第2章 气体介质的电气强度

田付强副教授牵引供电研究所Email:fqtian@办公室：电气楼808办公电话604手机电压技术第一篇电介质的电气强度第一章气体放电的基本物理过程第二章气体介质的电气强度第三章液体和固体介质的电气特性2/44

第一节均匀和稍不均匀电场气隙的击穿场强1第二节极不均匀电场气隙击穿特性23第三节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正4第四节提高气体介质电气强度的方法第二章气体介质的电气强度5第五节六氟化硫和气体绝缘电气设备3/44气体放电的物理过程：气体中带电质点的产生、汤逊放电、流注放电、电晕放电、沿面放电（微观特性）工程上，要用击穿特性表示（击穿场强，击穿电压）（宏观特性）本章引言4/442.1均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性一、均匀电场气隙的击穿特性5/44分散性小：直流、交流、50%冲击击穿电压基本相同均匀电场中空气的电气强度大致为：30kV(峰值)/cm(d=1~10cm)

经验公式为：

d：间隙距离(cm)；δ：空气相对密度(1)均匀电场中气隙击穿特性的特点6/44典型的稍不均匀电场：球隙、同轴圆筒、气体绝缘组合电器中的分相封闭母线筒二、稍不均匀电场中的击穿电压7/44稍不均匀电场中的击穿电压(以球隙为例)8/44工程上的极不均匀电场气隙，均可以用两类极端的模型表示，实际的工程应用可依据这两类电场类型的测量值进行推算：

棒-棒电极（完全对称结构）

棒-板电极（完全不对称结构）

2.2极不均匀电场气隙的击穿特性棒-棒电极棒-板电极一、常见的极不均匀电场气隙9/44显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：7.5kV/cm负极性棒-板间隙：20kV/cm棒-棒间隙：11.5kV/cm1.稍短间隙二、直流电压击穿特性10/44显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：4.5kV/cm负极性棒-板间隙：10kV/cm正极性棒-棒间隙：4.8kV/cm2.较长间隙11/44特点棒-板间隙击穿总是在棒的极性为正时击穿。击穿电压与距离近似成直线关系，大间隙下击穿电压有饱和趋势（见后页）平均击穿场强棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm

三、工频交流电压击穿特性1.稍短间隙(<1m)棒-棒棒-板12/442.长间隙(>1m)饱和特性13/44四、雷电冲击电压1.标准雷电波的定义14/44特点：棒-板间隙冲击击穿电压具有明显的极性效应；正棒击穿电压比负棒低得多。2、棒-棒间隙也有不大的极性效应，这是由于大地的影响，使不接地的那个电极附近电场增强。2.稍短间隙(<1m)15/443.长间隙(>1m)四、操作冲击电压1.标准操作冲击电压波的定义18/442.击穿特性19/4420/44操作冲击电压下气隙击穿的特点50%的操作冲击电压依赖于冲击电压的上升时间Tcr。50%的操作冲击电压并非介于雷电冲击电压和工频交流击穿电压之间。它远低于雷电冲击电压，甚至在某些上升时间范围内，还低于工频交流击穿电压。饱和特性分散性更大（可以理解为伏秒特性带宽更宽）。21/44远距离特高压输电高海拔地区的高纬度地区沿海地区大气压力、温度、湿度条件影响电子自由程空气密度碰撞电离及附着过程2.3大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正1.为何要校正2.校正方法22/44适用于短气隙(<1m)适用于长气隙情况式中的m是与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关的值，应用时可查阅国家标准。3.对空气密度的校正23/44大气中的水分可以吸附电子形成负离子，抑制放电的发生。均匀电场或稍不均匀电场：湿度对这类电场的影响不大。极不均匀电场：湿度对这类电场的影响较大。需用湿度校正因数加以修正。k与绝对湿度和电压类型有关ω与电极形状、气隙长度、电压类型及其极性有关4.对空气湿度的校正24/44

我国幅员辽阔，运行于高海拔地区的电力设施不占少数。特别是近年来的西部开发和青藏铁路的建设，大量的电气设备涌入西部的高海拔地区。1000m<H<4000m5.对海拔高度的校正25/44电力设备对气隙绝缘的要求绝缘安全：气隙尽可能大。设备尺寸：经济性，实用性——气隙尽量小一些。如何调和上述矛盾：思路/途径/原则改善气隙中的电场分布，使之尽量均匀；设法削弱或抑制气体介质的电离过程。提高气体电气强度的主要方法改进电极形状以改善电场分布利用空间电荷改善电场分布采用介质阻挡方法采用高气压的方法采用高电气强度气体采用高真空2.4提高气体介质电气强度的方法26/44思路：电场均匀—击穿场强高—通过改善电极形状均匀电场方法：增大电极的曲率半径，消除电极表面毛刺，尖角；通常采用屏蔽的方法来增大电极的曲率半径，即在棒极的端部加装一只直径适当的金属球。实例：大型试验设备出线端的球形电极；超高压线路绝缘子串上的均压环；超高压线路上采用的扩径导线；1.改进电极形状以改善电场分布Uc为加装屏蔽罩后的起始电压；Ugmax为设备对地最大电压；R为球屏蔽罩的半径；Ec为球屏蔽罩的电晕起始场强。27/44细线效应：当架空线路的导线直径减小到一定程度时，对应间隙的工频击穿场强反而会增大。其原因就是电晕产生的空间电荷改善了电场。利用空间电荷效应改善电场在应用中难度较大，因为空间电荷的密度、位置等均不易控制。电晕空间电荷改善电场2.利用空间电荷改善电场分布28/44目的：阻碍带电粒子的运动，积聚空间电荷并改善电场分布。3.采用介质阻挡方法29/44安装距离：正极性直流击穿电压可提高2-3倍负极性直流击穿电压可提高约10%因此，对改善工频交流击穿电压很有效对于均匀电场作用不大屏蔽材料：绝缘介质，玻璃、环氧树脂、聚四氟乙烯放置位置：放在电极之间，其表面与电力线垂直。30/44原理：减小电子的平均自由行程，抑制电离过程的发生。4.采用高气压的方法31/44原理：卤族元素具有很强的电负性，由其化合成的气体通常具有很强的俘获电子能力，进而可以抑制放电。气体：六氟化硫、氟里昂—高电气强度气体六氟化硫是目前电气工程领域除空气外应用最多的绝缘气体。5.采用高电气强度气体32/44原理：分子间距大，碰撞电离难。6.采用高真空33/44简介六氟化硫气体在20世纪60年代开始作为绝缘媒质和灭弧介质。首先应用于断路器，之后不断发展，已成为除空气外应用最广泛的介质。2.5六氟化硫和气体绝缘电气设备34/441.六氟化硫气体的性能无色、无味、无毒的优良气体，分解温度高约800K。其电气强度是空气耐电强度的2.3~2.5倍,其原因为：分子量大（为146），密度大（相同条件下，是空气的5倍），属重气体。具有电负性（亲和势约为4.10eV），易俘获电子，减少了引起电离的电子数。因此具有较好的灭弧性能（空气的100倍）。35/44电负性气体的有效电子碰撞电离系数为：

(1)均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿

在分析电负性气体的碰撞电离和放电过程时，除考虑电子碰撞电离的α过程，还要考虑电负性气体吸附电子的η过程。

η定义为：一个电子沿电场方向运动1cm的行程中，发生的电子附着次数的平均值。

2.六氟化硫气体的击穿特性均匀电场中电子崩的增长规律：36/44SF6在均匀场强下的击穿电压为：工业上pd>1Mpa.mm，上式近似的取：p：气压Mpa，

d：极间距离，mm则100kPa时的击穿场强约为88.5kV/cm，是空气的3倍。37/44(2)极不均匀电场中SF6的击穿影响因素：粗糙度：毛刺、凸起、电极导电微粒表面电荷38/44(1)液化问题SF6高压断路器工作气压0.7MPa；GIS工作气压0.45MPa。-20℃-40℃3.六氟化硫理化特性方面的若干问题SF4:无色，有刺激气味，与水作用生成HF，有毒;S2F10:无色、易挥发、剧毒;SOF2：无色，有刺激性，有毒。SO2F2：无色，无味，有毒;SOF4：无色、有刺激性气味，有毒。SF2：化学性能不稳定，有毒。(2)毒性分解物在GIS中放入吸附剂（如活性氧化铝等），吸附有毒物质和水39/44GIS中对微水含量要求十分严格，超标的水分与SF6分解物反应，容易生成氢氟酸，腐蚀电极和固体介质。含水量一般要求在100ppm以内。(3)含水量(4)六氟化硫混合气体常见的廉价气体，如氮气、二氧化碳、空气等，混入很少量的六氟化硫，即可提高其击穿电压。解决高寒地区的SF6气体液化问题。40/44(1)封闭式气体绝缘组合电器(GIS)组成：GIS由断路器、隔离开关、接地刀闸、互感器、避雷器、母线和出线终端等部件组合而成，全部封闭在充SF6气体的金属外壳中。GIS的优点：占地少——适合我国国情；运行安全可靠，外壳接地，不会误伤运行人员；防污能力强—不受风霜雨雪的侵袭；安装简便、检修周期长。4.SF6气体绝缘电气设备41/44GIC的优点：电容小——GIC的电容只有充油电缆的1/4左右，故容抗大，容性电流小，传输距离长；介质损耗小；导体截面积大，传输容量大；能够用于大落差的场合。(2)气体绝缘管道输电线(GIC)(3)气体绝缘变压器(GIT)GIT的优点：GIT是防暴型变压器，非常适合于城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合；气体传递振动能力小于液体，GIT的噪声小；气体介质不会老化，简化了维护进程；42/44本章主要知识点均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性均匀电场气隙中，空气的平均击穿场强；稍不均匀电场气隙中（球隙），空气的击穿特性；极不均匀电场气隙的击穿特性直流、交流、冲击（雷电/操作）下气隙击穿的基本特性；极性效应；饱和特性；大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正空气密度、湿度、海拔高度校正的原因及方法；提高气体介质电气强度