子情景2氣體絕緣材料及其擊穿特性-原圖課件

1、子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 子情境子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性氣體絕緣材料及其擊穿特性 要求要求熟悉在不同電場中，不同電壓性質(zhì)下氣體間隙的擊穿特性，能正確運(yùn)用各種提高氣體間隙擊穿電壓的方法子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 知識點(diǎn)知識點(diǎn) 氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失形式氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失形式 湯遜理論、巴申定律、流注理論湯遜理論、巴申定律、流注理論 極不均勻電場中的電暈放電和極性效應(yīng)極不均勻電場中的電暈放電和極性效應(yīng) 沖擊電壓下間隙的放電時(shí)延和伏秒特性沖擊電壓下間隙的放電時(shí)延和伏秒特性 提高氣體間隙擊穿電壓的方法提高氣體間隙擊穿電壓的方法 絕緣子沿面放電的特點(diǎn)以及提高

2、沿面閃絡(luò)絕緣子沿面放電的特點(diǎn)以及提高沿面閃絡(luò) 電壓的方法電壓的方法子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)和難點(diǎn) 提高氣體間隙擊穿電壓的方法提高氣體間隙擊穿電壓的方法 提高絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的方法提高絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的方法子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)任務(wù)1.2.1氣隙中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失氣隙中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生和消失 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 氣體原子在外界因素（電場、高溫等）的作用下，吸收外界能量使其內(nèi)部能量增加，這時(shí)原子核外的電子從離原子核較近的軌道跳到離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去，此過程稱為原子激發(fā)原子激發(fā)，也稱激勵激勵，被激發(fā)的原子稱為激發(fā)原子，激發(fā)原子

3、內(nèi)部能量比正常原子大。一、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生一、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 如果中性原子從外界獲得足夠的能量，使原子中的一個或幾個電子完全脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子（即帶電質(zhì)點(diǎn)），此過程稱為原子的游離原子的游離。游離是激發(fā)的極限狀態(tài)，氣體分子或原子游離所需要的能量稱為游離能游離能。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 分子或原子的游離可以一次完成，也可以分級完 成，即先經(jīng)過激發(fā)階段，然后發(fā)生游離，這種游離稱為分級游離分級游離。分級游離時(shí)，一次需要獲得的能量較小，但幾次獲得的總能量應(yīng)大于或等于游離能。 圖1-1子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 按按

4、照照能能量量來來源源的的不不同同碰撞游離碰撞游離在電場作用下，電子被加速獲得動能。如果動能大于氣體質(zhì)點(diǎn)的游離能，在和氣體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)，就可能使氣體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生游離，分裂成正離子和自由電子。這種游離稱為碰撞游離。是氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增加的重要原因 由光輻射引起氣體原子或分子產(chǎn)生的游離，稱為光游離。 熱游離熱游離 因氣體分子熱狀態(tài)引起的游離稱為熱游離。實(shí)質(zhì)是碰撞游離和光游離，只是直接的能量來源不同。表面游表面游離離 放在氣體中的金屬電極表面游離出自由電子的現(xiàn)象稱為表面游離 光游離光游離子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 金屬表面游離所需能量獲得途徑 使金屬釋放出電子也需要能量，使電子克服金屬表面的

5、束縛作用，這個能量通常稱為逸出功逸出功。 強(qiáng)場發(fā)射短波光照射正離子撞擊陰極 正離子在電場中向陰極運(yùn)動，碰撞陰極時(shí)將動能傳遞給陰極中的電子可使其從金屬中逸出。在逸出的電子中，一部分可能和撞擊陰極的正離子結(jié)合成為分子，其余的則成為自由電子。在陰極附近加上很強(qiáng)的外電場時(shí)，電子從陰極表面拉出來，稱為強(qiáng)場發(fā)射或冷發(fā)射。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 帶電質(zhì)點(diǎn)受電場力的作用流入電極帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合 氣體發(fā)生放電時(shí)，除了不斷形成帶電質(zhì)點(diǎn)的游離過程外，還存在帶電質(zhì)點(diǎn)的消失過程。 帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是指帶電質(zhì)點(diǎn)從濃度較大的區(qū)域轉(zhuǎn)移到濃度較小的區(qū)域，從而使帶電質(zhì)點(diǎn)在空間各處的濃度趨于均勻的過程。擴(kuò)

6、散由熱運(yùn)動造成的。擴(kuò)散使放電通道中的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)減少，導(dǎo)致放電過程減弱或停止。帶正、負(fù)電荷的質(zhì)點(diǎn)相遇，發(fā)生電荷的傳遞、中和而還原成中性質(zhì)點(diǎn)的過程，稱為復(fù)合。強(qiáng)烈的游離區(qū)通常強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的光輻射，這個區(qū)的光亮度也就大。二、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失二、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)任務(wù)1.2.2均勻電場中氣體的擊穿過程均勻電場中氣體的擊穿過程 湯遜理論與巴申定律湯遜理論與巴申定律 流注理論流注理論 內(nèi)容子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 一、湯遜理論與巴申定律一、湯遜理論與巴申定律20世紀(jì)初英國物理學(xué)家湯遜在均勻電場、低氣壓、短間隙的條件下進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)

7、，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了解釋氣體放電過程的理論，稱為湯遜理論（電子崩理論）。湯遜理論（電子崩理論）。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 1均勻電場中氣體的伏安特性 圖1-2子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 在0UU1時(shí)，由于電壓升高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入電極的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)增加，電流隨電壓升高而升高 圖1-3在U1UU2時(shí)，電流趨于穩(wěn)定，由外界游離因素產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)全部落入電極。因產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)很少，所以電流極小，此時(shí)氣體間隙處于良好絕緣狀態(tài)。 在U2UUb時(shí)電流隨電壓而增加，這說明出現(xiàn)了新的游離因素，這就是電子的碰撞游離。 U=Ub時(shí)，間隙擊穿。Ub是該平板間隙的擊穿電壓。均勻電場中空氣間隙的擊

8、穿場強(qiáng)約為30kV(幅值)/cm。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 2.湯遜理論 圖1-4UU2時(shí)，假設(shè)外界游離因素作用下先使陰極附近出現(xiàn)了一個自由電子。此電子在電場的作用下加速，造成碰撞游離，于是出現(xiàn)一個正離子，兩個自由電子。兩個自由電子在電場中運(yùn)動又造成新的碰撞游離。電子數(shù)目將以20、21、22、2n的規(guī)律，如雪崩狀增加，這一現(xiàn)場現(xiàn)象稱為電子崩電子崩。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 當(dāng)外施電壓UUb時(shí)，若取消外界游離因素，電子崩會消失，電流也將消失，這類放電稱為非自持放電非自持放電 圖1-5子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 UUb時(shí)，由于場強(qiáng)足夠大，正離子撞擊陰極會發(fā)生表面

9、游離，釋放出的電子又會引起電子崩，這時(shí)氣體中的游離過程可只靠電場的作用自行維持，而不再需要外界游離因素，這就是自持放電。 圖1-6子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 3.巴申定律巴申定律 0.10.10.5 15 1050 1005001031510500.5pd (133Pacm)圖27 均勻電場中空氣間隙的Ubf（pd）曲線Ub（峰 值，kV ）Ub是pd的函數(shù)；是U性曲線，有極小值。對空氣，Ub的極小值約為325V。此極小值出現(xiàn)在pd76Pacm時(shí)，即極小值出現(xiàn)在低氣壓下。若d增加時(shí)電壓不變，則間隙中E下降，游離過程減弱，擊穿電壓增加。另外，若P增加，則電子自由行程縮短，電子不易積累能

10、量，從而游離減弱，也需要更高的電壓才能擊穿。在U形曲線的左半支，pd的下降主要指氣壓下降，而不是間隙距離d的縮短。若p下降，則電子平均自由行程加長，電子在兩次碰撞之間積累了足夠高的能量。雖然電子動能很大，但由于空氣密度太低，分子數(shù)量太少，碰撞次數(shù)太少，游離過程減弱，擊穿電壓升高。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 高氣壓或高真空都可提高擊穿電壓，工程上都已廣泛使用。真空度高到一定程度，所有電子都不引起碰撞游離而直接進(jìn)入陽極，擊穿電壓不會無限提高。這是因?yàn)殡妷荷仙揭欢ǔ潭群?，陰極表面的場強(qiáng)就足夠高，高得足以產(chǎn)生強(qiáng)場發(fā)射，而且高能電子撞擊陽極也可引起陽極表面材料的氣化，使高真空下的擊穿電壓上升

11、到一定程度后就很難再提高了。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 二、流注理論二、流注理論pd較大時(shí)，放電過程及現(xiàn)象出現(xiàn)了新的變化，因而在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了流注放電理論。流注理論認(rèn)為電子的碰撞游離和空間光游離是形成自持放電的主要因素，空間電荷對電場的畸變作用是產(chǎn)生光游離的重要原因。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 1空間電荷對電場的畸變作用在電場作用下電子在奔向陽極的過程中不斷引起碰撞游離，電子崩不斷發(fā)展。由于電子的運(yùn)動速度快，故電子總是位于電子崩的頭部。正離子的運(yùn)動速度比電子慢的多，可看作靜止不動。崩頭前方附近的場強(qiáng)得到了加強(qiáng) 正、負(fù)電荷交界處 場強(qiáng)被削弱 崩尾部分的場強(qiáng)加強(qiáng)

12、幅度小 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 2流注的形成和發(fā)展由外界游形成電子崩 當(dāng)電子崩走完整個間隙后，頭部空間電荷密度大，加強(qiáng)了尾部的電場，向周圍放射出光子 光子引起光游離，新形成的光電子在受到畸變而加強(qiáng)了的電場中，產(chǎn)生了新的電子崩，二次電子崩。 二次電子崩向主電子崩匯合，頭部的電子進(jìn)入主電子崩頭部的正空間電荷區(qū)，由于電場強(qiáng)度較小，所以電子大多形成負(fù)離子。大量的正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的混合通道，就是流注 流注頭部游離過程蓬勃發(fā)展，放出大量光子，繼續(xù)引起空光游離。在流注前方出現(xiàn)了新的二次電子崩，它們被吸引向流注頭部，延長了流注通道。 當(dāng)流注一旦達(dá)到陰極，將間隙接通，就形成了主放電，強(qiáng)大的電子流

13、通過流注，迅速向陽極運(yùn)動，互相摩擦產(chǎn)生了高溫，形成了熱游離，主放電通道迅速由陰極向陽極發(fā)展，到達(dá)陽極時(shí)間隙被擊穿 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 流注的形成及發(fā)展過程 UUb起始電子主電子崩外界游離因素碰撞游離圖210 流注形成及發(fā)展過程框圖電場畸變二次電子崩光游離流注通道電弧通道間隙擊穿匯合熱游離光子 圖1-10子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)任務(wù)1.2.3不均勻電場中氣體的擊穿過程不均勻電場中氣體的擊穿過程 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 一、稍不均勻電場和極不均勻電場中氣體一、稍不均勻電場和極不均勻電場中氣體 放電的特征放電的特征 稍不均勻電場稍不均勻電場中放電的特

14、點(diǎn)與均勻電場中相似，在間隙擊穿前看不到有什么放電的跡象。 極不均勻電場極不均勻電場中放電則不同，間隙擊穿前在高場強(qiáng)區(qū)（曲率半徑較小的電極表面附近）會出現(xiàn)藍(lán)紫色的暈光，并發(fā)出“咝咝”的響聲，稱為電暈放電。剛出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓稱為電暈起始電壓，隨著外施電壓的升高電暈層逐漸擴(kuò)大，此時(shí)間隙中放電電流也會從微安級增大到毫安級，但從工程觀點(diǎn)看間隙仍保持其絕緣性能。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 dUO4r8r112圖111 球間隙的電暈電壓、擊穿電壓與球間隙間距離的關(guān)系1擊穿電壓；2電暈起始電壓任何電極形狀隨著極間距離的增大都會從稍不均勻電場變?yōu)闃O不均勻電場。 當(dāng)d4r時(shí)，放電具有稍不均勻場間隙的特點(diǎn)

15、即擊穿電壓與電暈起始電壓是相同的 當(dāng)d8r時(shí)，放電具有極不均勻場間隙的特點(diǎn)，此時(shí)電暈起始電壓明顯低于擊穿電壓。 4rd8r放電過程不穩(wěn)定，擊穿電壓的分散性很大，屬于由稍不均勻變?yōu)闃O不均勻的過渡區(qū)。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 二、極不均勻電場中的電暈放電二、極不均勻電場中的電暈放電 極不均勻電場中，間隙中的最大場強(qiáng)與平均場強(qiáng)相差很大。距曲率半徑小的電極越近，場強(qiáng)越大。當(dāng)間隙上的電壓升高時(shí)，平均場強(qiáng)遠(yuǎn)未達(dá)到平均擊穿場強(qiáng)的情況下，曲率半徑小的電極附近空間的局部場強(qiáng)將首先達(dá)到足以引起強(qiáng)烈游離的數(shù)值，在這一局部區(qū)域內(nèi)形成自持放電，產(chǎn)生薄薄的藍(lán)紫色的電暈層，電暈層發(fā)光是由于伴隨著游離而存在的復(fù)

16、合以及由激發(fā)態(tài)回到正常態(tài)的反激發(fā)輻射光子造成的。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 電暈放電的不利影響 氣體放電過程中的光、聲、熱的效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等都要引起能量損耗 放電的脈沖現(xiàn)象會產(chǎn)生高頻電磁波，對無線電通訊造成干擾 電暈放電使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧、氮氧化物等產(chǎn)物，臭氧、氮氧化物等產(chǎn)物是強(qiáng)氧化劑和腐蝕劑，會對氣體中的固體介質(zhì)及金屬電極造成損傷或腐蝕 在高壓輸電線路上應(yīng)力求避免或限制電暈，特別是超高壓系統(tǒng)中，限制電暈引起的能量損耗和電磁波對無線電的干擾已成為必須加以解決的重要問題。電暈放電優(yōu)勢可降低輸電線路上的雷電或操作沖擊波的幅值和陡度 利用電暈原理來制造臭氧發(fā)生器、電除塵器等。子

17、情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 限制電暈最有效的方法限制電暈最有效的方法是改進(jìn)電極的形狀，增大電極的曲率半徑，例如采用擴(kuò)徑導(dǎo)線；在某些載流量不大的場合，可采用空心薄殼的、擴(kuò)大尺寸的球面或旋轉(zhuǎn)橢圓面等形式的電極。對于輸電線路，通常采用分裂導(dǎo)線法來防止電暈的產(chǎn)生，就是將每相輸電導(dǎo)線分裂為幾根導(dǎo)線組成，但總的截面積不變。分裂組合后的導(dǎo)線，相當(dāng)于增大了輸電導(dǎo)線的半徑，這樣可以使導(dǎo)線表面的電場強(qiáng)度減小，從而限制電暈的形成 。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 四分裂導(dǎo)線管形母線 112線路中的防暈措施（a）220kV管形母線；（b）500kV線路的四分裂導(dǎo)線(a)(b)子情境1.2氣體絕緣材料及其

18、擊穿特性 三、極不均勻電場中的極性效應(yīng)三、極不均勻電場中的極性效應(yīng)對于電極形狀不對稱的極不均勻電場間隙，如棒板間隙，棒的極性不同時(shí)，間隙的起暈電壓和擊穿電壓各不相同，這種現(xiàn)象稱為極性效應(yīng)極性效應(yīng)。極性效應(yīng)是不對稱的極不均勻電場所具有的特性之一。極性效應(yīng)是由于棒的極性不同時(shí)間隙中的空間電荷對外電場的畸變作用不同引起的。給棒板間隙上加直流電壓，無論棒的極性如何，間隙中的場強(qiáng)分布都是很不均勻的，棒極附近的場強(qiáng)很高，當(dāng)外加電壓達(dá)到一定值后，此強(qiáng)場區(qū)內(nèi)的氣體將首先發(fā)生游離。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖113 正棒負(fù)板間隙中空間電荷對外電場的畸變作用1外電場Eex；2考慮空間電荷電場Esp后的

19、電場分布(a)(b)(c)EspEspEexEOx21當(dāng)棒極為正時(shí)，間隙中出現(xiàn)的電子向棒極運(yùn)動，進(jìn)入強(qiáng)場區(qū)后引起碰撞游離，形成電子崩 電子崩發(fā)展到棒極時(shí)，其電子進(jìn)入棒極中和，留在棒極附近的為正空間電荷，它們以相對緩慢的速度向陰極運(yùn)動 正空間電荷使緊貼棒極附近的電場減弱，棒極附近難以形成流注，從而使自持放電難以實(shí)現(xiàn)，故其起暈電壓較高。而正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生的場強(qiáng)與外加電壓產(chǎn)生的場強(qiáng)方向一致，加強(qiáng)了朝向板極的電場，有利于流注向間隙深處發(fā)展，故其擊穿電壓較低。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖114 負(fù)棒正板間隙中空間電荷對外電場的畸變作用1外電場Eex；2考慮空間電荷電場Esp后的電場分

20、布(a)(b)(c)EspEspEexEOx21陰極附近的電子通過強(qiáng)場區(qū)形成電子崩 電子崩發(fā)展到強(qiáng)場區(qū)之外后，其電子不再引起碰撞游離，而以越來越慢的速度向陽極運(yùn)動，并大多形成負(fù)離子。這樣在棒極附近出現(xiàn)了比較集中的正空間電荷，間隙深處則是非常分散的負(fù)空間電荷 負(fù)空間電荷由于濃度小，對電場的影響不大，而正空間電荷卻使外加電壓產(chǎn)生的電場發(fā)生畸變，如圖214(c) 所示。棒極附近的場強(qiáng)得到了加強(qiáng)，容易形成自持放電，所以其起暈電壓較低。間隙深處的電場被削弱，使流注不易向前發(fā)展，因而其擊穿電壓較高。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 極性效應(yīng)使負(fù)棒正板間隙比正棒負(fù)板間隙更容易產(chǎn)生電暈；正棒負(fù)板間隙比負(fù)棒

21、正板間隙更容易被擊穿。結(jié)論結(jié)論子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 四、極不均勻電場中的放電發(fā)展過程四、極不均勻電場中的放電發(fā)展過程間隙距離較短時(shí)，當(dāng)外加電壓達(dá)到了間隙的擊穿電壓，棒極附近的強(qiáng)場區(qū)內(nèi)形成電子崩，并轉(zhuǎn)化為流注，當(dāng)流注發(fā)展到對面電極時(shí)，兩極間由流注所貫通，流注迅速轉(zhuǎn)化為電弧或火花放電，間隙即被擊穿。當(dāng)間隙距離較長時(shí)，在流注不足以貫穿兩極的電壓下，仍可發(fā)展成擊穿。此時(shí)將出現(xiàn)先導(dǎo)放電現(xiàn)象。具有熱游離過程、不斷伸長的通道稱為先導(dǎo)。先導(dǎo)加強(qiáng)了前方電場，引起新的流注，使先導(dǎo)通道向前逐漸伸長。當(dāng)電壓足夠高，先導(dǎo)貫穿兩極，導(dǎo)致主放電，間隙即被擊穿。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖115

22、正棒-負(fù)板間隙中先導(dǎo)通道的發(fā)展（a）先導(dǎo)通道和其頭部的流注mk；（b）流注頭部電子崩的形成；（c）mk由流注轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)和形成流注nm；（d）流注頭部電子崩的形成(d)(c)(b)(a)kmkmkmnkmn子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 五、不均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓五、不均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓1稍不均勻電場中的擊穿電壓電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高，其極限就是均勻電場中的擊穿電壓?！扒蚯颉遍g隙是典型的稍不均勻電場。兩球間距離與球的半徑比不大 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 2極不均勻電場中的擊穿電壓棒板和棒棒作為典型電極結(jié)構(gòu)。 （1）直流電壓下的擊穿電壓150

23、010005000123d （m ） Ub（kV ）負(fù)棒正板棒棒正棒負(fù)板因?yàn)榘舭糸g隙有一個棒極為正極性，放電容易由該棒極發(fā)展，所以其擊穿電壓比負(fù)棒正板的低。 因?yàn)榘舭糸g隙有兩個強(qiáng)場區(qū)，同等間隙距離下，電場均勻程度較棒板電極好，因此其擊穿電壓比正棒負(fù)板的高。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 （2）工頻電壓下的擊穿電壓280012004000123d（m） Ub（kV）圖117 空氣間隙的工頻擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系1棒板； 2棒棒； 3導(dǎo)線桿塔； 4導(dǎo)線導(dǎo)線12380016002000240045678 9 1012 1314411d2m,Ub 與 d出現(xiàn)明顯的飽和趨向，特別是棒板間隙 子情

24、境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)任務(wù)1.2.5雷電沖擊電壓下空氣的擊穿電壓雷電沖擊電壓下空氣的擊穿電壓 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 10.90.30.50T1T2t圖118 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形視經(jīng)過0.3Um和0.9Um兩點(diǎn)的直線構(gòu)成的斜角為波前 T1=（1.230%）s， muU半峰值時(shí)間T2=（5020%）s 一、標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形一、標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形沖擊電壓波形由波前時(shí)間T1及半峰值時(shí)間T2確定。還應(yīng)指出不接地電極相對于地的極性 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 uUmU0t0tstft1t0圖119 沖擊電壓下空氣間隙擊穿時(shí)間靜態(tài)擊穿電壓，長時(shí)間作用在間隙上

25、能使間隙擊穿的最低電壓 升壓時(shí)間t0 放電形成時(shí)延：從形成第一個有效電子的時(shí)刻起到間隙完全被擊穿的時(shí)間。統(tǒng)計(jì)時(shí)延：從電壓升到U0的時(shí)刻起到間隙中形成第一個有效電子的時(shí)間；指該電子能發(fā)展一系列的游離過程，最后導(dǎo)致間隙完全擊穿的那個電子。它的出現(xiàn)是一個隨機(jī)事件，與電壓的大小、間隙中光的照射強(qiáng)度等有關(guān) 放電時(shí)延 t1=ts+tf 二、放電時(shí)延二、放電時(shí)延子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 短間隙（1cm以下）中，特別是電場均勻時(shí)，tf遠(yuǎn)小于ts，放電時(shí)延實(shí)際上就等于統(tǒng)計(jì)時(shí)延。較長的間隙中，放電時(shí)延主要決定于放電形成時(shí)延 在電場比較均勻時(shí)，放電發(fā)展速度快，放電形成時(shí)延較短；在電場極不均勻時(shí)，放電發(fā)展

26、到弱電場區(qū)后速度較慢，放電形成時(shí)延較長。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 uUmU0t0圖120 Um超過U0的持續(xù)時(shí)間為T的沖擊電壓波形示意圖T三、三、50%沖擊擊穿電壓及沖擊系數(shù)沖擊擊穿電壓及沖擊系數(shù)放電時(shí)延t1比電壓超過U0所持續(xù)的時(shí)間T大時(shí)，間隙不擊穿；若放電時(shí)延t1比T小時(shí)，間隙擊穿。由于t1具有分散性，在間隙上多次施加同一電壓，有時(shí)擊穿，有時(shí)不擊穿。沖擊電壓幅值越大，T越大，擊穿概率越大。 工程上采用了擊穿概率為50%的沖擊電壓來表示絕緣耐受沖擊電壓的大小，用U50%表示。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 2沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)表示50%沖擊擊穿電壓U50%與靜態(tài)擊穿電壓U0的

27、比值，即 5 0 %0UU 對于均勻電場和稍不均勻電場，由于放電時(shí)延短，沖擊系數(shù)為1，即直流擊穿電壓、交流擊穿電壓峰值、50%沖擊擊穿電壓三者相等。擊穿通常發(fā)生在波形的峰值附近。對極不均勻電場，由于放電時(shí)延長，沖擊系數(shù)大于1。擊穿通常發(fā)生在波尾。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 1 伏秒特性的概念伏秒特性的概念用同一波形下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和間隙擊穿時(shí)間的關(guān)系來表示間隙的沖擊絕緣特性，此曲線稱為間隙的伏秒特性間隙的伏秒特性。四、伏秒特性四、伏秒特性子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 u0t321圖121 伏秒特性繪制方法2 伏秒特性的制定電壓較低時(shí)，擊穿發(fā)生在波尾。在擊穿前的瞬時(shí)，

28、電壓雖已從峰值下降到一定數(shù)值，但該電壓峰值仍是間隙擊穿過程中的主要因素，因此以該電壓峰值為縱坐標(biāo)，以擊穿時(shí)刻為橫坐標(biāo)，得點(diǎn)“1”、點(diǎn)“2”。電壓再升高，擊穿可能正好發(fā)生在波峰。電壓進(jìn)一步升高時(shí)，間隙可能在電壓尚未升到波形的峰值時(shí)就已經(jīng)被擊穿，如圖中的點(diǎn)“3”。這些相應(yīng)點(diǎn)連成一條曲線就是該間隙的伏秒特性。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 u0t圖122 實(shí)際的伏秒特性上包線由于放電時(shí)間具有分散性，所以在每級電壓下可得到一系列放電時(shí)間。實(shí)際上伏秒特性是以上、下包線為界的一個帶狀區(qū)域 下包線子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 3伏秒特性的應(yīng)用 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 u0t圖12

29、3 極不均勻電場S1和均勻電場S2的伏秒特性S1S2u0t圖124 兩個間隙的伏秒特性相交時(shí)的情況S1S2間隙S1的伏秒特性全面位于間隙S2的上方，在同一電壓下，S2將先于S1擊穿，S2就能可靠地保護(hù)S1不被擊穿。間隙S1和間隙S2的伏秒特性相交，在沖擊電壓峰值較低時(shí)，S2先于S1擊穿，對S1起保護(hù)作用；在高峰值沖擊電壓下，S1先于S2擊穿，S2不起保護(hù)作用。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)任務(wù)1.2.6操作沖擊電壓下空氣的擊穿電壓操作沖擊電壓下空氣的擊穿電壓 電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時(shí)，因狀態(tài)發(fā)生突然變化引起電感和電容回路的振蕩產(chǎn)生過電壓，稱為操作過電壓操作過電壓。(操作過電壓峰值

30、有時(shí)可高達(dá)相電壓的33.5倍) 。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 10.50T1T2t圖125 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波形muU波形的特征為：波前時(shí)間T1=250s，允許誤差為20%；半峰值時(shí)間T2=2500s，允許誤差為60%；峰值允許誤3%。 一、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波形一、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的波形子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 二、操作沖擊擊穿電壓的特點(diǎn)二、操作沖擊擊穿電壓的特點(diǎn) 操作沖擊電壓的作用時(shí)間介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間，因此在均勻或稍不均勻的空氣間隙中，操作沖擊50%放電電壓與雷電沖擊50%放電電壓、直流放電電壓、工頻放電電壓等幅值幾乎相同，分散性也較小，擊穿發(fā)生在峰值

31、附近。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 1操作沖擊電壓下?lián)舸┑腢形曲線形曲線2操作沖擊電壓下的極性效應(yīng)更加顯著3擊穿電壓具有明顯的飽和現(xiàn)象4擊穿電壓的分散性大極不均勻電場中，操作沖擊電壓的特點(diǎn) 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖126 棒板間隙的操作沖擊擊穿電壓波前時(shí)間T1（s）04008001200400800120016002000240015.2m(間隙距離)8.35m7m3.95m2.98m1m U50% （kV）2m正棒負(fù)板空氣間隙U形曲線中 50min345081UdmKV子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖127 操作沖擊電壓（500/5000s）作用下棒板及棒棒

32、空氣間隙的50%擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系0123456789100.51.01.52.0(+)棒-板()棒-板()棒-棒(+)棒-棒d（m）U50%（MV）子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)1.2.7提高氣體間隙擊穿場強(qiáng)的方法 一方面是改善電場分布，使之盡量均勻 另一方面是利用其他方法來削弱氣體中的游離過程 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 提高氣體間隙擊穿電壓的方法 1一、改進(jìn)電極形狀一、改進(jìn)電極形狀2二、極不均勻電場中屏障的采用二、極不均勻電場中屏障的采用3三、高氣壓的采用三、高氣壓的采用四、高真空的采用四、高真空的采用4五、高電氣強(qiáng)度氣體五、高電氣強(qiáng)度氣體（SF6）的采用的采

33、用5子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖128 改進(jìn)電極形狀調(diào)整電場球形屏蔽罩子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖129 直流電壓下棒板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91d1/d （d=8cm）204060801001201401601800負(fù)棒正板無屏障正棒負(fù)板無屏障正棒負(fù)板有屏障負(fù)棒正板有屏障屏障的最佳位置約在d1/d0.2 Ub（kV）屏障的作用在于屏障表面積聚的空間電荷，使屏障與板電極之間形成比較均勻的電場，從而使整個間隙的擊穿電壓提高 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 dd1屏障(a)Ex0無屏障有屏

34、障(b)圖130 正棒-負(fù)板間隙中屏障的作用示意圖（a）擊穿前屏障上電荷的積累；（b）屏障上電荷對間隙中電場分布的改善工頻電壓下，在棒板間隙中設(shè)置屏障可以顯著地提高擊穿電壓。雷電擊穿電壓下，屏障也可提高正棒負(fù)板間隙的擊穿電壓，但棒為負(fù)極時(shí)，屏障對擊穿電壓影響很小。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 任務(wù)任務(wù)1.2.8沿面放電沿面放電 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 支柱絕緣子懸式絕緣子套管圖131 生產(chǎn)中常見的幾類絕緣子絕緣子絕緣子是將處于不同電位的導(dǎo)體在機(jī)械上固定，在電氣上隔絕的一種使用數(shù)量極大的高壓絕緣部件。主要有套管、支柱絕緣子、懸式絕緣子等 。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊

35、穿特性 當(dāng)帶電體電位超過一定值時(shí)，常常在固體介質(zhì)和空氣的交界面上出現(xiàn)放電現(xiàn)象，這種沿著固體介質(zhì)表面的氣體發(fā)生的放電，稱為沿沿面放電面放電 。 當(dāng)其發(fā)展為貫穿性空氣擊穿時(shí)，稱為沿面閃沿面閃絡(luò)絡(luò)，簡稱閃絡(luò)。沿面閃絡(luò)電壓通常要比與閃絡(luò)路徑等長的空氣間隙的擊穿電壓低，而且受絕緣子表面狀況的影響很大。許多絕緣事故都是絕緣子的閃絡(luò)引起的。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖132 均勻電場中的固體介質(zhì)一、均勻電場中的沿面放電一、均勻電場中的沿面放電使固體介質(zhì)表面的氣體發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的電壓稱為固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 實(shí)際上放電總是發(fā)生在固體介質(zhì)

36、表面，而且沿實(shí)際上放電總是發(fā)生在固體介質(zhì)表面，而且沿固體表面的閃絡(luò)電壓比純空氣間隙的擊穿電壓固體表面的閃絡(luò)電壓比純空氣間隙的擊穿電壓要低得多。造成這種現(xiàn)象的主要原因如下：要低得多。造成這種現(xiàn)象的主要原因如下：l固體介質(zhì)表面會吸附氣體中的水分形成水膜. l介質(zhì)表面電阻不均勻和介質(zhì)表面有傷痕裂紋，也會畸變電場的分布，使閃絡(luò)電壓降低。l固體介質(zhì)與電極表面接觸不良，在它們之間存在氣隙，氣隙處場強(qiáng)大，極易發(fā)生游離，產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)到達(dá)介質(zhì)表面，會畸變原電場的分布，使閃絡(luò)電壓降低。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 二、極不均勻電場中的沿面放電二、極不均勻電場中的沿面放電1套管的沿面放電（電場具有強(qiáng)垂直分

37、量）隨著外施電壓的增高，在法蘭的邊緣先出現(xiàn)淺藍(lán)色的電暈放電電暈放電 進(jìn)一步升高電壓，放電形成平行向前伸展的許多細(xì)光線，稱為刷形放電刷形放電 當(dāng)電壓升到某臨界值時(shí)，某些細(xì)線的長度迅速增長，并轉(zhuǎn)變?yōu)檩^明亮的淺紫色的樹枝狀火花。這種放電很不穩(wěn)定，迅速改變放電路徑，并有爆裂聲響，這種放電稱為滑閃放電滑閃放電出現(xiàn)滑閃后，電壓只需要增加不多，放電火花就能延伸到另一電極，形成閃絡(luò)。放電過程放電過程子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 固體介質(zhì)（電工陶瓷）法蘭（接地極）圖133 220kV變壓器出線套管(a)套管；(b)剖面簡圖導(dǎo)電桿固體介質(zhì)法蘭(a)(b)導(dǎo)電桿導(dǎo)電桿（電極）（電極）子情境1.2氣體絕緣材料

38、及其擊穿特性 圖134 工頻電壓作用下沿面放電發(fā)展過程示意圖(a)電暈放電；(b)細(xì)絲狀輝光放電；(c)滑閃放電(a)(b)(c)子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 CCr2r2r1r1i1i2i3(a)(b)圖135 套管的電場分布及等效電路(a)電場示意圖；（b）套管等效電路電力線r1表示套管表面單位面積的表面電阻 r2表示單位面積的體積電阻 C表示單位面積與導(dǎo)電桿間的電容 套管滑閃放電現(xiàn)象:出現(xiàn)電暈放電;引起熱游離(是滑閃放電的特征 ) ;導(dǎo)致滑閃放電. 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 提高套管沿面閃絡(luò)電壓的方法提高套管沿面閃絡(luò)電壓的方法：（1）減小C值。如加大法蘭處套管外徑，或

39、采用瓷-油組合絕緣結(jié)構(gòu)。（2）減少法蘭附近瓷表面的電阻率。在此處涂半導(dǎo)體漆或上半導(dǎo)體釉，以改善電位分布。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 2、支柱絕緣子的沿面放電支柱絕緣子的沿面放電（電場具有弱垂直分量）（電場具有弱垂直分量）介質(zhì)表面的電場分布極不均勻，介質(zhì)表面電荷的堆積已不會再造成電場更大的改變。另外，支持絕緣子表面電場的垂直分量小，沿固體介質(zhì)表面沒有較大的電容電流流過，放電過程中不會出現(xiàn)熱游離現(xiàn)象，故沒有明顯的滑閃放電，因而垂直于放電發(fā)展方向的介質(zhì)厚度對放電電壓實(shí)際上沒有影響。 提高支柱絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的方法：提高支柱絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的方法：（1）增高支柱絕緣子，即加大極間距離。但

40、因支柱絕緣子表面電壓分布不均勻，閃絡(luò)電壓并不與高度成正比增加。（2）裝設(shè)均壓環(huán)。補(bǔ)償部分對地電容電流，改善電壓分布，以提高閃絡(luò)電壓。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 母線（電極）固體介質(zhì)（電工陶瓷）法蘭（接地極）圖136 35kV母線支柱絕緣子（a）35kV母線支柱絕緣子；（b）支柱絕緣子剖面簡圖電極電極固體介質(zhì)(a)(b)電力線子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 3懸式絕緣子串的沿面放電（電場具有弱垂直分量）懸式絕緣子串的表面電場的垂直分量也很小（與支柱絕緣子一樣），沿固體介質(zhì)表面也沒有較大的電容電流流過，放電過程中不會出現(xiàn)熱游離現(xiàn)象，故沒有明顯的滑閃放電，因而垂直于放電發(fā)展方向的介質(zhì)

41、厚度對放電電壓實(shí)際上沒有影響。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 絕緣子串（鋼化玻璃）均壓環(huán)四分裂導(dǎo)線圖137 500kV線路的絕緣子串子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 圖138 絕緣子串的電位分布（a）單片絕緣子串的對地電容CE和對導(dǎo)線電容CL；（b）各絕緣子上承受的電壓(a)(b)導(dǎo)線桿塔CECL1234567絕緣子序號 U絕緣子串兩端承受的電壓高，中間的電壓低，這是由于有雜散電容引起的。串中絕緣子數(shù)越多，電壓分布越不均勻，所以用增加絕緣子數(shù)來減小導(dǎo)線處絕緣子的電壓降并不是很有效。 子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 三、淋雨時(shí)絕緣子的沿面放電三、淋雨時(shí)絕緣子的沿面放電絕緣子表面狀

42、態(tài)不同時(shí)，其閃絡(luò)電壓也不同。絕緣子表面處于干燥、潔凈狀態(tài)下的閃絡(luò)電壓稱為干閃電壓，表面潔凈的絕緣子在淋雨時(shí)的閃絡(luò)電壓稱為濕閃電壓，一般濕閃電壓要比干閃電壓低。表面贓污的絕緣子在受潮情況下的閃絡(luò)電壓稱為污閃電壓。子情境1.2氣體絕緣材料及其擊穿特性 四、污穢時(shí)絕緣子的沿面放電四、污穢時(shí)絕緣子的沿面放電干燥情況下，絕緣子表面污穢層的電阻很大，對絕緣子的閃絡(luò)電壓幾乎沒有什么影響，但在大氣濕度較高或在毛毛雨、霧、露、雪等不利的大氣條件下，這些污穢層被濕潤時(shí)，含在污穢層中的電解質(zhì)成分會溶于水中，形成導(dǎo)電水膜，使絕緣子表面的泄漏電流顯著增大，閃絡(luò)電壓顯著降低。此同時(shí)干閃和濕閃在過電壓下才能發(fā)生，而污閃一般在工作電壓下就能發(fā)生，常