高电压第2章 气体介质的电气强度

1、2022-5-3高电压工程基础第第2 2章章 气体介质的电气强度气体介质的电气强度 2.1 气隙的击穿时间和伏秒特性气隙的击穿时间和伏秒特性 2.2均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性 2.3大气条件对击穿的影响大气条件对击穿的影响 2.4 提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施 2.5 沿面放电沿面放电 2022-5-3临界击穿电压 统计时延：从外施电压达Uo时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子所需时间放电发展时间：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间高电压技术2.1气隙的

2、击穿时间和伏秒特性气隙的击穿时间和伏秒特性2.1.2 气隙的击穿时间气隙的击穿时间2022-5-3放电时延：放电时延：1sfttt在短气隙中，全部放电时延实际上就是统计时延。在短气隙中，全部放电时延实际上就是统计时延。统计时延具有概率性质，取其平均值，称为平均统计时延。其影响因素为：电极材料；外施电压；短波光照射；电场情况。高电压技术在较长气隙中，放电时延决定于放电发展时间。在较长气隙中，放电时延决定于放电发展时间。影响放电发展时间的因素为：间隙长度； 电场均匀度；外施电压气隙击穿时间：气隙击穿时间：0sfbtttt2022-5-32.1.2 气隙的伏秒特性气隙的伏秒特性 冲击电压的标准波形冲

3、击电压的标准波形标准雷电波标准雷电波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s作冲击波作冲击波的波形： T1=250s20， T2=2500s60对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 高电压技术2022-5-3冲击电压发生器2022-5-3 伏秒特性伏秒特性伏秒特性：伏秒特性：在同一冲击电压波形下，击穿电压值与放电时延（或电压作用时间）有关的特性。 用实验确定间隙伏秒特性的方法：用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变，逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。

4、 击穿发生在波前或峰值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%冲击击穿电压高电压技术2022-5-3冲击放电伏秒特性的应用冲击放电伏秒特性的应用n 为了使被保护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线。 S1：被保护设备 S2：保护设备2022-5-3电气设备绝缘的伏秒特性和避雷器的伏秒特性（a）正确配合 （b）不正确配合绝缘的绝缘的伏秒特性伏秒特性避雷器的避雷器的伏秒特性伏秒特性高电压技术2022-5-3 50击穿电压及冲击系数击穿电压及冲击系数 50击穿电压击穿电压 多次施加电压时,有半数会

5、导致击穿的电压值Ub50 。0503bbUU2. 冲击系数冲击系数 同一间隙的50冲击击穿 电压与稳态击穿电压U0之比 。高电压技术2022-5-3高电压技术2.2.1 较均匀电场气隙的击穿电压较均匀电场气隙的击穿电压 均匀电场中的击穿均匀电场中的击穿0.010.1110d/cm110100400Ub/kV24.46.53()bUdd kV特点：特点：（1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应；（2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同；（3）击穿电压的分散性很小。 2.2 较均匀电场气隙的击穿电压较均匀电场气隙的击穿电压2

6、022-5-3 稍不均匀电场中的击穿稍不均匀电场中的击穿（1）球间隙）球间隙 （eg：高压实验室中的测量球隙）dD/4时，电场不均匀程度增大，击穿场强下降，出现极性效应；球隙测压器的工作范围dD/2；否则因放电分散性增大，不能保证测量的精度。 高电压技术2022-5-3（2）同轴圆柱电极）同轴圆柱电极 （eg：高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线）（1）r/R0.1时时，稍不均匀电场，击穿前不出现电晕，且由图可见，当r/R 0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时尽量将r/R选取0.250.4的范围内）。 bmdUEf高电压技术GIS2022-5-3（3）其他形状的电极布置）

7、其他形状的电极布置 bmdUEf球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极；间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。 高电压技术2022-5-32.2.2 不均匀电场中的气隙击穿电压不均匀电场中的气隙击穿电压高电压技术 直流电压作用下、工频电压作用下的冲击电压直流电压作用下、工频电压作用下的冲击电压尖板和尖尖空气间隙的直流击穿电压 10kV/cm约4.5kV/cm约5.4kV/cm约棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压（有效值） 3.8kV/cm约2022-5-3 操作冲击电压下击穿的操作冲击电压下击穿的U形曲线形曲线（1）长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压仅与波前时间有

8、关。（2）当波前时间tf为100300s时，击穿场强出现极小值。出现极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。波前时间上升很快时，放电时延减小，要求更高的击穿电压。波前时间上升很慢时，极不均匀电场中长气隙中的冲击电晕和空间电荷层都有足够时间形成和发展，使棒极附近的电场变得较小，改善了间隙中电场分布，击穿电压提高。棒棒棒棒导线板导线板工频击穿工频击穿场强场强高电压技术超高压输电系统，电力设备的绝缘设计应采用操作超高压输电系统，电力设备的绝缘设计应采用操作过电压标准设计过电压标准设计。2022-5-3 操作冲击电压的推荐波形操作冲击电压的推荐波形a. T1/T2=250(20) / 2500(60)

9、 s b.振荡操作波 长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度特点：特点：（1）长间隙的雷电冲击击穿电压远比操作冲击击穿电压要高；（2）间隙长度超过5m时呈现饱和趋势。（3）间隙距离越大，“2”与“3”的击穿电压的差别越大。雷电冲击雷电冲击操作冲击操作冲击最小击穿最小击穿电压电压3min3.4 10120m (kV)81Ud棒板间隙距离 ：高电压技术2022-5-32.3 大气密度和湿度对击穿的影响大气密度和湿度对击穿的影响 大气校正因数大气校正因数 根据国家标准，利用校正因数可将测得的放电电压值换算到标准大气条件（t020，p0101.3kPa，h011g/m

10、3）的电压值，或将标准参考大气条件下规定的试验电压值换算为试验条件下的电压值。 00/ttUU KUU K12tKK K1mK00273273tpptW2KK1. 空气密度校正系数空气密度校正系数2. 湿度校正因素湿度校正因素高电压技术2022-5-32. 指数指数m和和W高电压技术3g/mh：绝对湿度（）b500UgL Kb50% UL指试验时大气条件下的破坏性放电电压值，在耐受试验时，可假定为1.1倍试验电压值，kV;被试品最短放电路径，m2022-5-32.4 提高气隙击穿电压的措施提高气隙击穿电压的措施 改善电场分布的措施改善电场分布的措施（1）改变电极形状）改变电极形状 例如采用屏蔽

11、罩、扩径导线等增大电极曲率半径，或改善电极边缘形状以消除边缘效应。长空气间隙的交流击穿电压棒板棒板棒棒棒棒导线杆塔支柱导线杆塔支柱导线导线导线导线高电压技术2022-5-3（2）利用空间电荷对原电场的畸变作用）利用空间电荷对原电场的畸变作用 例如利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场间隙中电场分布，从而提高间隙的击穿电压。 但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电，从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与尖板或尖尖间隙的相近了。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。 高电压技术2022-5-3（

12、3）极不均匀电场中屏障的使用）极不均匀电场中屏障的使用 正尖板间隙中屏障的作用 屏障靠近尖电极或板电屏障靠近尖电极或板电极时，屏障效应消失，正、极时，屏障效应消失，正、负极性下出现很大差别。负极性下出现很大差别。 直流电压下尖板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系 屏障应靠近尖电极，使比较屏障应靠近尖电极，使比较均匀的电场区扩大。但离尖电极均匀的电场区扩大。但离尖电极过近时，屏障上空间电荷的分布过近时，屏障上空间电荷的分布将变得不均匀而使屏障效应减弱，将变得不均匀而使屏障效应减弱，因此屏障有一最佳位置。因此屏障有一最佳位置。 高电压技术2022-5-3 高真空的采用高真空的采用击穿电压击穿电压击

13、穿场强击穿场强真空中击穿机理：真空中击穿机理： 强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。高电压技术真空中提高气隙的击穿电压原理：真空中提高气隙的击穿电压原理： 采用高度真空，消弱气隙中的撞击电离过程，提高了击穿电压。2022-5-3 在完全相同的实验条件下，击穿电压随电极材料熔点的提高而增大，因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。稍不均匀电场中高真空的直流击穿电压与电极材料的关系锌锌铝铝铜铜钢钢高电压技术2022-5-3电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响 对电极采取冷却措施具有与提高电极

14、材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。铜电极铜电极T293K铜电极铜电极T80K钢电极钢电极T293K高电压技术2022-5-3 高气压的采用高气压的采用均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系12.8MPa的空气 20.7MPa的SF6 3高真空4变压器油 50.1MPa的SF6 6大气高电压技术2022-5-3 强电负性气体的应用强电负性气体的应用（1）SF6和一些氟里昂气体属于强电负性气体，其绝缘强度比空气高得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，使设备的制造和运行得以简化。（2）氟里昂12（CCI2F2）的绝缘强度与SF6相近，其液化温度也可满足户内设备的条件，但为保护大气中的臭

15、氧层，国际上早已将氟里昂12列入第一批需限制和禁用的氟里昂。（3）SF6的价格较高，用于断路器时（气压在0.7MPa左右）液化温度不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体。已得到应用的混合气体是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50% 50%左右，其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85左右。（4）SF6气体温室效应相当于CO2的23900倍，且SF6气体不会自然分解，在大气中寿命长达3200年。因此目前的技术发展趋势是在SF6用气量大的气体绝缘管道输电线中改用SF6含量较小的N2-SF6混合气体（SF6的含量为20时，混合气体的绝缘强度为纯SF6的75左右）

16、。 高电压技术2022-5-3LW30-126(T)/T3150-40高压SF6罐式断路器 SF6应用示例2022-5-3LW30550/Y5000-63高压SF6罐式断路器 SF6应用示例2022-5-3ZF10-126(L)/T3150-40型共箱式组合电器（GIS） SF6应用示例2022-5-3 沿着气体与固体（液体）介质的分界面上发展的放电现象称为气隙的沿面放电沿面放电。 沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击穿，称为闪络闪络。 沿面闪络电压比气体或固体（液体）单独作为绝缘介质的击穿电压都低，受表面状态、空气污秽度、气候条件等因素影响较大。2022-5-3界面电场分布的典型情况界面

17、电场分布的典型情况（1）固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，如图（a）。（2）固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的分量比平行于表面的分量要大得多，如图 (b)。例如，穿墙套管。（3）固体介质处极不均匀电场中，电场强度平行于界面的分量要比垂直分量大，如（c）。例如，支柱绝缘子高电压技术2022-5-3穿墙套管穿墙套管支柱绝缘子支柱绝缘子2022-5-32.5.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电沿面放电：沿面放电：均匀电场中，固体介质的引入并不影响电极间的电场分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。不同介质的沿面闪络电压空气间隙石蜡瓷与电极

18、接触不紧密的瓷原因：原因：（1）固体介质与电极吻合不紧密，存在气隙。（2）固体介质表面吸潮而形成水膜。（3）介质表面粗糙，也会使电场分布畸变，从而使闪络电压降低。高电压技术2022-5-32.5.2 极不均匀电场中极不均匀电场中垂直分量很强时的沿面放电垂直分量很强时的沿面放电 （d）套管表面电容沿套管表面放电的示意图（a）电晕放电 （b）细线状辉光放电（c）滑闪放电高电压技术2022-5-3 辉光放电的火花细线中引碰撞电离而存在大量带电粒子； 在很强的电场垂直分量作用下在很强的电场垂直分量作用下，紧贴固体介质表面运动，使某些地方发生局部温度升高； 当电压增大到使局部温升引起热电离热电离时，火花

19、通道内的带电粒子数剧增、电阻骤降、亮度增大，火花通道头部的电场强度变得很大，火花通道迅速向前延伸，这就是滑闪放电。 当火花放电的一只短接了两个电极时，即出现沿面闪络。2022-5-32011(/)49 10lnrCF cmRRr 提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：（1）减小比电容减小比电容，例如增大固体介质的厚度，特别是加大法兰处套管的外径；也可采用介电常数较小的介质，例如用瓷油组合绝缘代替纯瓷介质。（2）减小绝缘表面电阻减小绝缘表面电阻，即减小介质表面电阻率。例如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉；在电机绝缘的出槽口部分涂半导体漆等。介质表面的电压分布 高电压技术2022-5-32.5

20、.3 2.5.3 极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电 沿面闪络电压与空气击穿电压的差别比前述两种电场情况都要小得多。由于界面上电场垂直分量很弱，不会出现热电离和滑闪放电。这种情况下，为提高沿面放电电压，主要从改进电极形状改进电极形状以改善电极附近的电场着手。 沿不同材料圆管表面的工频闪络电压峰值1空气隙击穿 2石蜡 3胶纸 4瓷和玻璃高电压技术2022-5-3330kV绝缘子柱绝缘子柱 高电压技术2022-5-3绝缘子串的等效电路及各绝缘子承受的电压（a）只考虑对地电容CE （b）只考虑对导线电容CL （c）同时考虑CE及CL高电压技术2022-5-3

21、2.5.4 2.5.4 固体介质表面有水膜时的沿面放电固体介质表面有水膜时的沿面放电高电压技术支柱绝缘子在雨下的可能闪络途径 (1) ABBCA(2) ABBA(3) ABBB可能闪络途径: 在第一种情况下，工业区的雨水湿闪电压只有干闪电压的40%50%；如果雨水电导率更大，湿闪电压会更底。在第二种情况，空气间隙中只有分散的雨滴，雨水电导率没有多大影响，湿闪电压降低不多。第三中情况只有倾盆大雨时才出现，直接被雨水短接，湿闪电压降低到很低数值。BA2022-5-3光滑瓷柱的干闪和湿闪电压 干闪湿闪2022-5-32.5.5 绝缘子污染状态下的沿面放电绝缘子污染状态下的沿面放电污闪：污闪： 户外绝

22、缘子常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染。干燥情况下，对闪络电压没多大影响。但当绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增使绝缘子泄漏电流急剧增加。绝缘子的闪络电压（污闪电压）大大降低，甚至有可能在工作电压下发生闪络。 绝缘子闪络电压与污染程度（以单位面积的污量表示）的关系绝缘子工作电压高电压技术2022-5-3 污闪的发展过程污闪的发展过程（1）污层刚受潮时，介质表面有明显的泄漏电流流过，电压分布是较均匀； （2）出现高电阻的“干燥带” ，使污层的泄漏电流减小，并在干燥带形成很大的电压降；（3）当干燥带的电位梯度超过沿面闪络场强时，干燥带发生放电（电晕放电或辉光放电），放电具有电弧特性，这就是

23、出现局部电弧的阶段。 高电压技术2022-5-3（4）局部放电后，弧足支撑点附近的湿污层很快被烘干，干区扩大，电弧被拉长。（5）若此时电压不足以维持电弧燃烧，电弧即熄灭。对于交流输电线路，每一周波两次过零，电弧呈现“熄灭-重燃”或“延伸-收缩”的交替变换。外观来看，电弧好像在绝缘子上不断的旋转。（6）一旦局部电弧达到一定临界长度，弧道温度已很高，弧道的进一步伸长就不再需要更高的电压，而是自动延伸直至贯通两级，完成沿面闪络。2022-5-3 影响污闪的因素影响污闪的因素（1）污秽的性质和污染程度）污秽的性质和污染程度 污秽的导电率越高和介质表面沉积的污秽量越多，则闪络电压越低。这实际上说明表面泄

24、漏电流越大，闪络电压越低。所以在工程中常将污层表面电导率作为监测绝缘子脏污严重程度的一个特征参数。（2）湿润的方式）湿润的方式 最容易发生污闪的气象条件是雾、露、融雪和毛毛雨等，这些条件下污层易达到饱和湿润的状态但不被冲洗掉。（3）泄漏距离（爬电比距）泄漏距离（爬电比距） 爬电比距（俗称爬距）：外绝缘“相-地”之间的爬电距离（cm）与系统最高工作（线）电压（kV,有效值）之比。增大爬距，可提高污闪电压。（4）外施电压的形式）外施电压的形式 由于污闪是局部电弧不断拉长的过程，因此电压作用时间越短就越不容易导致闪络。高电压技术2022-5-3污秽等级爬电比距（cm/kV）线路发电厂、变电所220k

25、V及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.39（1.60）1.45（1.60）1.391.74（1.602.00）1.451.82（1.602.00）1.60（1.84）1.60（1.76）1.742.17（2.002.50）1.822.27（2.002.50）2.00（2.30）2.00（2.20）2.172.78（2.502.20）2.272.91（2.502.20）2.50（2.88）2.50（2.75）2.782.30（2.202.80）2.912.45(2.202.80)2.10（2.57）2.10（2.41）各污秽等级下的爬电比距分级数值各污秽等级下的爬电比距分级数值 注注：括号内的数据为以系统额定电压为基准的爬电比距数值。高电压技术2022-5-3 污秽等