3气体介质的电气强度

1、高电压技术之三气体间隙的击穿强度选择架空输电线路和变电所的各种空气间距值时 确定电力设备外绝缘尺寸和安装条件时气体绝缘组合电器的内绝缘结构时 对气体介质电气强度需定量估计：Preface理论计算气隙的击穿电压是困难和不可靠的，实验法： “棒一板” 电极 “棒一棒” 电极 “球一球”电极 同轴圆筒电极电场形式 均匀或稍不均匀电场中，空气击穿场强为30kV/cm。 极不均匀电场，先出现电晕。所加电压类型雷电过电压 工频交流电压直流电压 操作过电压影响气体电气强度的因素3.1 稳态电压下3.2 雷电冲击电压下3.3 操作冲击下 3.4 大气条件对击穿的影响 3.5 SF6气体间隙的击穿 3.6 提高

2、气体介质电气强度CONTENTS3.1.1 均匀电场3.1.2 稍不均匀电场气隙 球间隙 同轴圆柱3.1.3 极不均匀电场气隙3.1 稳态电压下的击穿两个电极形状完全相同且对称布置，不存在极性效应。 各处电场强度相等，击穿所需时间极短。 在直流、工频和冲击电压作用下击穿电压相同。 击穿电压的分散性很小。3.1.1 均匀电场3.1.2 稍不均匀电场 球间隙dD/4，与均匀电场相似，直流、交流和冲击电压作用下击穿电压相同。 D/4 D/2，放电分散性增大，不能保证测量的精度 。D d外筒内半径R=10cm，改变内筒外半径r，气隙起始电晕电压Uc和击穿电压Ubr/R0.1，间隙属稍不均匀电场，击穿前

3、不出现电晕。 r/R 0.33时击穿电压出现极大值，电气设备在绝缘设计时尽量将r/R选取在0.25 0.4 。同轴圆柱电极“棒棒”气隙：完全对称性 “棒板”气隙：最大不对称性直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大，极性效应显著。工程中极不均匀电场气隙，可按其电极的对称程度选用“棒-棒”或“棒-板”两种典型气隙的击穿特性来估计其电气强度。3.1.3 极不均匀电场中的击穿极不均匀直流电压 “棒板”负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压，而尖尖电极则介于两者之间 。棒具有正极性时，平均击穿场强约为4.5kV/cm ；棒具有负极性时约为l0kV/cm。棒棒间隙的平均击穿场强约为5.4kV/

4、cm。 “棒-棒”气隙的工频击穿电压要比“棒-板”气隙高一些：“棒-棒”气隙的电场要比“棒-板”气隙稍均匀一些。工频电压下棒板电极击穿总发生在棒为正极性半周，其击穿电压的峰值与正直流电压下棒板电极的击穿电压相近。 极不均匀电场 工频交流电压 雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压，在这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿不同的特点 。操作冲击电压是模拟电力系统中操作过电压的，持续时间比雷电冲击电压要长。 3.2 雷电冲击电压下的击穿0.30.50.91001T1T2 u / Umt波前半峰值 IEC、中国国家标准：T1=1.2s 30% ；T2=50s20%， 1.2/50s。0.30.

5、50.91001T1T2 u / UmtIEC标准雷电波波前时间Tcr=250s20%；半峰值时间T2=2500s600.510 u / UmTcrT2tIEC标准操作 波50冲击击穿电压 冲击击穿电压具有一定的分散性工程实际中，广泛采用击穿百分比为50时的电压（U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。50%放电电压: 多次施加电压时有半数会导致击穿的电压值Ub50 .UboUb503 U50%与Uss静态击穿电压的比值，冲击系数均匀和稍不均匀电场下，放电时延短，击穿的分散性小，冲击击穿通常发生在波峰附近: 1; 极不均匀电场中,冲击击穿电压的分散性也较大，放电时延长，冲击击穿常发生在波尾部分:

6、1。冲击系数表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间（电压作用时间)的关系。伏-秒特性保持一定的冲击电压波形不变，逐级升高电压，以电压为纵坐标，时间为横坐标。电压较低时，击穿一般发生在波尾，取该电压的峰值与击穿时刻，得到相应的点。电压较高时，击穿一般发生在波头，取击穿时刻的电压值及该时刻，得到相应的点。击穿发生在波前或峰值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值未击穿伏秒特性曲线的制作以上、下包线为界的带状区域，取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%冲击击穿电压包络线伏秒特性伏秒特性的应用间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布。伏秒特性

7、对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义 。伏秒特性比50击穿电压提供了更完整击穿特性信息，在绝缘配合中具有重要意义 。电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，操作过电压，峰值有时可高达最大相电压的3-3.5。额定电压超过220kV的超高压输电系统，应按操作过电压下的电气特性进行绝缘设计 。超高压电力设备（330kV）也应采用操作冲击电压来进行高压试验。3.3 操作冲击电压 下的击穿在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压低，呈现出 “形曲线” 对应于极小值的波前时间随着间隙距离加大而增加。放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因

8、素的影响所造成的 。操作冲击电压下击穿的U型曲线压力、温度、湿度、海拔等条件会影响空气密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，会影响气隙的击穿电压。3.4 大气条件对击穿的影响气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高 大气密度升高击穿电压升高：随着空气密度的增大，气体中自由电子的平均自由程缩短了，不易造成撞击电离。 湿度的增加击穿电压升高：水蒸汽是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，自由电子的数量减少，阻碍了电离发展。温度：t0=20，T0=293K；压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；绝对湿度：hc=11g/m3。标准大气条件3.5 SF6间隙的击穿SF6电气强度约为空气

9、2.5倍，灭弧能力达空气100倍以上，在超高压和特高压，已完全取代绝缘油和压缩空气成为唯一的断路器灭弧媒质。SF6断路器、气体绝缘变压器等。 封闭式气体绝缘组合电器（GIS）和充气管输电线等装置。 可使电气设备减小占地面积和体积，如500kV/GIS体积只有敞开式配电装置的1/50左右。SF6气体绝缘与变压器油比，有防火、防爆的优点。 SF6具有较高的电气强度，是因为其具有强的电负性，易俘获自由电子而形成负离子(电子附着过程)，电子变成负离子,其引起碰撞电离的能力就变得很弱，削弱了放电发展过程。与均匀电场中击穿电压相比，SF6在极不均匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。SF6 优异的绝缘

10、性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分的发挥。在设计以 SF6 气体作为绝缘的各种电气设备时，应尽可能使气隙中的电场均匀化，采用屏蔽等措施以消除一切尖角处的极不均匀电场，使 SF6 优异的绝缘性能得到充分的利用。SF6的绝缘性能工频电压峰值190/ 3600s操作波1.2/500s雷电波击穿场强并不与气压成正比，而是增加得少一些。稍不均匀电场中，极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀电场中的情况是相反的，负极性下的击穿电压反比正极性时低10左右。冲击系数很小，雷电冲击时约为1.25，操作冲击时更小，只有1.051.1。SF6均匀和稍不均匀电场击穿极不均匀电场中SF6的击穿 工频击穿电压随气压变

11、化曲线存在“驼峰”雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压驼峰曲线在压缩空气中一般在1MPa左右出现，SF6出现在0.10.2MPa，在工作气压以下，进行绝缘设计时应尽可能设法避免极不均匀电场。空间电荷对棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高，在雷电冲击电压的作用下，空间电荷来不及移动到有利的位置，其击穿电压低于静态击穿电压；气压提高时空间电荷扩散得较慢，在气压超过0.10.2MPa时，屏蔽作用减弱，工频击穿电压会下降。SF6击穿驼峰的应用影响击穿场强的其它因素电极表面缺陷随机缺陷，电极表面积越大，缺陷出现概率也越大，SF6击穿场强越低，称为“面积效应”。导电微粒：固定微粒和自由微粒前者作用与电极表面缺陷

12、相似，后者会在极间跳动而对SF6气体的绝缘性能产生更大不利影响。对策：设置微粒陷阱、电极“老练”。SF6气体价格较高 对电气不均匀度太敏感液化温度不够低 目前已获工业应用的是SF6-N2混合气体，主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧材料，采用的混合比通常为50%：50%或60%：40%。六氟化硫混合气体为了缩小电力设备尺寸，希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些，应采取措施来提高气体介质的电气强度。 改善气隙中的电场分布，使之均匀。 设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。3.6 提高气体介质电气强度增大电极曲率半径：如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线。改善电极边缘：电极边缘做成弧形；

13、尽量使其与某等位面相近。使电极具有最佳外形：如穿墙高压引线上加金属扁球；墒洞边缘做成近似垂接线旋转体。3.6.1 改善电场利用空间电荷畸变电场 极不均匀电场击穿前发生电晕放电，利用放电产生的空间电荷改善电场分布，提高击穿电压。 直径D20mm及16mm时，击穿电压曲线的直线部分和“尖一板”间隙相近。导线直径减为3mm以至0.5mm时，击穿电压曲线的直线部分陡度大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近 “细线效应”。导线板电极击穿电压1导线直径 D=0.5mm ； 2D=3mm 3D=16mm ； 4D=20mm均匀场间隙尖-板电极间隙极不均匀电场中屏障在电场极不均匀的间隙中，放入薄片固体绝缘材料（

14、如纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙的击穿电压 。原理：屏障积聚空间电荷，改善电场分布。 屏障位置不同，击穿电压发生了变化，尖电极极性不同，屏障的影响也有别。 尖电极为正极性 屏障离尖电极过近，屏障效应将随之而减弱。尖电极为负极性 屏障离开尖电极一定距离，设置屏障反而降低间隙的击穿电压 。 屏障离尖电极过近，仍有相当的屏降效应 。屏障的极性效应工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。雷电冲击电压下屏障的作用尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间隙的击穿电压。负极性时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有屏障时相差不多。屏障作用常压下空气电气强度是比较低的，约为30kV/cm。

15、即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限，常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。高气压的采用 3.6.2 削弱电离过程如果把空气加以压缩，使气压大大超过0.1MPa ，电气强度能显著提高，提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程。在采用高气压同时，再以某些高电气强度气体（SF6气体）来代替空气，能获得更好的效果。2.8MPa 的压缩空气具有很高的击穿电压。采用高气压会对电气设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求。如果用SF6来代替空气，为了达到同样的电气强度，只要采用07MPa左右的气压就够了。1-空气，气压为2.8MPa 5-SF6,0.1Mpa 2-SF6，0.7Mpa