时间 T d 未作规定。
图1-17 操作冲击电压全波图中0点为实际零点，u为电压值，图中u＝1.0处为电压u峰值
➢T d －电压值持续处于0.9倍电压峰值以上时间
➢T cr －波前时间
➢T 2 －半峰值时间
2. 操作冲击放电电压的特点
➢U形曲线 ➢极性效应 ➢饱和现象 ➢分散性大 ➢邻近效应
主放电过程：当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响，沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百微秒的冲击电流。
余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为 103 ~101 A，延续时间约为几毫秒。
(1-44)

高电压-第3章-气体介质的电气强度

图3-1 均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值Ub随间距d的变化
Ub 24.22d 6.08 d kV
U b--击穿电压峰值,kV d --极间距离 --空气相对密度
上式完全符合巴申定律，因为它也可改写成：
Ub f (d )
相应的平均击穿场强：
Eb
Ub d

24.22
6.08
图3-12 确定间隙伏－秒特性的方法
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，以电压为纵坐标，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，取击穿时刻的电压值及该时刻，得到相应的点
图3-4 空气中同轴圆柱电极的电晕起始电压 Uc及击穿电压Ub与内电极半径r的关系(内电极为负极性)
f E
稍不均匀场间隙中击穿电压Ub 的表达式为:
U b＝Em
d f
式中 Em－击穿时间隙中的最大场强； d－间隙距离； f－间隙的电场不均匀系数。
由式可见，d过小或 f过大都会使Ub下降。
击穿发生在波前或峰值，取此刻值
击穿发生在波尾，取峰值
未击穿
图3-12 确定间隙伏－秒特性的方法
实际的伏秒特性曲线如下图所示，是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。
50%伏秒特性
100%伏秒特性
0%伏秒特性
50%冲击击穿电压
u / Um
1
0.5
0
Tcr
T2
Tcr－波前时间； T2－半峰值时间； t Um－冲击电压峰值

气体介质的电气强度

屏障离尖电极过近，屏障效应将随之而减弱

尖电极为负极性
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尖电极过近，仍有相当的屏降效应

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。

雷电冲击电压下屏障的作用
尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间隙的击穿电压负极性时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有屏障时相差不多

均匀电场中的击穿电压
在一定的压力范围内，击穿场强的提高遵循巴申定律，并且击穿场强大致和气压成正比
大约从 1MPa 开始，实验结果和巴申定律的分歧就逐渐明显了

不均匀电场中的击穿电压
不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压也将高于大气压强下的数值在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影响比在大气压力下要显著得多，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低

SF6的特性
1．物理化学特性
2．绝缘特性
电离和离解特性电场和压力特性极性效应时间特性

分散性大
对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，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1000s以后，可达8％左右（工频及雷电冲击电压下均约为3％）

“饱和”现象
和工频电压下类似，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）
1．由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电离能力，同时又加强复合过程２．气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞电离能力３．电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力

气隙的电气强度

图3-5-9棒—棒和棒-板间隙的操作冲击击穿电压
3.分散性大
（五）叠加性电压作用下工程实际中，作用在气隙上的电压常常是由不同性质电
压叠加的，而不是单一性质的。注意：同一气隙对叠加性电压的、耐受程度与对单一性电压的耐受程度是不同的。当工作电压是稳态直流时，两者的差异更显著？。
§3.5 提高气隙击穿电压的方法
Ub 24.4S 6.53 S [KV（peak）]
式中 ——空气的相对密度
S ——气隙的距离，cm
稍不均匀电场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。
图中所示采用不同直径屏蔽球时的效果，可以看到，在极间距离为110 cm时，采用直径为75cm 的球形屏蔽极可使气隙的击穿电压约提高1倍。
二、利用空间电荷畸变电场的作用
三、采用屏障
在电场极不均匀的气隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高气隙的击穿电压。原理是屏障积聚空间电荷，改善电场分布。
⑵有良好的化学稳定性。不易腐蚀其他材料，不易燃，不易爆，无毒，即使在放电的过程中也不易分解等。
⑶对环境无明显的负面影响。（氟里昂对大气中的臭氧层有破坏作用，故不能采用。）
⑷有实用的经济性，能大量的供应。
五、SF6气体的应用 SF6气体除了具有很高的电气强度以外，还具有优异
的灭弧能力。利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧媒质制成的各种电力设备和封闭式组合电器具有一系列突出的优点，如大大节省占地面积和空间体积、运行安全可靠、简化安置维护等，发展前景十分广阔。

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2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
常见的极不均匀电场气隙
工程上的极不均匀电场气隙，均可以用两类极端的模型表示，实际的工程应用可依据这两类电场类型的测量值进行推算：
b).棒-板电极（完全不对称结构）
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
1. 直流电压
稍短间隙
显著特征：极性效应
平均击穿场强：
正极性棒-板间隙： 7.5kV/cm
气体介质的电气强度
气体放电的物理过程：气体中带电质点的产生、汤逊放电、流注放电、电晕放电、沿面放电（微观特性）工程上，要用击穿特性表示（击穿场强，击穿电压）（宏观特性）
气体介质的电气强度
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性 2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性 2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正 2.4 提高气体介质电气强度的方法 2.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备
3、饱和特性
4、分散性更大（可以理解为伏秒特性带宽更宽）。
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
为何要对不同大气条件下的击穿特性进行校正
高海拔地区的高纬度地区沿海地区
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
我国国标规定的标准大气条件
压力：101.3 kPa 温度：293 K 绝对湿度：11 g/m³
2.4 提高气体介质电气强度的方法
1、改进电极形状以改善电场分布 2、利用空间电荷改善电场分布 3、采用介质阻挡方法 4、采用高气压的方法 5、采用高电气强度气体 6、采用高真空
2.4 提高气体介质电气强度的方法
1、改进电极形状以改善电场分布
电场均匀——击穿场强高——通过改善电极形状均匀电场
大气条件改变，如在高海拔地区，气压、气体密度、温度、湿度等条件均改变。在此条件下测量的气隙击穿数据与在标准大气条件下所测数据不具有可比性。
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
采用校正的方法
U =Kd gKh gU0
Kd 空气密度校正因数 Kh 湿度校正因数
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
均匀电场中的击穿电压
平行板电极(消除边缘效应) 工程上很少有极间距很大的均匀电场气隙
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
均匀电场中的击穿电压
a、分散性小直流、交流、50%冲击击穿电压基本相同
b、均匀电场中空气的电气强度大致为：30kV(峰值)/cm 经验公式为： Ub = 24.22δd +6.08 δd kV( 峰值 )
以球隙为例分析击穿特性
关键点
d1 <
D4
D越大，电场越均匀，击穿场强越高
直流、交流、冲击电压基本相同
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
常见的极不均匀电场气隙
工程上的极不均匀电场气隙，均可以用两类极端的模型表示，实际的工程应用可依据这两类电场类型的测量值进行推算：
a).棒-棒电极（完全对称结构）
特点： 1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性为正时击穿。
2、击穿电压与距离近似成直线关系，大间隙下击穿电压有饱和趋势（见后页）
3、平均击穿场强棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm
棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
显著特征：饱和特性
长间隙
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
极不均匀电场：湿度对这类电场的影响较大。需用湿度校
正因数加以修正。 Kh = k ω
k与绝对湿度和电压类型有关
与电极形状、气隙长度、电压类型及其极性有关
第3节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
3. 对海拔高度的校正
我国幅员辽阔，运行于高海拔地区的电力设施不占少数。特别是近年来的西部开发和青藏铁路的建设，大量的电气设备涌入西部的高海拔地区。
d：间隙距离；：空气相对密度
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
稍不均匀电场中的击穿电压
a、典型的稍不均匀电场
球隙、同轴圆筒、气体绝缘组合电器中的分相封闭母线筒
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
稍不均匀电场中的击穿电压
以球隙为例分析击穿特性
2.1 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性
稍均匀电场中的击穿电压
3. 雷电冲击电压
1.2 / 50s
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
3. 雷电冲击电压
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
3. 雷电冲击电压
特点：
1、棒-板间隙冲击击穿电压具有明显的极性效应；正棒击穿电压比负棒低得多。
2、棒-棒间隙也有不大的极性效应，这是由于大地的影响，使不接地的那个电极附近电场增强。
U = KaU p 1
Ka = 1.1- H ? 10-4
1000 m<H<4000 m
2.4 提高气体介质电气强度的方法
绝缘安全：气隙尽可能大。设备尺寸：经济性，实用性——气隙尽量小一些。
如何调和上述矛盾：思路/途径/原则 1. 改善气隙中的电场分布，使之尽量均匀； 2. 设法削弱或抑制气体介质的电离过程。
负极性棒-板间隙： 20k击穿特性
1. 直流电压
较长间隙
显著特征：极性效应
平均击穿场强：
正极性棒-板间隙： 4.5kV/cm
负极性棒-板间隙： 10kV/cm
正极性棒-棒间隙： 4.8kV/cm
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
2. 工频交流电压
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
4. 操作冲击电压
250/ 2500s
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
4. 操作冲击电压
第2节极不均匀电场气隙的击穿特性
4. 操作冲击电压
2.2 极不均匀电场气隙的击穿特性
4. 操作冲击电压
特点：
1、50%的操作冲击电压依赖于冲击电压的上升时间Tcr。
2、50%的操作冲击电压并非介于雷电冲击电压和工频交流击穿电压之间。它远低于雷电冲击电压，甚至在某些上升时间范围内，还低于工频交流击穿电压。
1. 对空气密度的校正
p
Kd
=
δ
=
2.9 T
适用于短气隙(<1 m)
Kd = δm
适用于长气隙情况
式中的m是与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关的值，应用时可查阅国家标准。
2.3 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正
2. 对湿度的校正
大气中的水分可以吸附电子形成负离子，抑制放电的发生。
均匀电场或稍不均匀电场：湿度对这类电场的影响不大。