,高电压工程基础,
施围 邱毓昌 张乔根 编著刘青（西安科技大学） 制作高电压工程基础第 3章 气体间隙的击穿强度
3.1 稳态电压下的击穿
3.2 雷电冲击电压下的击穿
3.3 操作冲击电压下的击穿
3.4 大气密度和湿度对击穿的影响
3.5 SF6气体间隙中的击穿
3.6 提高气体间隙击穿电压的措施高电压工程基础
3.1 稳态电压下的击穿
均匀电场中的击穿
0,01 0,1 1 10 d /cm
1
10
100
400
U
b
/
k
V
eg,高压静电电压表的电极布置
2 4,2 2 6,0 8 ( )bU d d k V＝＋
特点：
（ 1）均匀电场中电极布置对称，
击穿无极性效应；
（ 2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，
其直流击穿电压、工频击穿电压峰值,50%冲击击穿电压相同；
（ 3）击穿电压的分散性很小。
高电压工程基础
稍不均匀电场中的击穿
（ 1）球间隙 （ eg：高压实验室中的测量球隙）
a,d<D/4时，电场均匀，直流、交流和冲击电压击穿电压相同；
b,d>D/4时，电场不均匀程度增大，
击穿场强下降，
出现极性效应；
c,球隙测压器的工作范围 d≤D/2；否则因放电分散性增大，不能保证测量的精度。
高电压工程基础
（ 2）同轴圆柱电极
（ eg：高压标准电容器、单芯电缆,GIS分相母线）
（ 1） r/R<0.1时,极不均匀电场，
击穿前先出现电晕，且 Uc的值很低，因此上述电气设备均不设计在这一 r/R范围内。
（ 2） r/R >0.1时,稍不均匀电场，
击穿前不出现电晕，且由图可见，
当 r/R≈0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时尽量将 r/R选取 0.25~0.4的范围内）。bm dUE
f＝
高电压工程基础
（ 3）其他形状的电极布置
bm
dUE
f＝
球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极；
间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。
高电压工程基础
极不均匀电场中的击穿不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。
尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压 棒－棒和棒－板空气间隙的工频击穿电压（有效值）
高电压工程基础
3.2 雷电冲击电压下的击穿
冲击电压的标准波形标准雷电波 的波形,T1=1.2μs± 30％,T2=50μs± 20％
对于不同极性,+1.2/50μs或 -1.2/50μs
操作冲击波 的波形,T1=250μs± 20％,T2=2500μs± 60％
对于不同极性,+250/2500μs或 -250/2500μs
波前时间 半峰值时间高电压工程基础
放电时延临界击穿电压统计时延,从外施电压达 Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延,从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间高电压工程基础
50％击穿电压及冲击系数
1,50％击穿电压多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值 Ub50 。
0 50 3bbUU
2,冲击系数同一间隙的 50％冲击击穿电压与稳态击穿电压 Uss之比 。
高电压工程基础
伏－秒特性伏－秒特性,在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。
用实验确定间隙伏－秒特性的方法,保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压 U与击穿时间 t。
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
100%伏秒特性
0%伏秒特性
50%伏秒特性
50%冲击击穿电压高电压工程基础电气设备绝缘的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性
（ a）正确配合 （ b）不正确配合绝缘的伏－秒特性避雷器的伏－秒特性高电压工程基础
3.3 操作冲击电压下的击穿
操作冲击电压下击穿的 U形曲线
（ 1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压仅与波前时间有关。
（ 2）当波前时间 tf为 100～ 300μs时，击穿场强出现极小值。出现极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。
Eb随 tf 的减小而增大是放电时延在起作用，与雷电冲击电压相似电压作用时间增加后空间电荷迁移范围扩大，改善了间隙中电场分布，击穿电压提高棒－棒导线－板工频击穿场强高电压工程基础
操作冲击电压的推荐波形
a,T1/T2=250(± 20％ ) / 2500(± 60％ ) μs b.振荡操作波
长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度特点：
（ 1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操作冲击击穿电压要高；
（ 2）间隙长度超过 5m时呈现饱和趋势。
（ 3）间隙距离越大，,2”与,3”的击穿电压的差别越大。
雷电冲击操作冲击最小击穿电压
m i n
3,41 2 0 m
81U M V
d
棒板间隙距离 ～,＝
＋
a
r
Uk
U其它间隙,＝
高电压工程基础
3.4 大气密度和湿度对击穿的影响
大气校正因数根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换算到标准大气条件（ t0＝ 20℃,p0＝ 101.3kPa,h0＝ 11g/m3）
的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算为试验条件下的电压值。
00 /ttU U K U U K 12tK K K?
1 mK?＝ 0
0
273
273
tp
pt
＋＝
＋ 2
WKK＝
1,空气密度校正系数 2,湿度校正因素高电压工程基础
3,指数 m和 W
500 B
Ug
LK?＝
高电压工程基础
3.6 提高气隙击穿电压的措施
改善电场分布的措施
（ 1）改变电极形状例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径，或改善电极边缘形状以消除边缘效应。
长空气间隙的交流击穿电压棒－板棒－棒导线－杆塔支柱导线－导线高电压工程基础
（ 2）利用空间电荷对原电场的畸变作用例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。
但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电，
从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与尖－板或尖－
尖间隙的相近了。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。
高电压工程基础
（ 3）极不均匀电场中屏障的使用正尖－板间隙中屏障的作用屏障靠近尖电极或板电极时，屏障效应消失，正、
负极性下出现很大差别。
直流电压下尖－板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系屏障应靠近尖电极，使比较均匀的电场区扩大。但离尖电极过近时，屏障上空间电荷的分布将变得不均匀而使屏障效应减弱，
因此屏障有一最佳位置。
高电压工程基础
高气压的采用均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系
1－ 2.8MPa的空气 2－ 0.7MPa的 SF6 3－高真空
4－变压器油 5－ 0.1MPa的 SF6 6－大气高电压工程基础
强电负性气体的应用
（ 1） SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其 绝缘强度比空气高 得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简化。
（ 2）氟里昂 12（ CCI2F2）的绝缘强度与 SF6相近，其液化温度也可满足户内设备的条件，但为保护大气中的臭氧层，国际上早已将氟里昂 12列入第一批需限制和 禁用 的氟里昂。
（ 3） SF6的价格较高，用于断路器时（气压在 0.7MPa左右）液化温度不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用 SF6混合气体 。已得到应用的混合气体是 SF6-N2混合气体,通常其混合比在 50%∶ 50%左右，
其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯 SF6的 85％左右。
（ 4） SF6气体温室效应相当于 CO2的 23900倍，且 SF6气体不会自然分解，
在大气中寿命长达 3200年。因此目前的技术 发展趋势是在 SF6用气量大的气体绝缘管道输电线中改用 SF6含量较小的 N2-SF6混合气体 （ SF6的含量为 20％时，混合气体的绝缘强度为纯 SF6的 75％左右）。
高电压工程基础
高真空的采用击穿电压击穿场强间隙距离对击穿的影响：
规律,击穿场强随间距的增加而降低。
原因,随着间隙距离及击穿电压的增大，
电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差，
积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致击穿。
击穿机理：
强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。
高电压工程基础在完全相同的实验条件下,击穿电压随电极材料熔点的提高而增大,因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。
稍不均匀电场中高真空的直流击穿电压与电极材料的关系锌铝铜钢高电压工程基础电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响对电极采取冷却措施具有与提高电极材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。
铜电极 T＝ 293K
铜电极 T＝ 80K
钢电极 T＝ 293K
施围 邱毓昌 张乔根 编著刘青（西安科技大学） 制作高电压工程基础第 3章 气体间隙的击穿强度
3.1 稳态电压下的击穿
3.2 雷电冲击电压下的击穿
3.3 操作冲击电压下的击穿
3.4 大气密度和湿度对击穿的影响
3.5 SF6气体间隙中的击穿
3.6 提高气体间隙击穿电压的措施高电压工程基础
3.1 稳态电压下的击穿
均匀电场中的击穿
0,01 0,1 1 10 d /cm
1
10
100
400
U
b
/
k
V
eg,高压静电电压表的电极布置
2 4,2 2 6,0 8 ( )bU d d k V＝＋
特点：
（ 1）均匀电场中电极布置对称，
击穿无极性效应；
（ 2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，
其直流击穿电压、工频击穿电压峰值,50%冲击击穿电压相同；
（ 3）击穿电压的分散性很小。
高电压工程基础
稍不均匀电场中的击穿
（ 1）球间隙 （ eg：高压实验室中的测量球隙）
a,d<D/4时，电场均匀，直流、交流和冲击电压击穿电压相同；
b,d>D/4时，电场不均匀程度增大，
击穿场强下降，
出现极性效应；
c,球隙测压器的工作范围 d≤D/2；否则因放电分散性增大，不能保证测量的精度。
高电压工程基础
（ 2）同轴圆柱电极
（ eg：高压标准电容器、单芯电缆,GIS分相母线）
（ 1） r/R<0.1时,极不均匀电场，
击穿前先出现电晕，且 Uc的值很低，因此上述电气设备均不设计在这一 r/R范围内。
（ 2） r/R >0.1时,稍不均匀电场，
击穿前不出现电晕，且由图可见，
当 r/R≈0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时尽量将 r/R选取 0.25~0.4的范围内）。bm dUE
f＝
高电压工程基础
（ 3）其他形状的电极布置
bm
dUE
f＝
球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极；
间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。
高电压工程基础
极不均匀电场中的击穿不对称布置的极不均匀场间隙的极性效应很明显，而且其击穿的极性效应与稍不均匀场间隙相反。
尖－板和尖－尖空气间隙的直流击穿电压 棒－棒和棒－板空气间隙的工频击穿电压（有效值）
高电压工程基础
3.2 雷电冲击电压下的击穿
冲击电压的标准波形标准雷电波 的波形,T1=1.2μs± 30％,T2=50μs± 20％
对于不同极性,+1.2/50μs或 -1.2/50μs
操作冲击波 的波形,T1=250μs± 20％,T2=2500μs± 60％
对于不同极性,+250/2500μs或 -250/2500μs
波前时间 半峰值时间高电压工程基础
放电时延临界击穿电压统计时延,从外施电压达 Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电形成时延,从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间高电压工程基础
50％击穿电压及冲击系数
1,50％击穿电压多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值 Ub50 。
0 50 3bbUU
2,冲击系数同一间隙的 50％冲击击穿电压与稳态击穿电压 Uss之比 。
高电压工程基础
伏－秒特性伏－秒特性,在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。
用实验确定间隙伏－秒特性的方法,保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压 U与击穿时间 t。
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
100%伏秒特性
0%伏秒特性
50%伏秒特性
50%冲击击穿电压高电压工程基础电气设备绝缘的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性
（ a）正确配合 （ b）不正确配合绝缘的伏－秒特性避雷器的伏－秒特性高电压工程基础
3.3 操作冲击电压下的击穿
操作冲击电压下击穿的 U形曲线
（ 1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压仅与波前时间有关。
（ 2）当波前时间 tf为 100～ 300μs时，击穿场强出现极小值。出现极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。
Eb随 tf 的减小而增大是放电时延在起作用，与雷电冲击电压相似电压作用时间增加后空间电荷迁移范围扩大，改善了间隙中电场分布，击穿电压提高棒－棒导线－板工频击穿场强高电压工程基础
操作冲击电压的推荐波形
a,T1/T2=250(± 20％ ) / 2500(± 60％ ) μs b.振荡操作波
长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度特点：
（ 1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操作冲击击穿电压要高；
（ 2）间隙长度超过 5m时呈现饱和趋势。
（ 3）间隙距离越大，,2”与,3”的击穿电压的差别越大。
雷电冲击操作冲击最小击穿电压
m i n
3,41 2 0 m
81U M V
d
棒板间隙距离 ～,＝
＋
a
r
Uk
U其它间隙,＝
高电压工程基础
3.4 大气密度和湿度对击穿的影响
大气校正因数根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换算到标准大气条件（ t0＝ 20℃,p0＝ 101.3kPa,h0＝ 11g/m3）
的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算为试验条件下的电压值。
00 /ttU U K U U K 12tK K K?
1 mK?＝ 0
0
273
273
tp
pt
＋＝
＋ 2
WKK＝
1,空气密度校正系数 2,湿度校正因素高电压工程基础
3,指数 m和 W
500 B
Ug
LK?＝
高电压工程基础
3.6 提高气隙击穿电压的措施
改善电场分布的措施
（ 1）改变电极形状例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径，或改善电极边缘形状以消除边缘效应。
长空气间隙的交流击穿电压棒－板棒－棒导线－杆塔支柱导线－导线高电压工程基础
（ 2）利用空间电荷对原电场的畸变作用例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。
但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电，
从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与尖－板或尖－
尖间隙的相近了。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。
高电压工程基础
（ 3）极不均匀电场中屏障的使用正尖－板间隙中屏障的作用屏障靠近尖电极或板电极时，屏障效应消失，正、
负极性下出现很大差别。
直流电压下尖－板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系屏障应靠近尖电极，使比较均匀的电场区扩大。但离尖电极过近时，屏障上空间电荷的分布将变得不均匀而使屏障效应减弱，
因此屏障有一最佳位置。
高电压工程基础
高气压的采用均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系
1－ 2.8MPa的空气 2－ 0.7MPa的 SF6 3－高真空
4－变压器油 5－ 0.1MPa的 SF6 6－大气高电压工程基础
强电负性气体的应用
（ 1） SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其 绝缘强度比空气高 得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简化。
（ 2）氟里昂 12（ CCI2F2）的绝缘强度与 SF6相近，其液化温度也可满足户内设备的条件，但为保护大气中的臭氧层，国际上早已将氟里昂 12列入第一批需限制和 禁用 的氟里昂。
（ 3） SF6的价格较高，用于断路器时（气压在 0.7MPa左右）液化温度不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用 SF6混合气体 。已得到应用的混合气体是 SF6-N2混合气体,通常其混合比在 50%∶ 50%左右，
其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯 SF6的 85％左右。
（ 4） SF6气体温室效应相当于 CO2的 23900倍，且 SF6气体不会自然分解，
在大气中寿命长达 3200年。因此目前的技术 发展趋势是在 SF6用气量大的气体绝缘管道输电线中改用 SF6含量较小的 N2-SF6混合气体 （ SF6的含量为 20％时，混合气体的绝缘强度为纯 SF6的 75％左右）。
高电压工程基础
高真空的采用击穿电压击穿场强间隙距离对击穿的影响：
规律,击穿场强随间距的增加而降低。
原因,随着间隙距离及击穿电压的增大，
电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差，
积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致击穿。
击穿机理：
强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。
高电压工程基础在完全相同的实验条件下,击穿电压随电极材料熔点的提高而增大,因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。
稍不均匀电场中高真空的直流击穿电压与电极材料的关系锌铝铜钢高电压工程基础电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响对电极采取冷却措施具有与提高电极材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。
铜电极 T＝ 293K
铜电极 T＝ 80K
钢电极 T＝ 293K
