氣隙的電氣強度課件

1、第三章氣隙的電氣強度2022/8/1第三章氣隙的電氣強度3.1 氣隙的擊穿時間 最低靜態(tài)擊穿電壓U0 擊穿時間tb 升壓時間t0 、統(tǒng)計時延ts 、放電發(fā)展時間tf 、放電時延 tl 短間隙(1厘米以下) tfts ，平均統(tǒng)計時延 較長的間隙中 tl主要決定于tf間隙上外施電壓增加，放電發(fā)展時間也會減小 第三章氣隙的電氣強度3.2 氣隙的伏秒特性一. 電壓波形（一）直流電壓 直流試驗電壓大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脈動，紋波系數(shù)為脈動幅值與平均值之比。國家標準規(guī)定被試品上直流試驗電壓的紋波系數(shù)應不大于3。（二）工頻交流電壓 工頻交流試驗電壓應近似為正弦波，正負兩半波相同，其峰值與有效

2、值之比應在 以內。頻率一般在4565Hz范圍內。第三章氣隙的電氣強度 （ 三） 標準雷電沖擊電壓波 用來模擬雷電過電壓波，采用非周期性雙指數(shù)波。T1視在波前時間； T2視在半峰值時間 ；Um沖擊電壓峰值 國際電工委員會(IEC)和我國國家標準規(guī)定為：T1=1.2s 30% ；T2=50s20% 通常寫成1.2/50s。 （四） 標準雷電截波用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃落后出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖。IEC標準和我國國家標準規(guī)定為：T1=1.2s 30% ；Tc=25s 。可寫成1.2/ 25s .0.30.50.9100T1T2 u / Umt0.900.31 u / Um0T1Tct

3、第三章氣隙的電氣強度 （五） 標準操作沖擊電壓波 用來等效模擬電力系統(tǒng)中操作過電壓波，一般也用非周期性雙指數(shù)波。波前時間Tcr=250s20%；半峰值時間T2=2500s60% ?？蓪懗?50/2500s沖擊波。當在試驗中上述波形不能滿足要求時，推薦采用100/2500s 和 500/2500s 沖擊波。此外還建議采用一種衰減震蕩波下右圖，第一個半波的持續(xù)時間在20003000s之間，極性相反的第二個半波的峰值約為第一個半波峰值的80% 0.510 u / UmTcrT2tu0UmTcrtTcr=1000 1500us標準操作沖擊電壓波第三章氣隙的電氣強度二、伏秒特性 氣隙的伏秒特性在同一波形

4、，不同幅值的沖擊電壓作用下，氣隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關系，稱為該氣隙的伏秒特性。50%沖擊擊穿電壓 （U50% )指某氣隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。第三章氣隙的電氣強度（一）伏秒特性曲線的制作保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級升高電壓，以電壓為縱坐標，時間為橫坐標電壓較低時，擊穿一般發(fā)生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時刻，得到相應的點電壓較高時，擊穿一般發(fā)生在波頭，取擊穿時刻的電壓值及該時刻，得到相應的點u0t123第三章氣隙的電氣強度 實際上伏秒特性具有統(tǒng)計分散性，是一個以上下包線為界的帶狀區(qū)域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲線”來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性。U50%u0

5、t2313-U0%2-U50%1-U100%第三章氣隙的電氣強度（二）伏秒特性的用途間隙伏秒特性的形狀決定于電極間電場分布伏秒特性對于比較不同設備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義 3-2-6 對1 起保護作用 3-2-7在高幅值沖擊電壓作用下，不起保護作用第三章氣隙的電氣強度三. 氣隙擊穿電壓的概率分布 氣隙擊穿的幾率分布接近正態(tài)分布，通?？梢杂肬50%和變異系數(shù)Z來表示。100%的耐受電壓是很難測的（要做無窮次的實驗），實際中常用很高耐受幾率(例如99以上)的電壓作為耐受電壓。第三章氣隙的電氣強度 由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件會影響空氣的密度、電子自由行程長度、碰撞電離及附著過程，影響氣隙

6、的擊穿電壓Ub。 一、 我國的國家標準所規(guī)定的標準大氣條件為： 壓力 p0 =101.3kpa； 溫度 t0 =20 或 T0 = 293K； 絕對濕度 hc =11g / m3 。3.3大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響 第三章氣隙的電氣強度二、大氣條件對擊穿電壓影響 氣隙的擊穿電壓隨大氣密度或濕度的增加而升高 原因： 大氣密度升高而擊穿電壓升高：隨著空氣密度的增大，氣體中自由電子的平均自由程縮短了，不易造成撞擊電離。 濕度的增加而擊穿電壓升高：水蒸汽是電負性氣體，易俘獲自由電子形成負離子，使自由電子的數(shù)量減少，阻礙了電離的發(fā)展。第三章氣隙的電氣強度式中: U 實際試驗條件下的氣隙擊穿電壓 U0

7、標準大氣條件下的氣隙擊穿電壓 Kd空氣密度校正因數(shù) Kh濕度校正因數(shù)第三章氣隙的電氣強度 一、對空氣密度的校正第三章氣隙的電氣強度 在均勻和稍不均勻電場中，放電開始時，整個氣隙的電場強度都很大，電子運動速度較快，不易被水分子俘獲，因而濕度影響不太明顯 在極不均勻電場中，濕度影響就很明顯了，可用下面的濕度校正因數(shù)來校正 Kh = KW 指數(shù)W之值取決于電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性。具體值亦可參考有關國家標準 二、對濕度的校正第三章氣隙的電氣強度 我國國家標準規(guī)定：對于安裝在海拔高于1000m 、但不超過4000m 處的電力設施外絕緣，在 1000m以下試驗時其試驗電壓U 應為平原地區(qū)外絕

8、緣的耐受電壓Up 乘以海拔校正因數(shù)Kn ， U = Ka Up式中 H安裝點的海拔高度，m。 三、對海拔的校正第三章氣隙的電氣強度3.4 較均勻電場氣隙的擊穿電壓均勻電場特點： 起始放電電壓就等于氣隙的擊穿電壓， 擊穿電壓與電壓極性無關 空氣的擊穿電壓(峰值) 的經驗公式為 式中 S 間隙距離（cm） 空氣相對密度電氣強度（峰值）大致等于30kV/cm 第三章氣隙的電氣強度2. 稍不均勻電場中的擊穿電壓不能形成穩(wěn)定的電暈放電電場不對稱時，極性效應不很明顯 直流、工頻下的擊穿電壓(幅值)以及50沖擊擊穿電壓都相同，擊穿電壓的分散性也不大擊穿電壓和電場均勻程度關系極大，電場越均勻，同樣間隙距離下的

9、擊穿電壓就越高 球球間隙，球板間隙，同軸圓柱間隙 第三章氣隙的電氣強度影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離選擇電場極不均勻的極端情況典型電極來研究 棒(尖)板 ：電場分布不均勻、不對稱 棒(尖)棒(尖) ：電場分布不均勻、對稱 直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差別比較明顯，分散性較大，且極性效應顯著 工程上，擊穿電壓可以參照與接近的典型氣隙的擊穿電壓來估計3.5 不均勻電場氣隙的擊穿電壓第三章氣隙的電氣強度1. 直流電壓下的擊穿電壓棒板間隙：棒具有正極性時，平均擊穿場強約為4.5kV/cm；棒具有負極性時約為l0kV/cm棒棒間隙的平均擊穿場強約為5.4kV/cm極性效應：第三章氣隙的電氣強度2. 工

10、頻電壓下的擊穿電壓 擊穿在棒的極性為正、電壓達到幅值時發(fā)生 除了起始部分外，擊穿電壓和距離近似直線關系 棒棒3.8kV/cm，棒板低：極性效應“飽和現(xiàn)象” ：距離加大，平均擊穿場強明顯降低，棒板間隙尤為嚴重 d1m， 5 kV/cm dlm，2 kV/cm圖3-5-2 棒棒和棒和板空氣間隙的 工頻擊穿電壓與間隙距離的關系第三章氣隙的電氣強度結論:氣隙較大時（S大于2.5m），擊穿電壓與距離關系出現(xiàn)了明顯的飽和趨向，特別是棒板氣隙，其飽和趨向更明顯。第三章氣隙的電氣強度圖3-5-4 氣隙的沖擊擊穿電壓與距離的關系3雷電沖擊電壓下第三章氣隙的電氣強度4 .操作沖擊電壓下極不均勻電場中的操作擊穿有許

11、多特點第三章氣隙的電氣強度特點極性效應 極不均勻電場中同樣有極性效應。正極性下50擊穿電壓比負極性下低，所以也更危險 電場分布的影響 “鄰近效應” ：接地物體靠近放電間隙會顯著降低其正極性擊穿電壓，但能多少提高一些負極性擊穿電壓 電極形狀對間隙的擊穿電壓也有很大影響 第三章氣隙的電氣強度3.波形的影響 在一定的波前時間范圍內，U50 甚至會比工頻擊穿電壓低 ，呈現(xiàn)出 “形曲線” 對應于極小值的波前時間隨著間隙距離加大而增加，對7m以下的間隙，大致在50200s之間放電時延和空間電荷(形成及遷移)這兩類不同因素的影響所造成的 第三章氣隙的電氣強度分散性大 對于波前時間在數(shù)十到數(shù)百微秒的操作沖擊電

12、壓，極不均勻電場間隙50擊穿電壓的標準偏差約為5；波前時間超過1000s以后，可達8左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為3） “飽和”現(xiàn)象 和工頻電壓下類似，極不均勻電場中操作沖擊50擊穿電壓和間隙距離的關系具有明顯的“飽和”特征（雷電沖擊50擊穿電壓和距離大致呈線性關系 ） 第三章氣隙的電氣強度50擊穿電壓極小值的經驗公式 式中 d 間隙距離，m上式對于2 20m的長間隙和試驗結果很好地符合第三章氣隙的電氣強度3.6 提高氣體間隙擊穿電壓的措施兩個途徑： 一、改善電場分布，使之盡量均勻 改進電極形狀 利用空間電荷畸變電場的作用 二、利用其它方法來削弱氣體中的電離過程 第三章氣隙的電氣強度(一）改

13、善電場分布 增大電極曲率半徑（簡稱屏蔽） 減小表面場強。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩；采用擴徑導線等改善電極邊緣 電極邊緣做成弧形使電極具有最佳外形 如穿墻高壓引線上加金屬扁球第三章氣隙的電氣強度（二） 高真空的采用削弱間隙中的碰撞電離過程，從而顯著增高間隙的擊穿電壓 高真空中擊穿機理發(fā)生了改變：撞擊電離的機制不起主要作用，而擊穿與強場發(fā)射有關應用：真空斷路器中用作絕緣和滅弧。第三章氣隙的電氣強度（三）高氣壓的采用 減小電子的平均自由行程，削弱電離過程例：大氣壓力下空氣的電氣強度僅約為變壓器油的1/51/8，提高壓力至11.5MPa，空氣的電氣強度和一般的液、固態(tài)絕緣材料如變壓器油、電瓷、云母

14、等的電氣強度相接近 壓縮空氣絕緣及其它壓縮氣體絕緣在一些電氣設備中已得到采用如：高壓空氣斷路器、高壓標準電容器等第三章氣隙的電氣強度均勻電場中的擊穿電壓在一定的壓力范圍內，擊穿場強的提高遵循巴申定律，并且擊穿場強大致和氣壓成正比 大約從1MPa開始，實驗結果和巴申定律的分歧就逐漸明顯了 第三章氣隙的電氣強度不均勻電場中的擊穿電壓不均勻電場中提高氣壓后，間隙的擊穿電壓也將高于大氣壓強下的數(shù)值在高氣壓下，電場均勻程度對擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著得多，電場均勻程度下降，擊穿電壓將劇烈降低第三章氣隙的電氣強度含鹵族元素的氣體化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其電氣強度比空

15、氣的要高很多。稱為高電氣強度氣體 （四）高電氣強度氣體的采用第三章氣隙的電氣強度 鹵化物氣體電氣強度高的原因 1由于含有鹵族元素，氣體具有很強的電負性，氣體分子容易和電子結合成為負離子，削弱電子的碰撞電離能力，同時又加強復合過程氣體的分子量比較大，分子直徑較大，電子在其中的自由行程縮短，不易積聚能量，從而減少其碰撞電離能力電子和這些氣體的分子相遇時，還易于引起分子發(fā)生極化等過程，增加能量損失，從而減弱其碰撞電離能力第三章氣隙的電氣強度對高電氣強度氣體的要求1液化溫度要低，采用高電氣強度氣體時，常常同時提高壓力，以便更大程度的提高間隙的擊穿電壓，縮小設備的體積和重量。所以這些氣體的液化溫度要低，以便在較低的運行溫度下，還能施加相當?shù)膲毫?應具有良好的化學穩(wěn)定性，不易腐蝕設備中的其它材料，無毒，不會爆炸，不易燃燒，即使在放電過程中也不易分解等3經濟上應當合理，價格便宜，能大量供應 第三章氣隙的電氣強度（五） SF6氣體的應用目前工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6