高電壓第2章氣體介質(zhì)的電氣強度

高電壓工程基礎(chǔ)第2章氣體介質(zhì)的電氣強度

2.1氣隙的擊穿時間和伏秒特性2.2均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性2.3大氣條件對擊穿的影響

2.4提高氣體間隙擊穿電壓的措施2.5沿面放電

1/14/2023臨界擊穿電壓

統(tǒng)計時延：從外施電壓達Uo時起，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電子所需時間放電發(fā)展時間：從出現(xiàn)第一個有效自由電子時起，到放電過程完成所需時間，即電子崩的形成和發(fā)展到流注等所需的時間高電壓技術(shù)2.1氣隙的擊穿時間和伏秒特性2.1.2氣隙的擊穿時間1/14/2023放電時延：在短氣隙中，全部放電時延實際上就是統(tǒng)計時延。統(tǒng)計時延具有概率性質(zhì)，取其平均值，稱為平均統(tǒng)計時延。其影響因素為：①電極材料；②外施電壓；③短波光照射；④電場情況。高電壓技術(shù)在較長氣隙中，放電時延決定于放電發(fā)展時間。影響放電發(fā)展時間的因素為：①間隙長度；②電場均勻度；③外施電壓氣隙擊穿時間：1/14/20232.1.2氣隙的伏秒特性沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形：T1=1.2μs±30％，T2=50μs±20％對于不同極性：+1.2/50μs或-1.2/50μs作沖擊波的波形：T1=250μs±20％，T2=2500μs±60％對于不同極性：+250/2500μs或-250/2500μs

波前時間半峰值時間高電壓技術(shù)1/14/2023沖擊電壓發(fā)生器1/14/2023

伏秒特性伏秒特性：在同一沖擊電壓波形下，擊穿電壓值與放電時延（或電壓作用時間）有關(guān)的特性。用實驗確定間隙伏－秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變，逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時間t。擊穿發(fā)生在波前或峰值，取此刻值擊穿發(fā)生在波尾，取峰值100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%沖擊擊穿電壓高電壓技術(shù)1/14/2023沖擊放電伏秒特性的應(yīng)用為了使被保護設(shè)備得到可靠的保護,被保護設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護設(shè)備的伏秒特性曲線的上包線。

S1：被保護設(shè)備S2：保護設(shè)備1/14/2023電氣設(shè)備絕緣的伏－秒特性和避雷器的伏－秒特性（a）正確配合（b）不正確配合絕緣的伏－秒特性避雷器的伏－秒特性高電壓技術(shù)1/14/2023

50％擊穿電壓及沖擊系數(shù)50％擊穿電壓多次施加電壓時,有半數(shù)會導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷褐礥b50。2.沖擊系數(shù)同一間隙的50％沖擊擊穿電壓與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓U0之比

。高電壓技術(shù)1/14/2023高電壓技術(shù)2.2.1較均勻電場氣隙的擊穿電壓均勻電場中的擊穿特點：（1）均勻電場中電極布置對稱，擊穿無極性效應(yīng)；（2）均勻場間隙中各處電場強度相等，擊穿所需時間極短，其直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值、50%沖擊擊穿電壓相同；（3）擊穿電壓的分散性很小。2.2較均勻電場氣隙的擊穿電壓1/14/2023稍不均勻電場中的擊穿（1）球間隙（eg：高壓實驗室中的測量球隙）d<D/4時，電場均勻，直流、交流和沖擊電壓擊穿電壓相同；d>D/4時，電場不均勻程度增大，擊穿場強下降，出現(xiàn)極性效應(yīng)；球隙測壓器的工作范圍d≤D/2；否則因放電分散性增大，不能保證測量的精度。高電壓技術(shù)1/14/2023（2）同軸圓柱電極（eg：高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器、單芯電纜、GIS分相母線）（1）r/R<0.1時，極不均勻電場，擊穿前先出現(xiàn)電暈，且Ub的值很低，因此上述電氣設(shè)備均不設(shè)計在這一r/R范圍內(nèi)。（2）r/R>0.1時，稍不均勻電場，擊穿前不出現(xiàn)電暈，且由圖可見，當(dāng)r/R≈0.33時擊穿電壓出現(xiàn)極大值（上述電氣設(shè)備在絕緣設(shè)計時盡量將r/R選取0.25~0.4的范圍內(nèi)）。高電壓技術(shù)GIS1/14/2023（3）其他形狀的電極布置球狀電極的電場不均勻系數(shù)大于相同半徑的圓柱電極；間隙距離增大時，電場不均勻系數(shù)也增大。高電壓技術(shù)1/14/20232.2.2不均勻電場中的氣隙擊穿電壓高電壓技術(shù)

直流電壓作用下、工頻電壓作用下的沖擊電壓尖－板和尖－尖空氣間隙的直流擊穿電壓棒－棒和棒－板空氣間隙的工頻擊穿電壓（有效值）1/14/2023

操作沖擊電壓下?lián)舸┑腢形曲線（1）長空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其擊穿電壓僅與波前時間有關(guān)。（2）當(dāng)波前時間tf為100～300μs時，擊穿場強出現(xiàn)極小值。出現(xiàn)極小值的波前時間隨間隙距離的增加而增大。波前時間上升很快時，放電時延減小，要求更高的擊穿電壓。波前時間上升很慢時，極不均勻電場中長氣隙中的沖擊電暈和空間電荷層都有足夠時間形成和發(fā)展，使棒極附近的電場變得較小，改善了間隙中電場分布，擊穿電壓提高。棒－棒導(dǎo)線－板工頻擊穿場強高電壓技術(shù)超高壓輸電系統(tǒng)，電力設(shè)備的絕緣設(shè)計應(yīng)采用操作過電壓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。1/14/2023

操作沖擊電壓的推薦波形a.T1/T2=250(±20％)/2500(±60％)μsb.振蕩操作波

長空氣間隙在操作沖擊電壓下的擊穿強度特點：（1）長間隙的雷電沖擊擊穿電壓遠(yuǎn)比操作沖擊擊穿電壓要高；（2）間隙長度超過5m時呈現(xiàn)飽和趨勢。（3）間隙距離越大，“2”與“3”的擊穿電壓的差別越大。雷電沖擊操作沖擊最小擊穿電壓高電壓技術(shù)1/14/20232.3大氣密度和濕度對擊穿的影響

大氣校正因數(shù)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，利用校正因數(shù)可將測得的放電電壓值換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（t0＝20℃，p0＝101.3kPa，h0＝11g/m3）的電壓值，或?qū)?biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下規(guī)定的試驗電壓值換算為試驗條件下的電壓值。1.空氣密度校正系數(shù)2.濕度校正因素高電壓技術(shù)1/14/20232.指數(shù)m和W高電壓技術(shù)1/14/20232.4提高氣隙擊穿電壓的措施

改善電場分布的措施（1）改變電極形狀

例如采用屏蔽罩、擴徑導(dǎo)線等增大電極曲率半徑，或改善電極邊緣形狀以消除邊緣效應(yīng)。長空氣間隙的交流擊穿電壓棒－板棒－棒導(dǎo)線－桿塔支柱導(dǎo)線－導(dǎo)線高電壓技術(shù)1/14/2023（2）利用空間電荷對原電場的畸變作用

例如利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場間隙中電場分布，從而提高間隙的擊穿電壓。但應(yīng)該指出，上述細(xì)線效應(yīng)只存在于一定的間隙距離范圍之內(nèi)，間隙距離超過一定值，細(xì)線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，使擊穿電壓與尖－板或尖－尖間隙的相近了。另外，此種提高擊穿電壓的方法僅在持續(xù)作用電壓下才有效，在雷電沖擊電壓下并不適用。高電壓技術(shù)1/14/2023（3）極不均勻電場中屏障的使用

正尖－板間隙中屏障的作用

屏障靠近尖電極或板電極時，屏障效應(yīng)消失，正、負(fù)極性下出現(xiàn)很大差別。

直流電壓下尖－板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系屏障應(yīng)靠近尖電極，使比較均勻的電場區(qū)擴大。但離尖電極過近時，屏障上空間電荷的分布將變得不均勻而使屏障效應(yīng)減弱，因此屏障有一最佳位置。高電壓技術(shù)1/14/2023

高真空的采用擊穿電壓擊穿場強真空中擊穿機理：強場發(fā)射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過熱并釋放出氣體，發(fā)生金屬氣化，破壞了真空，故引起擊穿。高電壓技術(shù)真空中提高氣隙的擊穿電壓原理：采用高度真空，消弱氣隙中的撞擊電離過程，提高了擊穿電壓。1/14/2023在完全相同的實驗條件下，擊穿電壓隨電極材料熔點的提高而增大，因為強場發(fā)射電流達到臨界電流密度，致使金屬微細(xì)突起物迅速熔化成金屬蒸氣導(dǎo)致?lián)舸?。稍不均勻電場中高真空的直流擊穿電壓與電極材料的關(guān)系鋅鋁銅鋼高電壓技術(shù)1/14/2023電極材料與電極溫度對高真空交流擊穿電壓的影響對電極采取冷卻措施具有與提高電極材料熔點相同的效果，也可使擊穿電壓提高。銅電極T＝293K銅電極T＝80K鋼電極T＝293K高電壓技術(shù)1/14/2023

高氣壓的采用均勻電場中幾種絕緣介質(zhì)的擊穿電壓與距離的關(guān)系1－2.8MPa的空氣2－0.7MPa的SF63－高真空4－變壓器油5－0.1MPa的SF66－大氣高電壓技術(shù)1/14/2023

強電負(fù)性氣體的應(yīng)用（1）SF6和一些氟里昂氣體屬于強電負(fù)性氣體，其絕緣強度比空氣高得多，因此用于電氣設(shè)備時其氣壓不必太高，使設(shè)備的制造和運行得以簡化。（2）氟里昂12（CCI2F2）的絕緣強度與SF6相近，其液化溫度也可滿足戶內(nèi)設(shè)備的條件，但為保護大氣中的臭氧層，國際上早已將氟里昂12列入第一批需限制和禁用的氟里昂。（3）SF6的價格較高，用于斷路器時（氣壓在0.7MPa左右）液化溫度不能滿足高寒地區(qū)要求，在工程應(yīng)用中有時采用SF6混合氣體。已得到應(yīng)用的混合氣體是SF6-N2混合氣體，通常其混合比在50%∶50%左右，其液化溫度能滿足高寒地區(qū)要求，絕緣強度約為純SF6的85％左右。（4）SF6氣體溫室效應(yīng)相當(dāng)于CO2的23900倍，且SF6氣體不會自然分解，在大氣中壽命長達3200年。因此目前的技術(shù)發(fā)展趨勢是在SF6用氣量大的氣體絕緣管道輸電線中改用SF6含量較小的N2-SF6混合氣體（SF6的含量為20％時，混合氣體的絕緣強度為純SF6的75％左右）。高電壓技術(shù)1/14/2023LW30-126(T)/T3150-40高壓SF6罐式斷路器

SF6應(yīng)用示例1/14/2023LW30–550/Y5000-63高壓SF6罐式斷路器

SF6應(yīng)用示例1/14/2023ZF10-126(L)/T3150-40型共箱式組合電器（GIS）

SF6應(yīng)用示例1/14/20232.5氣隙的沿面放電沿著氣體與固體（液體）介質(zhì)的分界面上發(fā)展的放電現(xiàn)象稱為氣隙的沿面放電。沿面放電發(fā)展到貫穿兩極，使整個氣隙沿面擊穿，稱為閃絡(luò)。沿面閃絡(luò)電壓比氣體或固體（液體）單獨作為絕緣介質(zhì)的擊穿電壓都低，受表面狀態(tài)、空氣污穢度、氣候條件等因素影響較大。沿面放電的概念1/14/2023界面電場分布的典型情況（1）固體介質(zhì)處于均勻電場中，且界面與電力線平行，如圖（a）。（2）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電力線垂直于界面的分量比平行于表面的分量要大得多，如圖(b)。例如，穿墻套管。（3）固體介質(zhì)處極不均勻電場中，電場強度平行于界面的分量要比垂直分量大，如（c）。例如，支柱絕緣子高電壓技術(shù)1/14/2023穿墻套管支柱絕緣子1/14/20232.5.1均勻電場中的沿面放電沿面放電：均勻電場中，固體介質(zhì)的引入并不影響電極間的電場分布，但放電總是發(fā)生在界面，且閃絡(luò)電壓比空氣間隙的擊穿電壓要低得多。不同介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓空氣間隙石蠟瓷與電極接觸不緊密的瓷原因：（1）固體介質(zhì)與電極吻合不緊密，存在氣隙。（2）固體介質(zhì)表面吸潮而形成水膜。（3）介質(zhì)表面粗糙，也會使電場分布畸變，從而使閃絡(luò)電壓降低。高電壓技術(shù)1/14/20232.5.2極不均勻電場中垂直分量很強時的沿面放電

（d）套管表面電容沿套管表面放電的示意圖（a）電暈放電（b）細(xì)線狀輝光放電（c）滑閃放電高電壓技術(shù)1/14/2023從輝光放電到滑閃放電的機理輝光放電的火花細(xì)線中引碰撞電離而存在大量帶電粒子；在很強的電場垂直分量作用下，緊貼固體介質(zhì)表面運動，使某些地方發(fā)生局部溫度升高；當(dāng)電壓增大到使局部溫升引起熱電離時，火花通道內(nèi)的帶電粒子數(shù)劇增、電阻驟降、亮度增大，火花通道頭部的電場強度變得很大，火花通道迅速向前延伸，這就是滑閃放電。當(dāng)火花放電的一只短接了兩個電極時，即出現(xiàn)沿面閃絡(luò)。1/14/2023提高套管的電暈起始電壓和滑閃放電電壓的方法：（1）減小比電容，例如增大固體介質(zhì)的厚度，特別是加大法蘭處套管的外徑；也可采用介電常數(shù)較小的介質(zhì)，例如用瓷－油組合絕緣代替純瓷介質(zhì)。（2）減小絕緣表面電阻，即減小介質(zhì)表面電阻率。例如在套管靠近接地法蘭處涂半導(dǎo)體釉；在電機絕緣的出槽口部分涂半導(dǎo)體漆等。介質(zhì)表面的電壓分布高電壓技術(shù)1/14/20232.5.3極不均勻電場中垂直分量很弱時的沿面放電沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓的差別比前述兩種電場情況都要小得多。由于界面上電場垂直分量很弱，不會出現(xiàn)熱電離和滑閃放電。這種情況下，為提高沿面放電電壓，主要從改進電極形狀以改善電極附近的電場著手。沿不同材料圓管表面的工頻閃絡(luò)電壓峰值1－空氣隙擊穿2－石蠟3－膠紙4－瓷和玻璃高電壓技術(shù)1/14/2023330kV絕緣子柱高電壓技術(shù)1/14/2023絕緣子串的等效電路及各絕緣子承受的電壓（a）只考慮對地電容CE（b）只考慮對導(dǎo)線電容CL（c）同時考慮CE及CL高電壓技術(shù)1/14/20232.5.4固體介質(zhì)表面有水膜時的沿面放電高電壓技術(shù)支柱絕緣子在雨下的可能閃絡(luò)途徑可能閃絡(luò)途徑:

在第一種情況下，工業(yè)區(qū)的雨水濕閃電壓只有干閃電壓的40%～50%；如果雨水電導(dǎo)率更大，濕閃電壓會更底。在第二種情況，空氣間隙中只有分散的雨滴，雨水電導(dǎo)率沒有多大影響，濕閃電壓降低不多。第三中情況只有傾盆大雨時才出現(xiàn)，直接被雨水短接，濕閃電壓降低到很低數(shù)值。1/14/2023光滑瓷柱的干閃和濕閃電壓干閃濕閃1/14/20232.5.5絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電污閃：戶外絕緣子常會受到工業(yè)污穢或自然界鹽堿、飛塵等污染。干燥情況下，對閃絡(luò)電壓沒多大影響。但當(dāng)絕緣子表面污層被濕潤，其表面電導(dǎo)劇增使絕緣子泄漏電流急劇增加。絕緣子的閃絡(luò)電壓（污閃電壓）大大降低，甚至有可能在工作電壓下發(fā)生閃絡(luò)。絕緣子閃絡(luò)電壓與污染程度（以單位面積的污量表示）的關(guān)系絕緣子工作電壓高電壓技術(shù)1/14/2023污閃的發(fā)展過程（1）污層剛受潮時，介質(zhì)表面有明顯的泄漏電流流過，電壓分布是較均勻；（2）出現(xiàn)高電阻的“干燥帶”，使污層的泄漏電流減小，并在干燥帶形成很大的電壓降；（3）當(dāng)干燥帶的電位梯度超過沿面閃絡(luò)場強時，干燥帶發(fā)生放電（電暈放電或輝光放電），放電具有電弧特性，這就是出現(xiàn)局部電弧的階段。高電壓技術(shù)1/14/2023（4）局部放電后，弧足支撐點附近的濕污層很快被烘干，干區(qū)擴大，電弧被拉長。（5）若此時電壓不足以維持電弧燃燒，電弧即熄滅。對于交流輸電線路，每一周波兩次過零，電弧呈現(xiàn)“熄滅-重燃”或“延伸-收縮”的交替變換。外觀來看，電弧好像在絕緣子上不斷的旋轉(zhuǎn)。（6）一旦局部電弧達到一定臨界長度，弧道溫度已很高，弧道的進一步伸長就不再需要更高的電壓，而是自動延伸直至貫通兩級，完成沿面閃絡(luò)。1/14/2023影響污閃的因素（1）污穢的性質(zhì)和污染程度

污穢的導(dǎo)電率越高和介質(zhì)表面沉積的污穢量越多，則閃絡(luò)電壓越低。這實際上說明表面泄漏電流越大，閃絡(luò)電壓越低。所以在工程中常將污層表面電導(dǎo)率作為監(jiān)測絕緣子臟污嚴(yán)重程度的一個特征參數(shù)。（2）濕潤的方式

最容易發(fā)生污閃的氣象條件是霧、露、融雪和毛毛雨等，這些條件下污層易達到飽和濕潤的狀態(tài)但不被沖洗掉。（3）泄漏距離（爬電比距）

爬電比距（俗稱爬距）：外絕緣“相-地”之間的爬電距離（cm）與系統(tǒng)最高工作（線）電壓（kV,有效值）之比。增大爬距，可提高污閃電壓。（4）外施電壓的形式

由于污閃是局部電弧不斷拉長的過程，因此電壓作用時間越短就越不容易導(dǎo)致閃絡(luò)。高電壓技術(shù)1/14/2023污穢等級爬電比距（cm/kV）線路發(fā)電廠、變電所220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.39（1.60）1.45（1.60）－－Ⅰ1.39～1.74（1.60～2.00）1.45～1.82（1.60～2.00）1.60（1.84）1.60（1.76）Ⅱ1.74～2.17（2.00～2.50）1.82～2.27（2.00～2.50）2.00（2.30）2.00（2.20）Ⅲ2.17～2.78（2.50～2.20）2.27～2.91（2.50～2.20）2.50（2.88）2.50（2.75）Ⅳ2.78～2.30（2.20～2.80）2.91～2.45(2.20～2.80)2.10（2.57）2.10（2.41）各污穢等級下的爬電比距分級數(shù)值注：括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為以系統(tǒng)額定電壓為基準(zhǔn)的爬電比距數(shù)值。高電壓技術(shù)1/14/2023污穢等級的劃分污穢等值附鹽密度（mg/cm2）：

與絕緣子表面單位面積上污穢物導(dǎo)電性相當(dāng)?shù)牡戎蝶}(NaCl)量。用一個參數(shù)同時表征污穢性質(zhì)及污穢量，以簡化對污穢嚴(yán)重程度的描述。高電壓技術(shù)測定方法：除鐵腳鐵帽的粘合水泥表面的污穢外，把所有表面上沉積的污穢刮下或刷下，溶于300ml蒸餾