高电压工程基础(第3章)

1、第三章 气体电介质的击穿特性 根据气体放电理论，可以说明气体放电的基本物理过程有助于分析各种气体间隙在各种高电压下的放电机理和击穿规律。但由于气体放电的发展过程比较复杂影响因素较多，气隙击穿的分散性较大，所以要想利用理论计算的方法来获取各种气隙的击穿电压相当困难。因此通常都是采用试验的方法来得到某些典型电极所构成的气隙在各种电压下的击穿特性，以满足工程设计的需要。 气隙的电场形式对气隙的击穿特性影响较大。此外气隙所加电压的类型对气隙的击穿特性也有很大关系。第一节 稳态电压下气隙的击穿特性一、均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性 无限大平行板电极之间的电场是均匀电场 工程上采用用消除电极边缘效应的

2、措施使电场趋于均匀 均匀电场中气隙的击穿电压遵从巴申定律二、稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性 稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性与均匀电场相似。 球隙电场的均匀程度随着球间距离d与球电极直径D之比(dD)而变，当d/D1/2时，球隙的击穿特性才接近于均匀电场气隙的击穿特性。 球隙的工频击穿电压是指工频电压的峰值电压 三、极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性 在极不均匀电场的气隙中，“棒一板”间隙和“棒一棒”间隙具有典型意义。前者具有最大的不对称性，后者则具有完全的对称性。其他类型的极不均匀电场气隙的击穿特性均介于这两种典型气隙的击穿特性之间。 在直流电压下“棒一板”间隙的击穿特性具

3、有明显的极性效应。在所测的极间距离范围内(d10cm)，负极性击穿场强约为20kVcm，而正极性击穿场强只有7.5kVcm d300cm , “棒一板”间隙的实验结果可见这时负极性的平均击穿场强降为10 kVcm左右而正极性的击穿场强约为4.5kVcm。 由于极性效应，在工频交流电压下，“棒一板”间隙的击穿总是发生在棒极为正极性的半周期内的峰值电压附近。 同样条件下，工频击穿电压的峰值还稍低于其直流击穿电压。这是因为前个周期留下的空问电荷对棒棒极前方的电场场强有所加强的缘故。 棒一棒”间隙的击穿电压相对较高，这是因为“棒一棒”间隙的电场比“棒一板”间隙相对要均匀一些，前者的最大场强是分散在靠近

4、两棒极处，而后者的最大场强则集中在棒极附近。 长间隙“棒一板”和“棒一棒”间隙的击穿特件曲线如图35所示。由图可以看出随着气隙长度的增大，“棒一板”间隙的平均击穿场强明显降低即存在“饱和”现象，显然这时增大“棒一板”间隙的长度已不能有效地提高工频击穿电压。 第二节 雷电冲击电压下气隙的击穿特性 一、雷电冲击电压 雷电冲击电压是由自然界中的雷电放电或实验室中的模拟雷电放电产生的，电力系统中的雷电过电压是由大气中的雷电放电引起的。大气中的雷电放电包括雷云对大地、雷云对雷云和雷云内部的放电，其中雷云对大地的放电是造成电力系统雷害事故的主要因素。 按照雷电发展的方向可区分为上行雷和下行雷两种。上行雷是

5、指由接地物体顶部激发起向雷云方向发展的雷电放电； 下行雷是指在雷云中产生并向大地发展的雷电放电。看到的雷电放电绝大多数是下行雷。 根据雷电放电从雷云流入大地的电荷的极性不同可将雷电分为正极性雷和负极性雷，实测表明约90的雷是负极性雷。 统计结果显示，雷电放电所形成的电压具有单次脉冲性质。 国际电工委员会（IEC）和我国国家标准规定的雷电波波形： T1-波前时间 T2-半峰值时间121.230%5020%TsTs 被截断的雷电冲击电压波称为雷电冲击电压截波11.230%2 5cTsTs三、雷电冲击电压下气隙的击穿特性1. 放电时间电压上升时间统计时延放电形成时延2. 50%冲击击穿电压（U 50

6、%）由于气隙冲击击穿电压的分散性在工程上采用50冲击击穿电压(U 50%)作为气隙的冲击击穿电压值。气隙加上N次同一波形及峰值的冲击电压可能只有n次发生击穿，击穿概率为 当击穿概率等于50%时的电压即称为50%击穿电压。在均匀和稍不均匀电场中，冲击击穿电压的分散性很小，U 50%与击穿电压U0几乎相同，冲击系数。在极不均匀电场中，由于放电时延较长，击穿电压分散性较大，冲击系数1 3.伏秒特性 工程上用气隙击穿期间出现的冲击电压的最大值和放电时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。 实际上，由于放电时间的分散性在每一电压下可得到一系列放电时间。所以伏秒特性曲线是一个带状区域、通

7、常使用的是平均伏秒特性曲线。 均匀和稍不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较平坦，其放电形成时延较短，比较稳定， 极不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较陡峭。 保护设备（避雷器或间隙）需要伏秒特性曲线尽可能平坦，并且位于被保护设备的伏秒特性之下且二者永不相交。 4.气隙的雷电冲击击穿特性 极性效应 棒-棒间隙在棒-板间隙之间第三节 操作冲击电压下的气隙击穿特性 一、操作冲击电压1225020%250060%TsTs二、操作冲击电压下气隙击穿的特点1.操作冲击电压波形对气隙击穿电压的影响实验结果表明，气隙的50%操作冲击击穿电压U50%与波前时间Tcr的关系呈u”形曲线在某一最不利的波前时间Tc(称为临界

8、波前时间)下U50%有最小值上述现象可以用气体放电理论予以解释；任何气隙的击穿过程都需要一定的时间当波前时间Tcr较小时说明电压上升极快，击穿电压将会超过静态击穿电压许多，所以击穿电压较高；当波前时间Tcr较大时、说明电压上升较慢，使极不均匀电场长间隙中的冲击电晕和空间电荷都有足够的时间形成和发展，从而使棒极附近的电场变得较小使整个气隙电场的不均匀程度降低从而使击穿电压稍有提高。而在100500s范围内时既保障了击穿所用的时间，又不致于减小棒极附近的电场，所以此时的击穿电压最低2.气隙的操作冲击击穿电压有可能低于工频击穿电压试验表明，在某些波前时间范围内，气隙的操作冲击击穿电压比工频击穿电压低

9、，所以，在大于220kV的超高压输电系统中，应该按操作过电压下的电气特性进行绝缘设计。3.长间隙操作冲击击穿特性的“饱和”效应极不均匀电场长间隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和”效应“饱和”现象的出现与间隙击穿前先导阶段能有较为充分的时间发展有关4操作冲击击穿电压的分散性大第五节 提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法有：1. 改善电场分布 电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强越大2.采用绝缘屏障 由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙中的产生、运动和分布状态密切相关所以在气隙中放置形状适当、位置合适、能有效阻拦带电粒子运动的绝缘 屏障能有效地提高气隙的击穿电压 带有

10、绝缘屏障的气隙的击穿电压与屏障的位置有很大关系 棒极为负时屏障远离棒极，击穿电压反而会比无屏障时还要低 在雷电冲击电压下，由于屏障上来不及聚积起显著的空间电荷，因此屏障的作用小些 3. 采用高气压巴申定律需要设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求4. 采用高抗电强度的气体 在气体电介质中，有一些含卤族元素的强电负件气体，如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等，因其具有强烈的吸附效应。所以在相同的压力下具有比空气高得多的抗电强度因此被称为高抗电强度的气体。5. 采用高真空真空间隙的击穿电压大致与间隙距离的平方根成正比第六节 SF6气体的绝缘特性 SF6气体的电气强度约为空气的25倍 化

11、学稳定性好 应用在单一的电气设备 全密封组合电器或气体绝缘变电站一、SF6气体的理化特性 SF6气体是一种无色、无味、无嗅、无毒、不燃的气体。它的化学稳定件高，在不太高的温度下，接近惰性气体的稳定性热离解生成低氟化物SF6的分解物有毒 SF6N2混合气体的相对耐电强度二、SF6气体的绝缘特性SF6优异的绝缘性能只有在比较均匀的电场中才能得到充分的发挥SF6气隙的极性效应与空气隙相反，即曲率半径小的电极为负极性时气隙的击穿电压小于正极性。GIS(Gas Insulated Switchgear) GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连线和出线终端等组合而成，全部封闭在充有

12、一定压力的SF6气体的金属外壳中，构成封闭式组合电器，组成一个气体绝缘变电站优点：大大节省占地面积。额定电压越高，节省越多。不受恶劣的大气条件的影响，运行安全可靠。占用空间小，噪声小，无电磁辐射，有利于环境保护。安装成套性好，维护工作量小第七节 电 晕 放 电 电晕放电是极不均匀电场中特有的一种气体自持放电形式 它取决于电极外气体空间的电导 外加电压、电极形状极间距离、气体的性质和密度等电晕放电的基本特性电晕放电有明显的极性效应 (1)具有声、光、热等效应。放电的“咝咝”声造成环境噪声、同时有紫蓝色的光晕，引起发热并使周围的气体温度为高，造成能量损耗。 (2)在尖端或电极的某些凸起处电子和离子

13、在局部强电场的驱动下高速运动并与气体分子交换动量，形成所谓的“电风”，引起电极或导线的振动。 (3)电晕产生的高频脉冲电流会造成对无线电的干扰。(4）在空气中产生臭氧03及NO或NO2，在其他气体中也会产生许多化学反应。O3是强氧化剂，对金属及有机绝缘物有强烈的氧化作用，NO或N02会与空气中的水分合成硝酸类具有强烈的腐蚀性。所以，电晕是促使有机绝缘老化的重要因素之一。 (5) 上述电晕的某些效应也有可利用的一面。比如电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压波的幅值和陡度；电晕放电还可改善电场的分布；也可利用电晕制造防火器、消毒柜和对废气、废水进行净化处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。 第八节

14、沿面放电与污秽闪络 沿面放电 在固体介质和空气的交界面上产生的沿面放电一旦发展到使整个极间发生沿面击穿时，即造成沿面闪络。 沿面闪络电压不仅比固体介质本身的击穿电压低很多，而且比纯空气间隙的击穿电压也低得多并受绝缘表面状态、电极形式、污染程度、气候条件等因素影响较大。 电力系统中的绝缘事故多半是由沿面放电所造成。 固体绝缘实际耐受电压的能力取决于沿面闪络击穿。1. 均匀电场中： (1)固体介质表面不可能绝对光滑，其微观上的凸凹不平造成介质表面电场不均匀 2)固体介质表面会或多或少地吸收一些空气中的水分。 (3)固体介质与电极的接触如不十分紧密存在有极小的气隙。2 不均匀电场中的沿面放电 电场强

15、度的方向大体上平行于固体电介质的表面 电介质表面的电场强度具有较大的垂直于固体电介质表面的法线分量 固体介质表面电阻(特别是靠近法兰F处)的适当减小(如涂半导体漆或半导体釉)可以使沿面的最大电位梯度降低，防止滑闪放电的出现，从而使沿面闪络电压得到提高二、悬式绝缘子串的电压分布及闪络特性 35kV 3片 110kV 7片 220kV 13片 330kV 19片 500kV 28片 如果只考虑CE的存在靠近导线的绝缘子上承受的电压大于远离导线的绝缘子，如果只考虑CL的存在，其作用正好相反如果同时存在，实际上由于CECL所以绝缘子串中靠近导线的绝缘子的电压降最大。 为了改善绝缘子串的电压分布，通常在

16、绝缘子串导线端安装均压环，均压环对悬挂导线的金具还起到屏蔽作用，有效地降低这些连结金具的电晕。 绝缘子的电气性能通常用闪络电压来衡量。干闪电压是指表而清洁、干燥的绝缘子的闪络电压它是户内绝缘子的主要性能。湿闪电压是指洁净的绝缘子在淋雨情况下的闪络电压，为了使试验结果能够进行比较，必须规定一定的淋雨条件。我国国家标准规定的淋雨条件为：平均淋雨率的垂直分量和水平分量均为1.11.5mm/min,淋雨角为45，人工雨水的电阻率为100 15m(20时)。 随着绝缘子中长度的增加，其湿闪电压将会逐渐接近其干闪电压.三、污秽闪络户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界的盐碱、粉尘及鸟粪的污染。在干燥情况下，这种污秽尘埃电阻般都很大对运行没有什么大的危害。但当大气湿度较高，尤其在毛毛雨、雾、露、雪等不利的天气条件下，绝缘子表面污秽尘埃被湿润，表面电导剧增，使绝缘子在工频和操作冲击电压下的闪络电压大大降低，甚至可以在其工作电压下发生闪络，这类闪络称为污秽闪络。污秽绝缘子被湿润后，污秽层中的可溶性物质便溶解于水分中，成为电解质，在绝缘子表面上形成一层薄薄的导电膜使污层的表面电阻大大下降，绝缘子的泄漏电流剧增。绝缘子表面不断延伸发展的局部电弧现象俗称爬电 通常采用“等值附