高電壓工程基礎(chǔ)(第3章)

1、第三章 氣體電介質(zhì)的擊穿特性 根據(jù)氣體放電理論，可以說(shuō)明氣體放電的基本物理過(guò)程有助于分析各種氣體間隙在各種高電壓下的放電機(jī)理和擊穿規(guī)律。但由于氣體放電的發(fā)展過(guò)程比較復(fù)雜影響因素較多，氣隙擊穿的分散性較大，所以要想利用理論計(jì)算的方法來(lái)獲取各種氣隙的擊穿電壓相當(dāng)困難。因此通常都是采用試驗(yàn)的方法來(lái)得到某些典型電極所構(gòu)成的氣隙在各種電壓下的擊穿特性，以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。 氣隙的電場(chǎng)形式對(duì)氣隙的擊穿特性影響較大。此外氣隙所加電壓的類型對(duì)氣隙的擊穿特性也有很大關(guān)系。第一節(jié) 穩(wěn)態(tài)電壓下氣隙的擊穿特性一、均勻電場(chǎng)氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性 無(wú)限大平行板電極之間的電場(chǎng)是均勻電場(chǎng) 工程上采用用消除電極邊緣效應(yīng)的

2、措施使電場(chǎng)趨于均勻 均勻電場(chǎng)中氣隙的擊穿電壓遵從巴申定律二、稍不均勻電場(chǎng)氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性 稍不均勻電場(chǎng)氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性與均勻電場(chǎng)相似。 球隙電場(chǎng)的均勻程度隨著球間距離d與球電極直徑D之比(dD)而變，當(dāng)d/D1/2時(shí)，球隙的擊穿特性才接近于均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性。 球隙的工頻擊穿電壓是指工頻電壓的峰值電壓 三、極不均勻電場(chǎng)氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性 在極不均勻電場(chǎng)的氣隙中，“棒一板”間隙和“棒一棒”間隙具有典型意義。前者具有最大的不對(duì)稱性，后者則具有完全的對(duì)稱性。其他類型的極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性均介于這兩種典型氣隙的擊穿特性之間。 在直流電壓下“棒一板”間隙的擊穿特性具

3、有明顯的極性效應(yīng)。在所測(cè)的極間距離范圍內(nèi)(d10cm)，負(fù)極性擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為20kVcm，而正極性擊穿場(chǎng)強(qiáng)只有7.5kVcm d300cm , “棒一板”間隙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見這時(shí)負(fù)極性的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)降為10 kVcm左右而正極性的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為4.5kVcm。 由于極性效應(yīng)，在工頻交流電壓下，“棒一板”間隙的擊穿總是發(fā)生在棒極為正極性的半周期內(nèi)的峰值電壓附近。 同樣條件下，工頻擊穿電壓的峰值還稍低于其直流擊穿電壓。這是因?yàn)榍皞€(gè)周期留下的空問(wèn)電荷對(duì)棒棒極前方的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)有所加強(qiáng)的緣故。 棒一棒”間隙的擊穿電壓相對(duì)較高，這是因?yàn)椤鞍粢话簟遍g隙的電場(chǎng)比“棒一板”間隙相對(duì)要均勻一些，前者的最大場(chǎng)強(qiáng)是分散在靠近

4、兩棒極處，而后者的最大場(chǎng)強(qiáng)則集中在棒極附近。 長(zhǎng)間隙“棒一板”和“棒一棒”間隙的擊穿特件曲線如圖35所示。由圖可以看出隨著氣隙長(zhǎng)度的增大，“棒一板”間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯降低即存在“飽和”現(xiàn)象，顯然這時(shí)增大“棒一板”間隙的長(zhǎng)度已不能有效地提高工頻擊穿電壓。 第二節(jié) 雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性 一、雷電沖擊電壓 雷電沖擊電壓是由自然界中的雷電放電或?qū)嶒?yàn)室中的模擬雷電放電產(chǎn)生的，電力系統(tǒng)中的雷電過(guò)電壓是由大氣中的雷電放電引起的。大氣中的雷電放電包括雷云對(duì)大地、雷云對(duì)雷云和雷云內(nèi)部的放電，其中雷云對(duì)大地的放電是造成電力系統(tǒng)雷害事故的主要因素。 按照雷電發(fā)展的方向可區(qū)分為上行雷和下行雷兩種。上行雷是

5、指由接地物體頂部激發(fā)起向雷云方向發(fā)展的雷電放電； 下行雷是指在雷云中產(chǎn)生并向大地發(fā)展的雷電放電?？吹降睦纂姺烹娊^大多數(shù)是下行雷。 根據(jù)雷電放電從雷云流入大地的電荷的極性不同可將雷電分為正極性雷和負(fù)極性雷，實(shí)測(cè)表明約90的雷是負(fù)極性雷。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，雷電放電所形成的電壓具有單次脈沖性質(zhì)。 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電波波形： T1-波前時(shí)間 T2-半峰值時(shí)間121.230%5020%TsTs 被截?cái)嗟睦纂姏_擊電壓波稱為雷電沖擊電壓截波11.230%2 5cTsTs三、雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性1. 放電時(shí)間電壓上升時(shí)間統(tǒng)計(jì)時(shí)延放電形成時(shí)延2. 50%沖擊擊穿電壓（U 50

6、%）由于氣隙沖擊擊穿電壓的分散性在工程上采用50沖擊擊穿電壓(U 50%)作為氣隙的沖擊擊穿電壓值。氣隙加上N次同一波形及峰值的沖擊電壓可能只有n次發(fā)生擊穿，擊穿概率為 當(dāng)擊穿概率等于50%時(shí)的電壓即稱為50%擊穿電壓。在均勻和稍不均勻電場(chǎng)中，沖擊擊穿電壓的分散性很小，U 50%與擊穿電壓U0幾乎相同，沖擊系數(shù)。在極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，擊穿電壓分散性較大，沖擊系數(shù)1 3.伏秒特性 工程上用氣隙擊穿期間出現(xiàn)的沖擊電壓的最大值和放電時(shí)間的關(guān)系來(lái)表征氣隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性。 實(shí)際上，由于放電時(shí)間的分散性在每一電壓下可得到一系列放電時(shí)間。所以伏秒特性曲線是一個(gè)帶狀區(qū)域、通

7、常使用的是平均伏秒特性曲線。 均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的伏秒特性曲線比較平坦，其放電形成時(shí)延較短，比較穩(wěn)定， 極不均勻電場(chǎng)氣隙的伏秒特性曲線比較陡峭。 保護(hù)設(shè)備（避雷器或間隙）需要伏秒特性曲線盡可能平坦，并且位于被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性之下且二者永不相交。 4.氣隙的雷電沖擊擊穿特性 極性效應(yīng) 棒-棒間隙在棒-板間隙之間第三節(jié) 操作沖擊電壓下的氣隙擊穿特性 一、操作沖擊電壓1225020%250060%TsTs二、操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點(diǎn)1.操作沖擊電壓波形對(duì)氣隙擊穿電壓的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣隙的50%操作沖擊擊穿電壓U50%與波前時(shí)間Tcr的關(guān)系呈u”形曲線在某一最不利的波前時(shí)間Tc(稱為臨界

8、波前時(shí)間)下U50%有最小值上述現(xiàn)象可以用氣體放電理論予以解釋；任何氣隙的擊穿過(guò)程都需要一定的時(shí)間當(dāng)波前時(shí)間Tcr較小時(shí)說(shuō)明電壓上升極快，擊穿電壓將會(huì)超過(guò)靜態(tài)擊穿電壓許多，所以擊穿電壓較高；當(dāng)波前時(shí)間Tcr較大時(shí)、說(shuō)明電壓上升較慢，使極不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)間隙中的沖擊電暈和空間電荷都有足夠的時(shí)間形成和發(fā)展，從而使棒極附近的電場(chǎng)變得較小使整個(gè)氣隙電場(chǎng)的不均勻程度降低從而使擊穿電壓稍有提高。而在100500s范圍內(nèi)時(shí)既保障了擊穿所用的時(shí)間，又不致于減小棒極附近的電場(chǎng)，所以此時(shí)的擊穿電壓最低2.氣隙的操作沖擊擊穿電壓有可能低于工頻擊穿電壓試驗(yàn)表明，在某些波前時(shí)間范圍內(nèi)，氣隙的操作沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓低

9、，所以，在大于220kV的超高壓輸電系統(tǒng)中，應(yīng)該按操作過(guò)電壓下的電氣特性進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。3.長(zhǎng)間隙操作沖擊擊穿特性的“飽和”效應(yīng)極不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)間隙的操作沖擊擊穿特性具有顯著的“飽和”效應(yīng)“飽和”現(xiàn)象的出現(xiàn)與間隙擊穿前先導(dǎo)階段能有較為充分的時(shí)間發(fā)展有關(guān)4操作沖擊擊穿電壓的分散性大第五節(jié) 提高氣隙擊穿電壓的方法提高氣隙擊穿電壓的方法有：1. 改善電場(chǎng)分布 電場(chǎng)分布越均勻，氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)越大2.采用絕緣屏障 由于氣隙中的電場(chǎng)分布和氣體放電的發(fā)展過(guò)程都與帶電粒子在氣隙中的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和分布狀態(tài)密切相關(guān)所以在氣隙中放置形狀適當(dāng)、位置合適、能有效阻攔帶電粒子運(yùn)動(dòng)的絕緣 屏障能有效地提高氣隙的擊穿電壓 帶有

10、絕緣屏障的氣隙的擊穿電壓與屏障的位置有很大關(guān)系 棒極為負(fù)時(shí)屏障遠(yuǎn)離棒極，擊穿電壓反而會(huì)比無(wú)屏障時(shí)還要低 在雷電沖擊電壓下，由于屏障上來(lái)不及聚積起顯著的空間電荷，因此屏障的作用小些 3. 采用高氣壓巴申定律需要設(shè)備外殼的密封性和機(jī)械強(qiáng)度提出很高的要求4. 采用高抗電強(qiáng)度的氣體 在氣體電介質(zhì)中，有一些含鹵族元素的強(qiáng)電負(fù)件氣體，如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等，因其具有強(qiáng)烈的吸附效應(yīng)。所以在相同的壓力下具有比空氣高得多的抗電強(qiáng)度因此被稱為高抗電強(qiáng)度的氣體。5. 采用高真空真空間隙的擊穿電壓大致與間隙距離的平方根成正比第六節(jié) SF6氣體的絕緣特性 SF6氣體的電氣強(qiáng)度約為空氣的25倍 化

11、學(xué)穩(wěn)定性好 應(yīng)用在單一的電氣設(shè)備 全密封組合電器或氣體絕緣變電站一、SF6氣體的理化特性 SF6氣體是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)毒、不燃的氣體。它的化學(xué)穩(wěn)定件高，在不太高的溫度下，接近惰性氣體的穩(wěn)定性熱離解生成低氟化物SF6的分解物有毒 SF6N2混合氣體的相對(duì)耐電強(qiáng)度二、SF6氣體的絕緣特性SF6優(yōu)異的絕緣性能只有在比較均勻的電場(chǎng)中才能得到充分的發(fā)揮SF6氣隙的極性效應(yīng)與空氣隙相反，即曲率半徑小的電極為負(fù)極性時(shí)氣隙的擊穿電壓小于正極性。GIS(Gas Insulated Switchgear) GIS是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連線和出線終端等組合而成，全部封閉在充有

12、一定壓力的SF6氣體的金屬外殼中，構(gòu)成封閉式組合電器，組成一個(gè)氣體絕緣變電站優(yōu)點(diǎn)：大大節(jié)省占地面積。額定電壓越高，節(jié)省越多。不受惡劣的大氣條件的影響，運(yùn)行安全可靠。占用空間小，噪聲小，無(wú)電磁輻射，有利于環(huán)境保護(hù)。安裝成套性好，維護(hù)工作量小第七節(jié) 電 暈 放 電 電暈放電是極不均勻電場(chǎng)中特有的一種氣體自持放電形式 它取決于電極外氣體空間的電導(dǎo) 外加電壓、電極形狀極間距離、氣體的性質(zhì)和密度等電暈放電的基本特性電暈放電有明顯的極性效應(yīng) (1)具有聲、光、熱等效應(yīng)。放電的“咝咝”聲造成環(huán)境噪聲、同時(shí)有紫藍(lán)色的光暈，引起發(fā)熱并使周圍的氣體溫度為高，造成能量損耗。 (2)在尖端或電極的某些凸起處電子和離子

13、在局部強(qiáng)電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下高速運(yùn)動(dòng)并與氣體分子交換動(dòng)量，形成所謂的“電風(fēng)”，引起電極或?qū)Ь€的振動(dòng)。 (3)電暈產(chǎn)生的高頻脈沖電流會(huì)造成對(duì)無(wú)線電的干擾。(4）在空氣中產(chǎn)生臭氧03及NO或NO2，在其他氣體中也會(huì)產(chǎn)生許多化學(xué)反應(yīng)。O3是強(qiáng)氧化劑，對(duì)金屬及有機(jī)絕緣物有強(qiáng)烈的氧化作用，NO或N02會(huì)與空氣中的水分合成硝酸類具有強(qiáng)烈的腐蝕性。所以，電暈是促使有機(jī)絕緣老化的重要因素之一。 (5) 上述電暈的某些效應(yīng)也有可利用的一面。比如電暈造成的損耗可削弱輸電線上的雷電沖擊電壓波的幅值和陡度；電暈放電還可改善電場(chǎng)的分布；也可利用電暈制造防火器、消毒柜和對(duì)廢氣、廢水進(jìn)行凈化處理及對(duì)水果、蔬菜進(jìn)行保鮮等。 第八節(jié)

14、沿面放電與污穢閃絡(luò) 沿面放電 在固體介質(zhì)和空氣的交界面上產(chǎn)生的沿面放電一旦發(fā)展到使整個(gè)極間發(fā)生沿面擊穿時(shí)，即造成沿面閃絡(luò)。 沿面閃絡(luò)電壓不僅比固體介質(zhì)本身的擊穿電壓低很多，而且比純空氣間隙的擊穿電壓也低得多并受絕緣表面狀態(tài)、電極形式、污染程度、氣候條件等因素影響較大。 電力系統(tǒng)中的絕緣事故多半是由沿面放電所造成。 固體絕緣實(shí)際耐受電壓的能力取決于沿面閃絡(luò)擊穿。1. 均勻電場(chǎng)中： (1)固體介質(zhì)表面不可能絕對(duì)光滑，其微觀上的凸凹不平造成介質(zhì)表面電場(chǎng)不均勻 2)固體介質(zhì)表面會(huì)或多或少地吸收一些空氣中的水分。 (3)固體介質(zhì)與電極的接觸如不十分緊密存在有極小的氣隙。2 不均勻電場(chǎng)中的沿面放電 電場(chǎng)強(qiáng)

15、度的方向大體上平行于固體電介質(zhì)的表面 電介質(zhì)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度具有較大的垂直于固體電介質(zhì)表面的法線分量 固體介質(zhì)表面電阻(特別是靠近法蘭F處)的適當(dāng)減小(如涂半導(dǎo)體漆或半導(dǎo)體釉)可以使沿面的最大電位梯度降低，防止滑閃放電的出現(xiàn)，從而使沿面閃絡(luò)電壓得到提高二、懸式絕緣子串的電壓分布及閃絡(luò)特性 35kV 3片 110kV 7片 220kV 13片 330kV 19片 500kV 28片 如果只考慮CE的存在靠近導(dǎo)線的絕緣子上承受的電壓大于遠(yuǎn)離導(dǎo)線的絕緣子，如果只考慮CL的存在，其作用正好相反如果同時(shí)存在，實(shí)際上由于CECL所以絕緣子串中靠近導(dǎo)線的絕緣子的電壓降最大。 為了改善絕緣子串的電壓分布，通常在

16、絕緣子串導(dǎo)線端安裝均壓環(huán)，均壓環(huán)對(duì)懸掛導(dǎo)線的金具還起到屏蔽作用，有效地降低這些連結(jié)金具的電暈。 絕緣子的電氣性能通常用閃絡(luò)電壓來(lái)衡量。干閃電壓是指表而清潔、干燥的絕緣子的閃絡(luò)電壓它是戶內(nèi)絕緣子的主要性能。濕閃電壓是指潔凈的絕緣子在淋雨情況下的閃絡(luò)電壓，為了使試驗(yàn)結(jié)果能夠進(jìn)行比較，必須規(guī)定一定的淋雨條件。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的淋雨條件為：平均淋雨率的垂直分量和水平分量均為1.11.5mm/min,淋雨角為45，人工雨水的電阻率為100 15m(20時(shí))。 隨著絕緣子中長(zhǎng)度的增加，其濕閃電壓將會(huì)逐漸接近其干閃電壓.三、污穢閃絡(luò)戶外絕緣子常會(huì)受到工業(yè)污穢或自然界的鹽堿、粉塵及鳥糞的污染。在干燥情況下，這種污穢塵埃電阻般都很大對(duì)運(yùn)行沒(méi)有什么大的危害。但當(dāng)大氣濕度較高，尤其在毛毛雨、霧、露、雪等不利的天氣條件下，絕緣子表面污穢塵埃被濕潤(rùn)，表面電導(dǎo)劇增，使絕緣子在工頻和操作沖擊電壓下的閃絡(luò)電壓大大降低，甚至可以在其工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)，這類閃絡(luò)稱為污穢閃絡(luò)。污穢絕緣子被濕潤(rùn)后，污穢層中的可溶性物質(zhì)便溶解于水分中，成為電解質(zhì)，在絕緣子表面上形成一層薄薄的導(dǎo)電膜使污層的表面電阻大大下降，絕緣子的泄漏電流劇增。絕緣子表面不斷延伸發(fā)展的局部電弧現(xiàn)象俗稱爬電 通常采用“等值附