高电压技术(3).ppt

1、第三章 气隙的电气强度,第一节 气隙的击穿时间 第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布 第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响 第四节 较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压 第五节 提高气隙击穿电压的方法,3.1 气隙的击穿时间,最低静态击穿电压U0 击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、放电发展时间tf 、放电时延 tl 短间隙(1厘米以下) tfts ，平均统计时延 较长的间隙中 tl主要决定于tf 间隙上外施电压增加，放电发展时间也会减小,3.2 气隙的伏秒特性,一. 电压波形 （一）直流电压 直流试验电压大都由交流整流而得，其波形必然有一 定的脉动，纹波系数为脉动幅值与平均值之比

2、。国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3。 （二）工频交流电压 工频交流试验电压应近似为正弦波，正负两半波相 同，其峰值与有效值之比应在 以内。频率一般在 4565Hz范围内。,（ 三） 标准雷电冲击电压波 用来模拟雷电过电压波，采用非周期性双指数波。T1视在波前时间； T2视在半峰值时间 ；Um冲击电压峰值,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s 30% ；T2=50s20% 通常写成1.2/50s。,（四） 标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如图。IEC标准和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30% ；Tc=

3、25s 。可写成1.2/ 25s .,（五） 标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期性双指数波。波前时间Tcr=250s20%；半峰值时间T2=2500s60% 。可写成250/2500s冲击波。 当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波下右图，第一个半波的持续时间在20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%,标准操作冲击电压波,二、伏秒特性,气隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏

4、秒特性。 50%冲击击穿电压 （U50% )指某气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。,（一）伏秒特性曲线的制作,保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电压，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,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。,3-U0% 2-U50% 1-U100%,（二）伏秒特性的用途,间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布 伏秒特性对于比较不同设备绝缘的

5、冲击击穿特性具有重要意义,3-2-6 对1 起保护作用,3-2-7在高幅值冲击电压作用下， 不起保护作用,三. 气隙击穿电压的概率分布,气隙击穿的几率分布接近正态分布，通常可以用U50%和变异系数Z来表示。 100%的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实验），实际中常用很高耐受几率(例如99以上)的电压作为耐受电压。,由于大气的压力、温度、湿度等条件会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响气隙的击穿电压Ub。,一、 我国的国家标准所规定的标准大气条件为：,压力 p0 =101.3kpa； 温度 t0 =20 或 T0 = 293K； 绝对湿度 hc =11g / m3 。,3

6、.3大气条件对气隙击穿电压的影响,二、大气条件对击穿电压影响 气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高 原因： 大气密度升高而击穿电压升高：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。 湿度的增加而击穿电压升高：水蒸汽是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使自由电子的数量减少，阻碍了电离的发展。,式中: U 实际试验条件下的气隙击穿电压 U0 标准大气条件下的气隙击穿电压 Kd空气密度校正因数 Kh湿度校正因数,1、对空气密度的校正,在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿度影响不太明显,在极不均匀

7、电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿度校正因数来校正,Kh = KW,指数W之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可参考有关国家标准,2、对湿度的校正,我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m 、但不超过4000m 处的电力设施外绝缘，在 1000m以下试验时其试验电压U 应为平原地区外绝缘的耐受电压Up 乘以海拔校正因数Ka ， U = Ka Up,式中 H安装点的海拔高度，m。,3、对海拔的校正,3.4 较均匀电场气隙的击穿电压,均匀电场 特点： 起始放电电压就等于气隙的击穿电压， 击穿电压与电压极性无关 空气的击穿电压(峰值) 的经验公式为 式中 S 间隙距离

8、（cm） 空气相对密度 电气强度（峰值）大致等于30kV/cm,2. 稍不均匀电场中的击穿电压 不能形成稳定的电晕放电 电场不对称时，极性效应不很明显 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大 击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高 球球间隙，球板间隙，同轴圆柱间隙,影响击穿电压的主要因素是间隙距离 选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒(尖)板 ：电场分布不均匀、不对称 棒(尖)棒(尖) ：电场分布不均匀、对称 直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大，且极性效应显著 工程上，击穿电压可以参照与接近

9、的典型气隙的击穿电压来估计,3.5 不均匀电场气隙的击穿电压,1. 直流电压下的击穿电压,棒板间隙：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/cm 极性效应：,2. 工频电压下的击穿电压,击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系 棒棒3.8kV/cm，棒板低：极性效应 “饱和现象” ：距离加大，平均击穿场强明显降低，棒板间隙尤为严重 d1m， 5 kV/cm dlm，2 kV/cm,图3-5-2 棒棒和棒和板空气间隙的 工频击穿电压与间隙距离的关系,结论: 气隙较大时（S大

10、于2.5m），击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向，特别是棒板气隙，其饱和趋向更明显。,图3-5-4 气隙的冲击击穿电压与距离的关系,3雷电冲击电压下,4 .操作冲击电压下,极不均匀电场中的操作击穿有许多特点,特点,极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电压比负极性下低，所以也更危险 电场分布的影响 “邻近效应” ：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响,3.波形的影响,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，对7

11、m以下的间隙，大致在50200s之间 放电时延和空间电荷(形成及迁移)这两类不同因素的影响所造成的,分散性大 对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50击穿电压的标准偏差约为5；波前时间超过1000s以后，可达8左右（工频及雷电冲击电压下均约为3） “饱和”现象 和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击50击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征（雷电冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系 ）,50击穿电压极小值的经验公式 式中 S 间隙距离，m 上式对于2 20m的长间隙和试验结果很好地符合,3.6 提高气体间隙击穿电压的措施,两个途径： 一、改善电场分布，使之尽量

12、均匀 1.改进电极形状 2.利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程,(一）改善电场分布,增大电极曲率半径（简称屏蔽） 减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等 改善电极边缘 电极边缘做成弧形 使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属扁球,（二） 高真空的采用,削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压 高真空中击穿机理发生了改变：撞击电离的机制不起主要作用，而击穿与强场发射有关,应用：真空断路器中用作绝缘和灭弧。,（三）高气压的采用,减小电子的平均自由行程，削弱电离过程 例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/51/8，提高压力

13、至11.5MPa，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到采用 如：高压空气断路器、高压标准电容器等,均匀电场中的击穿电压,在一定的压力范围内，击穿场强的提高遵循巴申定律，并且击穿场强大致和气压成正比 大约从1MPa开始，实验结果和巴申定律的分歧就逐渐明显了,不均匀电场中的击穿电压 不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压也将高于大气压强下的数值 在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影响比在大气压力下要显著得多，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低。,含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（

14、CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称为高电气强度气体,（四）高电气强度气体的采用,卤化物气体电气强度高的原因 1由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电离能力，同时又加强复合过程 气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞电离能力 电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力,对高电气强度气体的要求 1液化温度要低，采用高电气强度气体时，常常同时提高压力，以便更大程度的提高间隙的击穿电压，缩小设备的体积和重量。所以这些气体的液化温度要低，

15、以便在较低的运行温度下，还能施加相当的压力 2应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设备中的其它材料，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电过程中也不易分解等 3经济上应当合理，价格便宜，能大量供应,（五） SF6气体的应用,目前工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6）。SF6除了其电气强度很高以外，还具有优良的灭弧性能，很适合用于高压断路器中 SF6已不仅用来制作单台电气设备（如SF6断路器、避雷器、电容器等），而且发展成了各种组合设备，即将整套送变电设备组成一体，密封后充以SF6气体，如全封闭组合电器、气体绝缘变电所、充气输电管道等。这些SF6组合设备具有很多优点，如可大大节省占地面积、简化运行维护

16、等等,3.7 提高气隙沿面闪络电压的方法,一、屏障 在固体戒指的表面沿电场等电位方向设置突出的棱缘（屏障），可显著提高沿面闪络电压。 原因： 1）电子或离子沿平行于等电位面的屏障表面运行时，不能从电场吸收能量； 2）增大了两电极间沿固体表面的泄漏距离。,二、屏蔽 屏蔽：通过改善电极形状，使沿固体介质表面的电位分布变均匀，从而提高沿面闪络电压的方法。,图为输电线路绝缘子串的等值电路 C-每片绝缘子自身的电容，约为5075pF; - -每片绝缘子对地的电容，约35pF -每片绝缘子对导线的电容，约0.31.5pF,三、强制固定绝缘表面的电位 在绝缘内部加电容极板或在绝缘表面加中间电极使电位分布均匀，达到提高沿面闪络电压的目的。,四、应用半导体涂料 在电位梯度较大的部位涂以半导体