气体介质的电气强度

知识点：介质强度

1、研究意义

在工程实践中，常常需要对气体介质的电气强度(击穿场强或击穿电压)做出定量估计，例如：架空输电线、变电所的各种空气间距值的确定；电力设备外绝缘的尺寸以及安装条件的确定；气体绝缘组合电气的内绝缘结构设计等等。

因此有必要掌握气体介质的电气强度及其影响因素，提出提高气体介质电气强度的途径和措施。由于气体放电的发展过程比较复杂，影响因素较多，通常使用试验的方法求取各种气隙的击穿电压。影响气隙电气强度的两大因素：电场的均匀程度以及电压的类型。本文分析不同电场形式、不同电压类型下气隙的电气强度。

2、均匀电场气隙的击穿特性

均匀电场中，电极对称布置，气隙间距不可能很大，击穿无极性效应。各处电场强度大致相等，自持放电到击穿所需时间均极短。均匀电场中，直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同，且击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数β接近于1。

下图所示为实验得到的平行板电极形成的均匀电场下，空气间隙的击穿电压峰值、击穿场强和极间距离的关系曲线 （击穿特性曲线）。击穿电压和极间距离近似成线性的关系，击穿场强接近30kV/cm。

击穿电压和击穿场强可以用以下经验公式表示：

3、稍不均匀电场气隙的击穿特性

稍不均匀电场与均匀电场相似，也不可能存在稳定的电晕放电，一旦出现局部放电，即导致整个气体的击穿。放电存在不显著的极性效应， 冲击系数β也接近于1，直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压基本相等。

最重要的稍不均匀电场实例为球间隙和同轴圆筒。球间隙由两个直径相同的球电极构成，如下图所示，在高电压试验中用来测量高电压的幅值。

球间隙的电场不均匀程度随着球间距 d  与球极直径 D  之比的增大而增大。下图为试验得到的不同直径的球隙击穿电压特性曲线。

d< D/4时，电场均匀，直流、交流和冲击电压击穿电压相同； d >D/4时，电场不均匀程度增大，击穿场强下降。为了保证测量的精度， 球隙测压器应在 d≤ D/2的 范围内工作。

同轴圆筒（如下图所示）常见于高压标准电容器和气体绝缘组合电器中的封闭母线筒。

取同轴圆筒的外筒内半径 R  =10cm为例，下图为这一气隙的电晕起始电压和击穿电压与内筒外半径r 的变化规律曲线。当r/R<0.1时，气隙属于极不均匀电场，击穿前先出现电晕，且起始电压Uc的值很低；当r/R>0.1时，气隙属于稍不均匀电场，击穿前不出现稳定的电晕放电，且由图可见，当r/R ≈0.33时击穿电压出现极大值。通常，在绝缘设计时尽量将r/R选取0.25~0.4的范围内。

4、极不均匀电场气隙的击穿特性

4.1 极不均匀电场

实测表明，极不均匀电场气隙的击穿特性处于“棒-棒”气隙和“棒-板”气隙两种极端情况的击穿特性之间。因此，实验室通常只研究这两种极端情况下的击穿特性。对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙，可按电极的对称程度选用这两种极端气隙的击穿特性曲线来估计其电气强度。例如在估算相间导线气隙的击穿电压沿用“棒-棒”气隙的击穿特性，在估算导线对地气隙的击穿电压时采用“棒-板”气隙的击穿特性。

4.2 直流电压的击穿特性

直流击穿电压和间隙的距离近似成正比。下图给出实验得到的气隙间距小于10cm时，“棒-棒”气隙和“棒-板”气隙的直流击穿电压和气隙间距的关系。棒-板气隙的极性效应比较明显，负极性的击穿场强约为20kV/cm，正极性的为7.5kV/cm。棒-棒气隙的击穿特性介于上述两者之间，击穿场强约为4.8-5kV/cm，且极性效应不明显。

随着特高压直流输电技术的发展，有必要掌握更大极间距离的间隙直流击穿特性。下图给出实验得到的长间隙时棒－板和棒－棒空气间隙的直流击穿电压和气隙间距的关系。棒-板气隙存在极性效应：负极性击穿场强约为10kV/cm，正极性的约为4.5kV/cm，都要远小于均匀和稍不均匀电场下的30kV/cm。

4.3 工频交流电压的击穿特性

在工频交流电压下测量气隙的击穿电压时，通常是将电压慢慢升高，直至发生击穿。由于极不均匀电场下的击穿存在极性效应，击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生。下图为 d＜1m时棒-棒和棒-板空气间隙的工频击穿电压与间隙距离的关系。

除了起始部分外，击穿电压和间隙距离近似直线关系。棒-棒击穿场强大约为4kV/cm，棒-板更低，这是因为棒-棒相对更均匀些。d＝1m之前，棒-棒与棒-板气隙的击穿电压几乎相等，之后差别越来越大。

下图给出了不同电场形式长气隙的工频击穿特性曲线，呈现饱和现象，气隙较大时，平均击穿场强明显降低，棒-板间隙尤为严重。

4.4 雷电冲击电压

由于极不均匀电场的放电时延较长，其冲击系数通常显著大于1，冲击击穿电压的分散性也大，用正态分布表征放电特性时，其标准差可取3%。雷电冲击电压作用时击穿发生在冲击电压的波尾部分。

在1.5/40μs的雷电冲击电压作用下，棒棒和棒板气隙的50%冲击击穿电压与极间距离d 的关系如下图所示。

棒-板间隙有明显的极性效应，棒-棒间隙也有不大的极性效应。气隙长度更大时的实验结果见下图。

雷电冲击电压的50%冲击击穿电压与极间距离d近似呈线性关系，即无饱和趋势。主要是因为雷电冲击电压作用时间短，间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完成放电，因此击穿电压提高。

4.5 操作冲击电压

随着输电电压的不断提高，操作过电压下的绝缘问题越来越突出。220kV以上超高压输电系统中，需按照操作过电压下的电气特性进行绝缘设计。操作冲击电压的击穿发生在波前部分，与半峰时间无关。

着重分析长气隙下操作冲击电压作用下的击穿特征：

（1）操作电压波形的影响（U形曲线）

操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大的影响，下图中的实验结果表明，棒-板气隙正极性的50%操作冲击击穿电压U50%(s)与波前时间Tcr的关系曲线呈“U”形。在某一最不利的波前时间Tc（可称之为临界波前时间）下，U50%(s)出现极小值U50%(min)。图中的虚线曲线表示不同长度气隙的 U50%(min)与Tc的关系。

下面分析下呈现U形的原因：波前时间对应着电压从零升高到幅值的时间。在左半支，波前时间短，达到峰值时，放电时延没有到达，作用时间不够，波前时间一过，电压是逐渐下降的。此时，要击穿只能提高电压峰值，波前时间越短，击穿电压越高；在右半支，放电产生的电晕形成空间电荷，使得电场变均匀，阻碍放电的发展，所以时间越长，电晕积累电荷越多，击穿电压越高。而在中间100μs-500μs时，时间足够完成击穿，而且空间电荷形成和电场的调整还来不及，所以存在最低的击穿电压。

（2）极性效应

在不同的电场结构中，正操作冲击50%击穿电压比负极性低，所以一般均讨论正极性的情况。

操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压，在某些波前时间内，甚至比工频击穿电压还低。

（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1000μs以后，可达8％左右（工频及雷电冲击电压下均约为3％）。

（4）饱和现象

下图为不同电极形式操作冲击击穿特性，具有显著的“饱和”特征。除了负极性“棒-棒”气隙外，其他棒间隙的操作冲击击穿特性的“饱和”特征都十分明显，而电气强度最差的正极性“棒-板”气隙的“饱和”现象也最为严重，尤其是在气隙长度大于5～6m以后。这对发展特高压输电技术来说，是一个极其不利的制约因素。

5、大气条件和海拔对气体击穿的影响和修正

5.1 大气条件的影响及修正

大气的压力、温度和湿度等条件都会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，所以必然影响气隙的击穿电压。因此，不同大气条件下的击穿电压实验数据需要换算到标准条件下才能相互比较。

GB/T 16927.1-2011 高电压试验技术规定标准大气条件：

        压力p0=101.3kPa(760mmHg)

        温度t0=20℃或T0=293K

        湿度hc=11g/m3

GB/T 16927.1-2011 规定：外绝缘的破坏性放电电压的修正公式：

（1）对空气密度的修正

空气的相对密度δ ：实际气体密度与标准大气条件下的密度之比：

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，气隙的击穿电压几乎与δ 成正比：

上述公式适用于气隙间距小于1m的情况。?对于更长的空气间隙，击穿电压与大气条件变化的关系，随着电极形状、电压类型和气隙长度而变化。?此时空气密度修正因数：

（2）对空气湿度的修正

大气中的水汽分子呈电负性，可以俘获自由电子形成负离子。在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，需要的击穿场强大，电子运动速度快，不易被水分子俘获所以影响较小。在极不均匀电场中，平均击穿场强小，电子运动速度有限，受影响较大。修正系数为：

5.2 对海拔高度的修正

海拔高度增大，空气稀薄，大气压力和相对密度减小，空气的电气强度下降；可以从下图的巴申曲线来解释，通常电气设备工作条件下，Pd 是在红色虚线的区段，当pd 变小时，电气强度是下降的。

国标规定：1000m

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