電高壓技術(shù)講解第三章氣隙的電氣強(qiáng)度

1、電高壓技術(shù)講解第三章 氣隙的電氣強(qiáng)度13.1 氣隙的擊穿時間(1).間隙擊穿要滿足二個條件a.一定的電壓幅值b.一定的電壓作用時間t0：外施電壓開始到達(dá)到靜態(tài)擊穿電壓U0（外施電壓）統(tǒng)計時延ts：施加U0后到出現(xiàn)一個能引起擊穿的初始電子崩所需的第一個有效自由電子放電形成時延tf：第一個有效自由電子到放電過程完成所需的時間放電時延：tl=ts+tf放電時間：t1U0t0tstft1tlUt0沖擊電壓作用下空氣間隙的擊穿2(2).統(tǒng)計時延ts 通常把電壓達(dá)間隙的靜態(tài)擊穿電壓Uo開始到間隙中出現(xiàn)第一個有效電子為止所需的時間。不均勻電場內(nèi)， ts小(3).放電形成時延tf從第一個有效電子到間隙完成擊穿

2、所需的時間,包括電子崩、流注到主放電的發(fā)展所需的時間。均勻電場內(nèi)， tf小。(4).放電時延tLtL=ts+tf3（5）氣體間隙在沖擊電壓作用下?lián)舸┧枞繒r間：t=t0+ts+tf其中：ts+tf 就是放電時延tL4氣隙的伏秒特性和擊穿電壓的概率分布1.電壓波形（1）直流電壓（2）工頻交流電壓（3）雷電沖擊電壓（4）操作沖擊電壓5雷電標(biāo)準(zhǔn)波形6幾個參數(shù)波頭時間T1：T1=(1.2 30%)s是經(jīng)過和兩點(diǎn)的直線構(gòu)成的視在斜角波前。7幾個參數(shù)波長時間:T2=(50 20%)s標(biāo)準(zhǔn)波形通常用符號 表示. 是經(jīng)過和波頭后兩點(diǎn)構(gòu)成的時間。8（4）操作沖擊電壓下間隙的擊穿特性 電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時

3、，因狀態(tài)發(fā)生突然變化引起電感和電容回路的振蕩而產(chǎn)生的過電壓。1 操作過電壓：波形對擊穿電壓有很大影響；在一定的波形下操作沖擊50擊穿電壓比工頻擊穿電壓還低（長間隙）。3 近來研究表明： 與工頻電壓的擊穿特性差別不大，其擊穿電壓介于雷電沖擊擊穿電壓和工頻擊穿電壓之間，一般可以引入某個操作沖擊系數(shù)把操作過電壓折算成等效工頻過電壓來考慮。2 過去的誤解：T1=250微秒+/ -20% T2=2500 微秒+/-60%4 操作沖擊電壓的的推薦波形為9操作沖擊電壓下?lián)舸┑腢形曲線操作沖擊擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其擊穿電壓與波前時間有關(guān)而與波尾時間無關(guān)；操作沖擊U50和波前時間的關(guān)系呈U形，在某一時間

4、（臨界波前時間）有極小值；出現(xiàn)擊穿場強(qiáng)極小值的波前時間隨著間隙距離的增大，臨界波前時間也增加。研究表明tU50%（臨界波前時間）棒-板空氣間隙的正極性操作沖擊U50%和波前時間的關(guān)系102. 伏秒特性(1) 定義 同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系曲線11 50%沖擊放電電壓U50%放電概率為50%時的沖擊放電電壓 50%沖擊放電電壓與靜態(tài)放電壓的比值稱為絕緣的沖擊系數(shù)pu擊u50%50%12(2) 曲線求取方法13(3) 電場均勻程度對曲線的影響 不均勻電場由于平均擊穿電場強(qiáng)度較低,而且流注總是從強(qiáng)場區(qū)向弱場區(qū)發(fā)展,放電速度受到電場分布的影響,所以放電時延

5、長,分散性大,其伏秒特性曲線在放電時間還相當(dāng)大時,便隨時間之減小而明顯地上翹,曲線比較陡. 均勻或稍不均勻電場則相反,由于擊穿時平均場強(qiáng)較高,流注發(fā)展較快,放電時延較短,其伏秒特性曲線較平坦.14均勻和不均勻電場的伏秒特性曲線15(4) 實際意義S1被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線，S2保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線16 為了使被保護(hù)設(shè)備得到可靠的保護(hù),被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線的上包線。(4) 實際意義173.3 大氣條件對氣體間隙擊穿電壓的影響1. 標(biāo)準(zhǔn)大氣條件大氣壓力 P0溫度 濕度 f0=11g/m3182. 相對密度的影響相對密度 p T 當(dāng)在到之間時,空

6、氣間隙的擊穿電壓U與成正比U= U03.3 大氣條件對氣體間隙擊穿電壓的影響193. 濕度的影響(1). 均勻或稍不均勻電場濕度的增加而略有增加,但程度極微,可以不校正(2). 極不均勻電場由于平均場強(qiáng)較低,濕度增加后,水分子易吸附電子而形成質(zhì)量較大的負(fù)離子,運(yùn)動速度減慢,游離能力大大降低,使擊穿電壓增大.因此需要校正.3.3. 大氣條件對氣體間隙擊穿電壓的影響204. 高度的影響隨著高度增加,空氣逐漸稀薄,大氣壓力及空氣相對密度下降,間隙的擊穿電壓也隨之下降.U=ka U0 3.3. 大氣條件對氣體間隙擊穿電壓的影響213.4 均勻電場和稍不均勻分散性小直流擊穿電壓工頻擊穿電壓50%沖擊擊穿

7、電壓 均勻電場中空氣的擊穿電壓經(jīng)驗公式d-間隙距離(cm) -空氣相對密度 稍不均勻電場 分散性小 直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓、50%沖擊擊穿電壓三者基本相等 擊穿電壓與電場的均勻度相關(guān)。越均勻，擊穿電壓越高 出現(xiàn)電暈，即會發(fā)展為擊穿 極性效應(yīng)3.5 極不均勻電場 波形影響大，分散性大，極性效應(yīng)明顯極性效應(yīng)：最高：負(fù)棒正板，平均擊穿場強(qiáng) 約為10kV/cm次高：棒棒，平均擊穿場強(qiáng) 約為4.85.0kV /cm最低：正棒負(fù)板，平均擊穿場強(qiáng) 約為（一） 直流擊穿電壓“棒棒”和“棒板”空氣氣隙的直流擊穿特性“棒棒”和“棒板”長間隙的直流擊穿特性 對于電極形狀不對稱的棒一板間隙，擊穿電壓與棒的極性有很

8、大的關(guān)系，這就是所謂的極性效應(yīng)。極性效應(yīng)是不對稱的不均勻電場中的一個明顯的特性。a 正極性棒+-+ + +-+ + +-+ + +-+ + + + + + +棒電極附近已有發(fā)展得相當(dāng)充分的電子崩。棒電極為正極性，電子崩中電子迅速進(jìn)入棒電極，正離子因其向板電極的運(yùn)動速度很慢而暫留在棒電極附近。正電荷削弱了棒電極附近的場強(qiáng)，加強(qiáng)了電荷的外部空間的電場。極性效應(yīng)26Ex0空間電荷遏制棒極附近的流注形成，從而使電暈起始電壓有所提高。電暈層容易擴(kuò)展而導(dǎo)致整個間隙的擊穿電壓降低。2.極性效應(yīng)a 正極性棒27總結(jié)分析：a.由于捧極附近積聚起正空間電荷，削弱了電離，使電暈放電難以形成，造成電暈起始電壓提高。b

9、.由于捧極附近積聚起正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生電場加強(qiáng)了朝向板極的電場，有利于流注發(fā)展，故降低了擊穿電壓。28b 負(fù)極性棒-+ + +-+ +-+ + +-+ + + + + + + - - -棒電極附近已有發(fā)展得相當(dāng)充分的電子崩。棒電極為負(fù)極性，電子崩中電子迅速擴(kuò)散并向板電極運(yùn)動，在間隙中濃度很小，而正離子緩慢向棒電極移動，因而在棒電極附近的空間正電荷的濃度很大。正電荷加強(qiáng)了棒電極附近的場強(qiáng)，削弱了電荷的外部空間的電場。2.極性效應(yīng)29Ex0空間電荷使棒極附近容易形成流注，從而使電暈起始電壓有所降低。電暈層不容易擴(kuò)展而導(dǎo)致整個間隙的擊穿電壓升高。2.極性效應(yīng)b 負(fù)極性棒30總結(jié)分析：a.棒附近

10、正空間電荷產(chǎn)生附加電場加強(qiáng)了朝向棒端的電場強(qiáng)度，容易形成自持放電，所以其電暈起始電壓較低。b.在間隙深處，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場與原電場方向相反，使放電的發(fā)展比較困難，因而擊穿電壓較高。31結(jié)論：在相同間隙下正捧-負(fù)板負(fù)捧-正板電暈起始電壓間隙擊穿電壓 高 低 低 高參閱P59圖3-5-5討論并分析波形32（二） 工頻擊穿電壓1.在棒-板間隙中，擊穿總是在棒為正的半周期內(nèi)，電壓達(dá)到幅值附近時發(fā)生2.工頻擊穿電壓稍低于直流電壓下的擊穿電壓 （這是由于前半周期留下的空間電荷對棒極前方的電 場有所加強(qiáng)的緣故）3.棒-棒間隙的擊穿電壓棒-板間隙的要高一些（這是由于棒-棒的電場更均勻一些） 4.擊穿電

11、壓具有“飽和現(xiàn)象”?！鞍舭簟焙汀鞍舭濉遍L氣隙的工頻擊穿特性 1棒棒 2棒板 在d2m，擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系出現(xiàn)“飽和”趨勢(三) 雷電沖擊50%擊穿電壓1.高于穩(wěn)態(tài)擊穿電壓（直流擊穿電壓或工頻擊穿電壓幅值）。 2.分散性較大。其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3%。3.擊穿通常發(fā)生在波尾。4.和間隙距離大致呈線性關(guān)系，即無飽和趨勢。 （因為作用時間短，間隙距離加大后，需要 提高先導(dǎo)發(fā)展速度才能完成放電，因此擊 穿電壓提高） (四) 操作沖擊50%擊穿電壓1.擊穿通常發(fā)生在波頭部分。2.擊穿電壓與波頭時間呈現(xiàn)出U形曲線。 （放電時延和空間電荷共同作用的結(jié)果）3.“飽和”效應(yīng)。 （形成先導(dǎo)后,放電易于發(fā)展）4.“

12、鄰近效應(yīng)” （電場分布情況對操作沖擊50%擊穿電壓影響很大 。當(dāng)接地物體靠近放電間隙時，會顯著減低正極 性擊穿電壓，稍微提高負(fù)極性擊穿電壓。）3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法一個是改善電場分布,使之盡量均勻;另一個是削弱氣體間隙中的游離因素.有兩個方法（途徑）:371. 改善電場分布的措施(1).改變電極形狀3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法38(2).利用空間電荷對電場的畸變作用3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法 在極不均勻電場中，在遠(yuǎn)低于間隙的擊穿電壓時就已經(jīng)發(fā)生電暈放電。在一定的條件下，可利用電暈電極所產(chǎn)生的空間來改善極不均勻電場中的電場分布，從而提高間隙的擊穿電壓。1. 改善電

13、場分布的措施39(3)極不均勻電場中采用屏障3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法1. 改善電場分布的措施40 當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15%-20%時，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達(dá)到無屏障時的2-3倍。3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法412.削弱游離因素的措施(1). 采用高氣壓 基本原理：氣壓提高減小動能減小U提高氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了撞擊電離的過程。 如高壓空氣斷路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等。3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法4210kV高壓標(biāo)準(zhǔn)介損器2.削弱游離因素的措施3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法43(2).采用高

14、真空 氣體間隙中壓力很低時，電子的平均自由行程已增大到極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度。 如真空電容器、真空斷路器等。2.削弱游離因素的措施3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法44真空電容器真空斷路器2.削弱游離因素的措施3.6. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法45(3).采用高耐電強(qiáng)度氣體 SF6氣體屬強(qiáng)電負(fù)性氣體,容易吸附電子成為負(fù)離子,從而削弱了游離過程，提高壓力后可相當(dāng)于一般液體或固體絕緣的絕緣強(qiáng)度。 SF6是一種無色、無味、無臭、無毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無腐蝕作用。它具有優(yōu)良的滅弧性能，其滅弧能力是空氣的100倍，故極適用于高壓斷路器中。2.削弱游離因素的措施3.6. 提

15、高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法46（二） 采用強(qiáng)電負(fù)性氣體鹵化物氣體電氣強(qiáng)度高1個大氣壓（二） 采用強(qiáng)電負(fù)性氣體鹵化物氣體電氣強(qiáng)度高的原因：1）具有很強(qiáng)的電負(fù)性，負(fù)離子即削弱電離， 又加強(qiáng)復(fù)合；2）分子量大，分子直徑大，電子的減小。3）電離過程伴隨離解過程，需要更多能量。 （二） 采用強(qiáng)電負(fù)性氣體選用鹵化物的原則：1 液化溫度要低，2 應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，3 經(jīng)濟(jì)上應(yīng)當(dāng)合理，價格便宜，能大量供應(yīng) 目前得到工程廣泛應(yīng)用的是SF6及SF6混合氣體提高氣隙沿面放電閃絡(luò)電壓的方法501. 絕緣子串的電壓分布511. 絕緣子串的電壓分布521. 絕緣子串的電壓分布53分析結(jié)果：a.絕緣子片數(shù)越多，電壓分布越不均勻b.靠近導(dǎo)線端第一個絕緣子電壓降最高，易產(chǎn)生電暈放電。在工作電壓下不允許產(chǎn)生電暈，故對330kv及以上電壓等級考慮使用均壓環(huán)1. 絕緣子串的電壓分布542. 絕緣子表面污穢時的沿面放電 戶外絕緣子，會