发布时间 : 星期三 文章长沙理工大学《高电压技术》讲稿更新完毕开始阅读82df638ed0d233d4b14e6957
u/Um1.00.50uUmTcrT2(a)t0Tcr(b)Tcr?1000~1500?st
图1－23 操作冲击实验电压波形
（a）非周期双指数冲击波 （b）衰减震荡波
二、操作冲击50%击穿电压
操作冲击电压下气体绝缘的击穿电压也具有分散性，亦可采用50％冲击击穿电压来反映间隙的绝缘强度。研究表明：在均匀电场和稍不均匀电场中，操作冲击电压的作用时间介于工频电压和雷电冲击电压的作用时间之间，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。而在极不均匀电场中，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。
U50%(MV)2.62.4临界波头气隙距离15.2m2.22.08.35m1.87.0m1.61.43.95m1.22.98m1.00.80.2
图1－24 “棒－板”气隙正极性50%操作冲击击穿电压与波前时间的关
系 1.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系
020040060080010001200Tcr(?s) 17
1.6.1 均匀电场
在均匀电场中，直流击穿电压,工频击穿电压（幅值）,50%冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也较小。均匀电场中空气的击穿电压经验公式为:
U0?24.22?d?6.08?d kV （1－31）
式中，d——间隙距离，单位为cm；
δ——空气相对密度。
均匀电场中空气的电气强度大致等于30kV/cm。1.6.2稍不均匀电场 1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响 一、空气相对密度的影响
气压和温度的变化都可以反映为空气相对密度的变化，因此气压和温度的影响就可归结为空气相对密度的影响。
气压P增大时，空气相对密度δ增大，带电粒子在气体中运动的平均自由行程?减小，运动中所积累的动能Eq?就较小，电离能力就较小，因此间隙的击穿电压就高；反之则有相反的结果。温度T升高，空气相对密度δ减小，带电粒子在气体中运动的平均自由行程?增大，运动中所积累的动能Eq?就增大，电离能力也就较大，因此间隙的击穿电压就较低；反之则相反。空气相对密度与气压成正比、与温度成反比：
??2.89P （1－32）
273?t式中，P为气压，单位为kPa；t为温度，单位为℃。
在大气条件下，空气间隙的击穿电压随?的增大而升高。实验表明，当空气相对密度δ在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，则试验或运行条件下的击穿电压U和标准大气条件下的击穿电压U0的关系为：
U??U0 （1－33）
当δ与1相差较大时，必须使用空气密度校正系数Kd对击穿电压进行校正，空气密度校正系数可按下求取
Kd?(pm273?t0n)?() p0273?t （1－34）
式中，m、n与电极形状、间隙距离、电压种类及极性有关，其值在0.4~1.0的范围内。
此时，试验或运行条件下的击穿电压U和标准大气条件下的击穿电压U0的关系为：
U?KdU0 （1－35）
二、湿度的影响
湿度增加，空气中所含的水分子增加，水分子能捕获自由电子而形成负离子，使电离能力下降，对气体中的放电过程起到抑制作用，因此空气的湿度越大，间隙的击穿电压也会越
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高。所以湿度对极不均匀电场的放电过程有显著影响，需要进行湿度校正，湿度校正系数为：
Kh?k?
（1－36）
式中，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。
因此，试验或运行条件下的击穿电压U和标准大气条件下的击穿电压U0的关系为：
U?U0 （1－37） Kh综合气压、温度、湿度的影响，在试验或运行条件下的间隙击穿电压U和标准大气条件下的击穿电压U0可以进行如下换算：
U?KdU0 Kh （1－38）
式（1－35）既适用于空气间隙的击穿电压，也适用于外绝缘的沿面闪络电压。当实际试验条件不同于标准大气条件时，应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的试验电压值。 三、对海拔高度的校正
随着海拔高度的增加，空气逐渐稀薄，大气压力下降，空气密度减小，带电粒子在气体中运动的平均自由行程?增大，运动中所积累的动能Eq?就增大，电离能力增大，因此间隙的击穿电压降低。为此，引入海拔校正系数K?：
1 （1－39） ?41.1?H?10式中，H为电力设备安装地点的海拔高度（m），1000≤H≤4000。 我国的国家标准规定：凡安装在海拔高度超过1000m而又低于4000m地区的电力设施其外绝缘试验电压U与平原地区外绝缘的试验电压Up的关系为
Ka?U?KaUP
1.8 提高气体间隙击穿电压的措施
影响气体间隙击穿电压的主要因素有：气体间隙中的电场分布、所加电压的波形、气体的状态、气体的种类等。为了提高气体间隙的击穿电压，一般有两种途径：一是改善间隙中的电场分布，使之尽量均匀；二是削弱或抑制气体中的电离过程。具体如下： 一、改善电场分布 二、削弱或抑制电离过程
削弱或抑制电离过程，有这样几个方面：提高气压可以减小电子的平均自由行程，从而削弱和抑制电离过程；采用强电负性气体，利用其对电子的强附着效应减弱碰撞电离过程；采用高真空使电子的平均自由行程远大于极间距离，从而使碰撞电离几乎成为不可能。
（1）采用高气压
提高气压可提高间隙的击穿电压。因为气压增高，使气体密度增大，因而电子的平均自由行
（1－40）
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程?减小，电子在运动中积累的动能Eq?也就减小，碰撞电离的能力下降。
（2）采用强电负性气体 六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等一些含卤族元素气体属于强电负性气体，它们的电气强度比空气高得多，因此采用这些气体代替空气可大大提高间隙的击穿电压。
这些气体具有高电气强度的主要原因是：①这些气体具有很强的电负性，容易吸附电子成为负离子，削弱了电离过程，同时加强了复合过程；②这些气体分子量大，分子直径大，使电子在其中间的平均自由行程缩短，电子运动积累足够的动能较困难，碰撞电离能力减小。另外，欲使这些气体分子发生电离，必须供给比电离能更多的能量，这也是这些气体具有高
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电气强度的原因。以SF6为例：没有观察到SF6 离子，观察到的主要是SF5 离子，这意味着每个电离都伴随着离解，没有不离解的电离。碰撞电离如此，其它如光电离、热电离也是如此。这就是说，欲使SF6分子电离，不仅要供给电离能，还必须要供给离解能。
强电负性气体要在工程中获得实际应用，除电气强度要高外，还必须具备液化温度不高、化学性能稳定、在该气体中发生放电时不易分解、不燃烧、不产生有毒物质、并且生产不太困难、价格不能过高等特点。
目前得到工程应用的强电负性气体有SF6及其混合气体。SF6的电气强度约为空气的2.5倍，而其灭弧能力则为空气的100倍以上，它作为绝缘介质和灭弧介质是除空气外应用得最广泛的气体介质。 A. SF6的绝缘性能
SF6是一种强电负性气体，它容易俘获自由电子而形成负离子（电子附着过程），电子变成负离子后，它引起碰撞电离的能力就变得很弱，从而削弱了放电发展过程。
应该强调指出，SF6优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合下才能得到充分的发挥。因此在设计以SF6气体作为绝缘的各种电气设备时，应尽可能使气隙中的电场均匀化。因为电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比空气的要大，所以与均匀电场中的击穿电压相比，SF6在极不均匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。
SF6气体击穿电压为
Ub?88.5pd?0.38 （kV ） （1－41）
在极不均匀电场中，SF6气体的击穿有异常现象。其原因，一是其击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”；二是驼峰区段内的雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压，冲击系数β=0.6左右（见图1－34）。由于驼峰常出现在0.1~0.2MPa（工作气压以下）的气压下，因此，在进行绝缘设计时应尽可能设法避免极不均匀电场的情况。
除电场均匀程度外，电极表面缺陷和导电微粒的存在也将对SF6气体的绝缘性能产生不利影响。
B. SF6的液化特性
这里讨论SF6实际应用中与液化特性相关的主要问题。SF6高压断路器的气压约为 0.7MPa，而GIS（Gas Insulated Switchgear）全封闭气体绝缘组合电器中除断路器外其余
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部分的气压均不大于0.45MPa。如果20C时的充气压力为0.75 MPa，则对应的液化温度在
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－25C左右。如20C充气压力为0.45 MPa，则对应的液化温度为－40C，可见一般不存在液化问题。
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纯净的SF6气体是无毒的，它在温度低于180C时与电气设备中材料的相容性与氮气相似。但值得注意的是SF6的分解物是有毒的，对材料是有腐蚀作用的。由于电子碰撞、热以及光辐射会导致SF6气体分解。在电气设备中主要是前两种原因使其分解，如断路器触头间的电弧或GIS内部故障电弧的高温会使SF6气体迅速分解，局部放电、电晕放电或火花放电
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