章不同电压形式下空气的绝缘特性.ppt

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1、第2章 不同电压形式下空气的绝缘特性,影响空气间隙放电电压的因素 电场情况:均匀场,稍不均匀场,极不均匀场 电压形式:直流电压,交流电压,雷电冲击电压,操作冲击电压(本章讨论问题) 大气条件:气压,温度,湿度等,第2章 不同电压形式下空气的绝缘特性,2.1 持续作用电压下空气的绝缘特性 2.2 雷电冲击电压下空气的绝缘特性 2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性 2.4 提高气体间隙击穿电压的措施,2.1 持续作用电压下空气的绝缘特性,2.1.1 均匀电场中空气的绝缘特性 2.1.2 稍不均匀电场中空气的绝缘特性 2.1.3 极不均匀电场中空气的绝缘特性,持续作用电压:直流和工频的统称,这类电压

2、随时间的变化速度较小,因此放电发展的时间可忽略不计; 冲击电压:包括雷电冲击和操作冲击电压,其持续的时间极短,以微妙计放电发展时间不能忽略,间隙击穿具有新的特点,在不均匀电场中尤其明显.,2.1.1 均匀电场中空气的绝缘特性,均匀电场的击穿特点: 击穿前无电晕,无极性效应,直流交流和正负50%冲击电压的击穿电压相同,采用相同公式计算. 计算公式,当间隙距离较大(d1cm)时,空气的电气强度大约等于30kV/cm. 当间隙距离较大时,均匀电场不容易获得,一般得到的是稍不均匀电场.,2.1.2 稍不均匀电场中空气的绝缘特性,稍不均匀电场的击穿特点:击穿前无电晕,极性效应不明显,直流,工频和50%冲

3、击电压的击穿电压几乎一致. 稍不均匀电场的击穿电压与电场不均匀程度f关系很大,因此没有统一的经验公式,只能根据类似的典型电极结构的实验数据进行估算. 稍不均匀电场的击穿电压通常根据起始场强经验公式进行估算.,利用 f 取决于电极布置.下页图给出了几种典型电极结构下的电场不均匀系数. 对于稍不均匀电场,当Emax达到电晕起始场强E0时,U达到击穿电压Ub,从而得:,对稍不均匀场,E0不好求,可以采用E0 =30kV/cm进行估算.,对稍不均匀场,间隙击穿电压Ub即为电晕起始电压Uc.,图 几种典型电极结构示意图及其不均匀系数 1 同心球 2 球-平板 3 球-球 4 同轴圆柱 5 圆柱-平板 6

4、 圆柱-圆柱 7 曲面-平面 8 曲面-曲面,典型电极结构的计算公式: 其中:E0电晕起始场强 Emax电极表面最大场强 f 电场不均匀系数 Uc电晕起始电压,(1),(2),(3),(4),(5),(6),2.1.3 极不均匀电场中空气的绝缘特性,极不均匀场击穿电压特点:电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱,极间距离对击穿电压的影响增大.因此可以采取极端结构的击穿电压数据进行分析估算. 典型的极不均匀电场极端结构: 棒-板(尖-板): 电场分布不均匀时 棒-棒(尖-尖): 电场分布均匀时,1.直流电压下的击穿电压 极不均匀场中,直流击穿电压的极性效应十分明显. (1) 空气间隙较小时,尖-板结

5、构和尖-尖结构的直流击穿电压与空气间隙的关系.见下图: 同样间隙距离下,不同极性间,击穿电压相差一倍以上; 尖-尖结构的击穿电压介于两种极性的尖-板结构的击穿电压之间,因为该电场有两个强电场曲,同等间隙距离下,电场的均匀程度较好.,1.直流电压下的击穿电压 极不均匀场中,直流击穿电压的极性效应十分明显. (2) 空气间隙较大时,棒-板结构的直流击穿电压与空气间隙的关系.见下图: 正棒-板:空气间隙的电气强度Eb4.5kV/cm; 负棒-板:空气间隙的电气强度Eb10kV/cm; 较大间隙距离0.5 3m的棒-棒结构,直流电压下的击穿场强为: Eb4.85.0kV/cm.,2. 工频电压下的击穿

6、电压 击穿都发生在正半周期值附近,所以击穿电压与直流电压下的正极性相似.见下图:棒-棒及棒-板结构工频击穿电压与间隙距离的关系曲线 间隙距离不太大时,击穿电压与间隙距离呈线性上升关系; 间隙距离很大时,击穿电压不再随间隙距离增大而线性上升,呈现饱和现象,这在棒-板结构中尤为明显. 以棒-板间隙为例: d=1m,Eb 5.23kV/cm(峰值) d=10m,Eb 2.1kV/cm(峰值),可见,间隙距离很大时,平均击穿场强明显降低,对棒-板结构间隙表现明显. 因此,在电气设备上,应尽量采用棒-棒类对称型的电极结构,而避免棒-板类不对称的电极结构. 关系曲线随着实验用的”棒”板”不同而有所不同,使

7、用时应注意其实验条件.,2.2 雷电冲击电压下空气的绝缘特性,2.2.1雷电冲击电压的形成与标准波形 雷电冲击电压的形成 标准雷电冲击电压波形 2.2.2 放电时延 2.2.3 50%放电电压 2.2.4 冲击系数与伏秒特性 冲击系数 伏秒特性及其制订 伏秒特性的应用,2.2.1雷电冲击电压形成与标准波形,1.雷电冲击电压的形成 (1)雷电放电概述 雷电现象是自然界中一种瞬间放电现象，同时伴随有雷声，具有高电流、高电压、变化快、放电时间短、辐射强等特征。 雷闪:雷云中聚积了大量电荷而在大气中引起的放电现象,分为云内闪,云间闪和云地闪,对地面设备造成危害的主要是云地闪. 按雷电的发展方向可分为下

8、行雷和上行雷.下行雷是在雷云中产生,向大地发展;上行雷是由接地物体顶部激发,向雷云方向发展.最常见的是下行雷. 雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷的符号决定.实际测量表明:无论什么地质情况,绝大部分的雷电是负极性雷.,雷电的特征 *1 雷电具有很大的电流 每次雷击闪电电流大小和波形有很大差别，尤其是不同种类放电差别更大。雷电流在流通过程中是变化的，其大小与地理位置、地质条件、季节等因素都有关系。一般平原地区比山地雷电流大，正闪电比负闪电能量大，第一闪击比随后闪击电流大。 *2 雷电具有很高的电压 闪电电荷量是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一次闪电放出的能量，也就是一次

9、闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电荷情况决定的，与地理条件和气象情况有关，也存在很大的随机性。大量观测数据表明，一次闪电放电电荷可从零点几库仑到1000多库仑，这些电荷在微秒内瞬时放电，所以，云层对大地之间的将电压高达几百万到几千万伏。,雷电的特征 *3. 雷电波的能量主要集中在低频范围 从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算被保护系统在其频带范围内雷电冲击波的幅度和能量大小，进而确定防雷措施； 另一方面，可以根据它的频谱特性来选择合适的传输线。 根据雷电的标准波形，雷电流主要分布在低频部分，随频率升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰

10、富；在波前相同的情况下，波尾越长，低频部分越丰富。根据这些数据可以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定雷电防护措施。,雷电的特征 *4 雷电活动规律 雷电活动从季节来讲以夏季最活跃，冬季最少，从地区分布来讲是赤道附近最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。 雷灾事故的历史资料统计和实验研究证明，雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律，同一区域容易遭受雷击的地点和部位有： 土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方； 山坡与稻田接壤处； 具有不同电阻率土壤的交界地段。,雷电的特征 *4 雷电活动规律 易遭受雷击的建（构）筑物：

11、 高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高楼等； 排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等； 内部有大量金属设备的厂房； 地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物； 孤立、突出在旷野的建（构）筑物。 同一建（构）筑物易遭受雷击的部位： 平屋面和坡度的屋面，檐角、女儿墙和屋檐； 坡屋度1/10且1/2的屋面； 屋角、屋脊、檐角和屋檐； 坡度1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角； 建筑物屋面突出部位，如烟囱、管道、广告牌等。,雷电的形成 雷电的形成与带电的云层雷云的存在分不开，有关雷云形成至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说,目前比较完善的假说-威尔逊假说。 地球本身是一个电容器，携带稳定的负电荷，地球

12、上空存在一个带正电的电离层，两者之间形成一个充好电的电容器，它们之间的场强为上正下负。 大量的水性质点,如水滴,雪片等,在强烈气流和地球引力场作用下具有不同的空气动力学特性,最终造成了水性质点强烈的荷电过程,在雷云的不同部位聚积了异号电荷,构成电场.其综合效果造成强烈的电荷分离能力,使雷云横向扩展几公里,纵向分离成两个大的电荷中心.(下页图) 带电云层构成雷云空间电场，其方向和地面与电离层之间的电场方向一致，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在的情况下，更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。,一般,雷云上层带正电荷，下层带负电荷。在云的最底部区域还

13、可能有正电荷的局部聚积. 实际上,气流并不单是只有上下移动，而是比这种运动更为复杂。因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。,尖端放电现象 当天空中有带大量电荷雷云的时候，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面构成一个已充电的电容器. 当雷云与地面之间的电压高到一定值，地面上突出的物体会放电，同时，天空带电的雷云在电场的作用下，少数带电微粒向地面靠拢，形成先驱注流,产生电离的微弱导通，这一阶段称为先驱放电。 先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲的相继向前发展。因为放电沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展,因此先驱放电常表现为分枝状。这些分枝状

14、的先驱放电通常只有一条放电分支达到大地,形成雷击, 开始主放电阶段。,(2)下行的负极性雷通常分为3个主要阶段: 先导放电 雷电先导与长间隙火花的先导性质相似,下行负先导具有分级发展的特点.平均速度约为11058105m/s.先导过程持续约几毫秒. 雷电先导通道高电导,高温的部分很狭窄,但是还有大量电荷分布在半径相当大的周围空气中,构成外围电离区. 当下行雷先导从雷云向建筑物方向发展时,从接地建筑物上可能产生向上的迎面先导,影响了下行先导的发展路线,决定了雷击点的位置.,(2)下行的负极性雷通常分为3个主要阶段: 主放电 当下行先导与大地短接时,进入主放电过程。在主放电中雷云与大地之间所聚集的

15、大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道, 发生猛烈的电荷中和，放出能量，以至发出突发的强烈的闪光和震耳的轰鸣雷响,主放电阶段造成雷电放电最大的破坏作用. 主放电通道的起始过程 主放电通道向上延伸 径向放电 主放电发展速度极快,约在0.07 0.5倍光速范围内,离地越高,速度越慢; 主放电延续的时间很短,一般不超过100微秒; 电流峰值极大,达到 几十几百kA.电流瞬间值随着主放电向高空发展逐渐减小,形成雷电流冲击波形.,(2)下行的负极性雷通常分为3个主要阶段: 余光 主放电后,云中的余量电荷沿雷电通道继续流向大地,可以看到一片模糊的发光.称为余光放电. 余光放电阶段,电流逐渐衰减,约为1

16、03101A,延续的时间较长,约为几个毫秒.,后续分量 先导放电,主放电和余光放电三个阶段组成了下行负雷的第一个组成部分,称为一个分量. 通常雷电流是重复的,第一分量之后还有几个后续分量构成重复放电. 每次负极性雷的分量数目多的可以达到10多个甚至20多个.相邻分量之间的间隔时间约为几十ms. 后续分量形成的原因: 由于雷云非常大，它各部分密度不完全相同，导电性能也不一样,即雷云中存在多个电荷聚集中心,所以它所包含的电荷不能一次放完.第一次放电是由雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。,后续分量组成: 仍然包括:先导,主放电和余光三个阶段. (1) 先导阶段:总是沿着第一分量

17、的通道前进.因为原先通道没有充分去电离,所以后续分量先导可以顺利地连续前进,而不再需要分级发展了. (2) 主放电阶段:与第一分量的主放电过程机理相同,只是电流较小,通常为第一分量的30% 50%,但电流波前时间比第一分量小的多,因此其电流上升最大陡度反而比第一分量的最大陡度大3 5倍,在电感性被击物体上造成较高的过电压. (3)余光阶段: 每次雷电对地泄放电荷的总量是变化的,从不足1库仑 几百库仑,平均约为35C,其中约有30% 50%是在余光放电阶段中泄放入地.,后续分量 雷闪放电时,雷云对地的静电电位很高,可以达到107108 V. 雷电冲击电压:雷云对地放电时,巨大的冲击电流在接地阻抗

18、上产生的巨大的电压降,或者极大的电流变化率在电感性被击物体上产生的高电压.另外,当输电线路附近落雷时,由雷电冲击电流引起的电场,磁场的剧烈变化,也会在线路上感应出很高的电压. 因此,雷击巨大的破坏力来自雷电冲击电流.分量中的最大电流和电流最大增长率是造成被击物过电压,电动力,电磁脉冲等的主要因素;余光阶段中流过的较长时间的电流是造成雷电热效应的主要因素.,采用冲击电压发生装置产生冲击电压,人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿,2 标准雷电冲击电压波形 雷电流具有冲击波形特点:迅速上升,平缓下降.雷电流在接地阻抗上形成的雷电压也具有冲击波形特征. 国际电工委员会(IEC)制定 雷电冲击电压标准波形,

19、分为全波和截波两种.截波是模拟雷电冲击波被某处放电而截断的波形. 全波冲击试验电压如下图所示,是非周期性冲击电压,波形先是很快上升到峰值,然后逐渐下降到零. 我国国家标准规定的波形参数与IEC推荐的一致:视在波前时间/视在半峰值时间=1.2/50微秒;对正负极性雷电冲击波的标准波形规定是一样的.,雷电冲击电压全波波形参数确定方法:GH视在波前时间T1(Tf)=1.2微秒,允许偏差30%;GK视在半峰值时间T2(Tt)=50微秒,允许偏差20%; 当波形有振荡时,取其平均曲线为基本波形,以此作为实验电压波形,峰值允许偏差3%;,波前截断及波尾截断的截波冲击实验电压波形示意图: 截断时间Tc (2

20、5微秒),截波峰值Uc,截断时刻电压Uj,截波电压骤降视在陡度CD线的斜率,电压过零系数U2/Uc(0.3)等.,2.2.2 放电时延,静态击穿电压:长时间作用在间隙上,能使间隙击穿的最低电压. 冲击电压击穿间隙的必要条件:冲击电压值大于静态击穿电压. 冲击电压击穿间隙的充分条件:需要足够的击穿时间.因为当电压上升到静态击穿电压时,间隙并不马上击穿,而是还要经过一段时间后才能击穿. 击穿时间:从开始加压的瞬间起到气隙完全击穿为止的总的时间.由3部分组成(见下图).,气隙的击穿时间由3部分组成:升压时间,统计时延和放电形成时延,其中后两者共称为放电时延.,升压时间t0:电压从0升高到静态击穿电压

21、U0所需时间; 统计时延ts:电压从升到U0时刻起到气隙中形成第一个有效电子的时间; 放电形成时延tf:从形成第一个有效电子时刻起到气隙完全被击穿的时间. 所谓”第一个有效电子”:电子能发展一系列的电离过程,最后导致间隙完全击穿的那个电子. 气隙中出现的自由电子并一定是有效电子,因为: 其可能被中性质点俘获,形成负离子,失去电离活力; 其可能扩散到间隙以外,不参加电离过程; 其即使引起电离过程,当电离过程可能中途衰亡而停止.,当短间隙,且电场比较均匀时, 放电时延统计时延. 统计时延具有统计性质,通常取平均值,称为平均统计时延.其值与电压,电场,外界照射都有关,一般电压 ,照射 ,则ts .

22、当长间隙,且电场不均匀时,放电时延中放电形成时延占主要部分.,2.2.3 50%放电电压,当幅值为Um的冲击电压加在间隙上,已知间隙的静态击穿电压为U0时: UmU0,超过U0所持续的时间TU0,放电时延缩短,且T放电时延时,每次冲击都能使间隙击穿; 电压在上述两者之间,击穿概率随电压的升高而提高. 存在一个电压值,当该电压加到间隙上时,发生击穿与不击穿的概率各为50%,称为该间隙的50%放电电压 U50.对冲击电压,一般采用U50来衡量间隙的绝缘特性.,2.2.3 50%放电电压,确定间隙的U50的方法: 保持标准波形不变,逐级升高电压幅值,每级电压值加10次,直到每10次中有46次击穿,则

23、此电压可作为该间隙大致的U50.每级加压次数越多,所得的U50越准确. 采用多级法确定 采用50%放电电压决定绝缘距离: 对外绝缘常用96%U50作为间隙的耐受电压,其耐受概率为90%,即10次中有一次击穿. 安全要求高的场合,可取91%U50作为间隙的耐受电压,其耐受概率为99.85%. 典型结构下(棒-棒结构,棒-板结构)的U50的实验曲线(下图所示).,棒-板间隙的极性效应明显;棒-棒间隙的极性效应不大. 除了间隙很小的情况,击穿电压和间隙距离呈直线关系.,2.2.4 冲击系数与伏秒特性,1 冲击系数: U50/U0 其中,50%放电电压U50,静电击穿电压U0. 均匀场和稍不均匀场,冲

24、击系数=1.即直流击穿电压,交流击穿电压峰值和U50,静电击穿电压U0三者相等. 由于放电时延短, 在U50下,击穿通常发生在波形峰值附近. 极不均匀场, 冲击系数通常1.由于放电时延较长,在U50下,击穿通常发生在波形尾部.,2.2.4 冲击系数与伏秒特性,2 伏秒特性及其制定 由于放电时延的影响,气隙的击穿需要一定的时间.对非持续作用的电压,如脉冲电压,气隙的击穿电压与电压作用的时间有关. 同一个气隙,冲击电压的峰值较低但延续时间较长,在此电压作用下,可能被击穿;冲击电压的峰值较高但持续时间较短,可能反而不被击穿. 可见,在冲击电压下仅用单一的击穿电压值描述间隙的绝缘特性是不全面的.一般,

25、用间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线来表示间隙的冲击绝缘特性,此曲线称为:间隙的伏秒特性.,伏秒特性的求取 保持一定波形而逐渐升高冲击电压的峰值.以每个等级冲击电压下的击穿时刻和对应冲击电压的峰值作为坐标,确定对应的伏秒特性点.这些点连成的一条曲线就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性曲线.,伏秒特性是以上下包线为界的带状区域.每级电压下,放电时间小于下包线横坐标所示数值的概率为0%,而小于上包线横坐标所示数值的概率为100%,因此,上下包线相应地称为0%和100%伏秒特性. 工程上还采用50%伏秒特性曲线,又称平均伏秒特性.绘制方法:在上下限间选取一个数值,即某电压下的50%概率放电

26、时间.以该时间和该电压为坐标,获得的点,连成曲线即为50%伏秒特性曲线. 平均伏秒特性大致反映该间隙的伏秒特性,但应注意其两侧有一定的分散区域. 同一个气隙,对不同的电压波形,其伏秒特性不一样,一般情况下,指的是标准冲击波下的伏秒特性.,伏秒特性的应用 间隙伏秒特性的形状取决于电极间电场的分布 (1) 极不均匀场中,平均击穿场强较低,放电时延较长,其伏秒特性随放电时间的减少有明显上翘; (2) 均匀场和稍不均匀场中,平均击穿场强较高,放电时间较短,伏秒特性比较平坦. 伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性有重要意义. 不同伏秒特性的气隙并联时,加上一个电压导致其中某个气隙被先击穿,则电压被

27、短接截断,另一个就不会再被击穿.利用这一点,可以采用保护装置作为易被首先击穿的气隙,来保护对应的电气设备.,伏秒特性的应用 两个气隙的不同伏秒特性曲线关系: 如下图所示 图2-19中,S2全面位于S1的下方,即任何电压波形下,S2都比S1先被击穿,可以可靠保护S1不被击穿; 图2-20中,当冲击电压峰值较低,时延较长的区域,S2在S1下方,S2先被击穿,S1可以得到保护;在冲击电压峰值很高,时延较短的区域,则S1先被击穿,无法得到保护;而在交叉区域,可能S1先被击穿,也可能S2先被击穿. 因此,要保证S1能得到可靠的保护,则S2的伏秒特性显然必须全面低于S1. 比如,在阀式避雷器等保护装置中,

28、保护间隙都尽量采用均匀电场结构,以确保在各种电压下,保护装置的伏秒特性曲线都低于被保护设备.,2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性,2.3.1 操作冲击电压的形成与波形 操作冲击电压的形成 操作冲击电压波形 2.3.2 操作冲击放电电压的特点,2.3.1 操作冲击电压的形成与波形,1. 操作冲击电压的形成 操作冲击电压:电力系统的输电线及电气设备具有电感和电容性,由于系统运行状态的突变,导致电感和电容元件间的电磁能转换,引起振荡性的过渡过程.该过程会在某些设备和电网上造成很高的电压,远远超过正常运行的电压,称为操作过电压. 操作过电压的幅值,波形与电力系统的电压等级有关.过渡过程的振荡基值=系

29、统运行电压,电压等级越高,操作过电压幅值也越高. 这与雷电过电压不同,后者取决于接地电阻,与系统电压等级无关.,过去认为,操作过电压下的空气间隙及绝缘子的闪络电压=操作冲击系数工频放电电压,且波形的影响可忽略. 220kV及以下电压等级的电力系统,操作冲击系数=1.1; 220kV以上电压等级的电力系统,操作冲击系数=1. 随着电力系统电压等级的提高,操作冲击下的绝缘问题越来越突出.近几年来研究发现,操作冲击电压下的气体绝缘放电特性有许多新的特点,应根据操作冲击电压波形下的放电电压进行设计.,2. 操作冲击电压波形 该波形与电压等级,系统参数,设备性能,操作性质,操作时机等因素有关. IEC和

30、我国国家标准:250/2500微秒(波前时间/半峰值时间)的操作冲击电压标准波形.如下图所示. 当标准操作冲击波形不能满足要求时,推荐采用: 100/2500微秒波形 500/2500微秒波形 另外建议一种衰减振荡波:第一个半波的持续时间在2千3千微秒,反极性的第二个半波的峰值约为第一个峰值的80% 近年来,国际上趋向于采用:长波尾的非周期冲击波来模拟操作过电压的作用.,2.3.2 操作冲击放电电压的特点,操作冲击电压的作用时间: 介于工频电压与雷电冲击电压之间. 在均匀场和稍不均匀场中,操作冲击50%放电电压,雷电冲击U50,直流放电电压和工频放电电压等幅值几乎相同,分散性不大,击穿发生在峰

31、值附近. 在极不均匀场中,操作冲击表现出许多的特点 U形曲线; 极性效应; 饱和现象; 分散性大; 邻近效应; 操作冲击50%放电电压极小值经验公式,(1) U形曲线 实验结果: 非振荡操作冲击电压下,闪络电压随着波前时间的增加而减少,在100500微秒范围内达到最小值;半峰时间对闪络电压影响较小.如图所示. 原因:闪络几乎总发生在波峰前和波峰处.,(1) U形曲线 实验结果: 临界波前时间:当该时间为定值,间隙的50%击穿电压为最小值.见图:棒-板间隙距离d增大时,临界波前时间随之增大.在d7m的间隙,临界波时间约在100300微秒范围内. 间隙距离d越大,放电发展所需的时延越大,因此相应的

32、临界波前时间就越大.(图2-23 棒-板气隙的操作冲击击穿电压),原因: (1) U形曲线左半支的上升特征 当波前时间从临界值减小,则放电发展时间缩短,放电时延减小,要求有更高的击穿电压才能实现击穿; (2) U形曲线右半支的上升特征 当波前时间从临界值增大,留给放电发展的时间足够长,再增大放电时间,对放电发展没有意义; 另一方面,起晕棒极附近电离处的与棒极同极性的空间电荷,能有足够的时间被驱赶到更远处,造成附加电场减弱,则不利于放电的进一步发展,从而要求更高的击穿电压才能击穿. 棒-板间隙的U形曲线最显著,其他结构间隙也大多存在该规律;伸长形电极(如分裂导线)形成的间隙最不显著;正极性电压比

33、负极性电压显著.,(1) U形曲线 实验结果: 棒-板间隙在某种波前的操作波作用下的击穿电压甚至比工频电压还低很多.其他结构的间隙也有这种情况,但程度较轻. 原因: 工频半波相当于波前时间5000微秒,该值位于U形曲线的右半支.因此,其击穿电压反而比临界波前操作冲击击穿高. 这一点值得特别注意:对工程中各个气隙尺寸的选定有极其重要的影响.,(2) 极性效应 在不同的电场结构中,正极性操作冲击的50%击穿电压都比负极性的低,因此更危险.一般讨论时都指正极性情况. 在同极性的雷电冲击标准波的作用下, 棒-板结构间隙的击穿电压 棒-棒结构间隙的击穿电压 在同极性的操作过电压的作用下, 棒-板结构间隙

34、的击穿电压 棒-棒结构间隙的击穿电压 因此,设计高电压电力装置时,应尽量避免棒-板型气隙.,(3) 饱和现象 在操作过电压作用下,长间隙的击穿电压呈现出显著的饱和现象,特别是棒-板型气隙饱和程度尤为明显(见图).这一点与工频击穿电压的规律类似.而雷电过电压下的饱和现象却不明显.,原因:工频和操作波下,长间隙的作用时间长,先导形成后,放电更易于发展.而雷电冲击时,作用时间太短,因此雷电的放电电压与气隙距离呈线性关系.,(4)分散性大 操作冲击电压作用下,气隙的50%击穿电压的分散性大: 集中电极(如棒极)比伸长电极(如导线)更大; 波前时间较长的(如1000微秒以上)比波前时间较短的(如1003

35、00微秒)更大; 对棒-板间隙,对波前时间较长的,50%击穿电压的相对标准偏差8%,对波前时间较短的,5%. 雷电冲击电压下,分散性小的多,3%; 工频电压下,分散性更小, 2%,(5)邻近效应 电场分布对操作冲击50%放电电压影响很大: 接地物体靠近放电间隙,会显著降低正极性的击穿电压,但也会部分提高负极性的击穿电压,称为邻近效应. (6)操作冲击50%放电电压极小值经验公式 正棒-板空气间隙操作电压的U性曲线中,50%放电电压极小值U50.min与间隙距离d的关系,有以下经验公式: 其中,U50.min(kV),d(m) 对d=120m的长间隙,该公式与实验结果十分吻合.,2.4 提高气体

36、间隙击穿电压的措施,2.4.1 电极形状的改进 2.4.2 空间电荷的利用 2.4.3 极不均匀场中屏障的采用 2.4.4 固体绝缘覆盖层 2.4.5 高气压的采用 2.4.6 高真空的采用 2.4.7 高电气强度气体 (SF6 ) 的采用,高压电气设备中经常遇到气体绝缘间隙.为了减少设备尺寸,一般希望间隙的绝缘距离尽可能小.因此,必须采取措施,以提高气体间隙的击穿电压. 提高气体间隙击穿电压的方法: 改善电场分布,使之尽可能均匀 (1) 改进电极形状 (2) 利用气体放电本身的空间电荷畸变电场的作用. 利用其他方法来削弱气体中的电离过程 在解决实际工程问题时,应根据具体情况,决定采用合适的方

37、法.,2.4.1 电极形状的改进,一般来说,电场分布越均匀,平均击穿场强也越高.方法如下: 改进电极形状,增大电极曲率半径,来改善电场分布,提高间隙的击穿电压. 电极表面应尽量避免毛刺,棱角等,以消除电场的局部增强现象. 如极不均匀电场不可避免,应尽量采用对称电场,如棒-棒类型. 极不均匀场中,经常采用增大电极曲率半径的方法来避免工作电压下出现的强烈电晕放电.,工程上,常用的一些改变电极形状来调整电场的方法,归纳如下:(见下页图) 增大电极曲率半径,来减小表面场强: 如变压器套管端部加球形屏蔽罩(a图);采用扩径导线,保证截面相同,半径增大(b图). 改善电极边缘,以消除边缘效应: 如电极边缘

38、做成弧状,或尽量使其与某等位面相近 (c图). 使电极具有最佳外形,以此改善其电场分布: 如穿墙高压引线上加金属扁球,墙洞边缘做成近似垂链线旋转体(d图). 调整电场,减低局部过高场强,对气体间隙及其他各种绝缘结构都可以提高其电气强度.,改变电极形状调整电场,2.4.2 空间电荷的利用,极不均匀电场中,间隙被击穿前先发生电晕现象.在一定条件下(如持续作用的电压),利用放电自身产生的空间电荷来改善电场分布,以提高击穿电压.但是击穿前会出现持续的电晕现象,这在很多场合是不允许的. 导线-平板结构的间隙, 在工频电压下,在一定的间隙距离范围内,具有”细线”效应(见下页图所示) : 导线直径位16mm

39、和20mm时,击穿电压直线部分与尖-板间隙相近; 导线直径位3mm和0.5mm时,击穿电压在很大范围内反而比直径大的导线的击穿电压更高,特别是0.5mm直径的导线的击穿电压曲线与均匀电场的接近;,2.4.2 空间电荷的利用,导线-平板结构的间隙, 在工频电压下,当间隙距离超过一定值时,细线也会产生刷状放电,从而破坏均匀的电晕层,此后的击穿电压与尖-板结构间隙的相近. 在雷电冲击电压下,没有细线效应(见下页图所示).,“细线”效应分析 (1)当导线直径很小时, 导线周围容易形成比较均匀的电晕层.电压增加,电晕层也扩大.电晕放电所形成的空间电荷使电场分布发生改变.由于电晕层比较均匀,所以电场分布得

40、到改善,从而提高了击穿电压; (2)当导线直径较大时, 电极表面不可能完全光滑,总存在局部电场强的地方,从而存在电离局部强的现象. 另外,导线直径大,则导线表面附近的强场区也较大,电离一经发展就很强烈.局部电离的发展,加强了电离区前方的电场,而削弱了周围附近的电场,从而该电离区得到进一步发展,电晕很容易进入刷状发电. 因此击穿电压变小,并与尖-板间隙相近.,2.4.3 极不均匀场中屏蔽的采用,在极不均匀场的空气间隙中,放入薄片固体绝缘材料(如纸板),在一定条件下,可以显著提高间隙的击穿电压,这就是屏蔽作用. 屏蔽的效果与屏障位置,电压类型有关(见下页图). 正尖-板间隙,设置屏障间隙击穿电压显

41、著提高.原因如下: 无屏障时,尖极附近形成的正极性空间电荷加强了前方电场,促进了电离区向前推进,因此击穿电压很低. 当设置屏蔽后,正离子在屏障上聚集,因为同号电荷相斥,正离子在屏障表面分布较均匀,从而在屏障前方形成较均匀电场,改善了整个间隙的电场分布,因此可以提高击穿电压. 当屏障靠近尖极时,屏障与板极尖的均匀电场区扩大,间隙的击穿电压上升;但屏障离尖极过近时,屏障上的正电荷分布不再均匀,屏障前方又出现极不均匀电场,屏蔽作用减弱.,2.4.3 极不均匀场中屏蔽的采用,对负尖-板间隙,屏障的作用效果 某些部分与正尖-板相似,但是有许多不同的地方,说明如下:(见下图) 当屏蔽较靠近板极处,间隙击穿

42、电压反而降低. 因为无屏障时,负离子扩散于空间,部分消失于电极,影响电场分布的主要是正离子,它削弱了前方的电场.但是设置屏障后,屏障上聚集大量的负离子影响了电场分布,加强了前方电场.因此屏障较远离尖极后,设置的屏障反而减低了间隙的击穿电压. 当屏障离尖极过近时,仍然具有屏障作用. 因为电子速度高,可以穿透屏障,从而屏障上无法聚集大量负电荷,而屏障另一边由电离造成的正电荷被屏蔽阻挡,使屏蔽带正点,因此屏蔽和板极间的电场被削弱,当屏障紧靠尖极时,仍具有屏蔽效应.,尖-板间隙的击穿电压和屏障位置的关系曲线:直流电压下,尖-板间隙的击穿电压和屏障位置的关系曲线:工频电压下,尖-板间隙的击穿电压和屏障位

43、置的关系曲线:雷电冲击电压下,尖-板间隙中,屏蔽作用与电压种类有关. 直流电压下,设置屏障后的击穿电压得到提高.其中,正尖-板间隙的击穿电压提高显著. 工频电压下,设置屏障后的击穿电压得到显著提高. 因为在无屏障时,尖-板间隙中,都是在尖极为正极性的半周内发生击穿.因此,设置屏障后,间隙的击穿电压得到显著提高. 雷击冲击电压下, 正尖-板间隙时,屏障可以显著提高间隙的击穿电压;负尖-板间隙时,间隙的击穿电压与无屏障时相近. 雷电冲击电压的作用时间极短,屏障上来不及聚集大量的空间电荷,因此其屏障作用与持续作用的电压下的原理不同. 有人假设:屏障防碍了光子的传播,从而影响了流注的发展,提高了间隙的

44、击穿电压. 实验表明,屏障上有小孔时,雷电冲击电压下,间隙的击穿电压不能提高;持续作用的电压下,对屏障效应的影响很小(屏障过分靠近尖极情况除外).,屏蔽作用发生在极不均匀场中,效果明显. 在均匀电场和稍不均匀电场中,设置屏障并不能提高气体间隙的击穿电压. 因为这种电场中,击穿前没有电晕放电阶段,且击穿前间隙中各处场强都很高,所以屏障不能聚集空间电荷而起改善电场的作用,以不能防碍流注的发展,因此,屏障起不了提高击穿电压的作用.,2.4.4 固体绝缘覆盖层,在稍不均匀电场中,在高场强电极表面覆盖固体纸绝缘层,能显著提高间隙击穿电压. 对上述在电极上覆盖绝缘层来提高气隙击穿电压的研究,还有待进一步深

45、入.,2.4.5 高气压的采用,采用改善电场分布,来提高击穿电压的方法,其平均击穿场强仍然大气压下空气的电气强度(约30kV/cm),这个数值并不高. 因此,采用另一种措施:削弱气体中的电离过程,来提高击穿电压. 比如在设备内绝缘等有条件的情况下,提高气体压力,以减少电子的平均自由行程,从而削弱电离过程.,(1) 电场均匀程度的影响 均匀电场中,空气间隙击穿电压与间隙距离,大气压力的关系,见下图. 间隙距离一定,压力 ,则击穿电压 ; 当压力增加到一定程度,击穿电压增加的幅度减小,说明此后再增加压力效果下降.,(1) 电场均匀程度的影响 高气压下,电场的均匀程度对击穿电压的影响比在大气压力下要

46、显著多: 电场均匀程度 ,击穿电压 . 因此,采用高气压的电气设备应尽可能使电场均匀. 工程上实际采用的高气压值不会太大,原因如下: 气压太高时,击穿电压随气压升高的规律不再符号巴申定律,压力越大,分歧越大. 压力越大,对容器的机械强度及密封等问题的要求也越高,大大增加了制造成本.,2.4.6 高真空的采用,目的:削弱电极间气体的电离过程.因为,虽然电子的自由行程很大,但间隙中没有气体分子可供碰撞,因此电离过程无法发展,以此显著提高间隙的击穿电压. 高真空下,击穿场强与压力大小关系不大,碰撞电离不起主要作用;此时的击穿机理是强场放射.相关因素,如电极材料逸出功,电极表面光滑度,清洁度(吸附气体

47、杂质)等,都会影响击穿电压. 另外,高能电子在阳极撞出的正离子和光子,到达阴极将引起阴极表面电离,发射出电子,并使电极表面金属汽化,金属蒸气进入电极空间.因此,电极材料的溶点及机械强度也是影响击穿电压的因素. 电气设备中,气固液等几种绝缘材料常常并存,固液材料在高真空下会释放气体.因此,此种方法目前在电气设备中采用不多,如真空断路器.,2.4.7 高电气强度气体的采用,高气压或高真空方法的缺点: (1)到达一定限度后,设备密封困难,成本大大提高. (2)提高到10个大气压后,再提高气压,效果大大下降. (3)空气中的氧在高气压下因击穿时的火花可能引起绝缘材料的燃烧. 许多含卤族元素的气体化合物

48、,如SF4,CCL4和CCL2F2等的电气强度比空气高的多.称为高电气强度气体.采用它代替空气可以提高间隙的击穿电压,缩小设备尺寸,降低工作气压. 高电气强度气体中,CCL4,CCL2F2电气强度大,但液化温度高,工程上难以采用.目前,普遍采用SF4.,SF4是一种无色,无味,无毒,非燃性的惰性气体,具有较高的耐电强度,很强的灭弧能力,对金属和其他绝缘材料没有腐蚀作用.加热到5000C时仍不会分解.在中等压力下,容易被液化,便于储存和运输.目前SF4是性价比最高的高电气强度气体. SF4广泛应用于:大容量高压断路器,高压充气电缆,高压电容器,高压充气套管和全封闭组合电器等中. 优点:采用SF4

49、的电气设备的尺寸大大缩小 例如500kV的SF4金属封闭式变电站的占地仅为开放式变电站用地的5%,且不受外界气候变化影响. 缺点:造价太高,是一种对臭氧层有破坏作用的温室气体.,(1) SF4等气体电气强度高的原因 含有卤族元素,气体具有很强的电负性.即气体分子容易与电子结合形成负离子,从而削弱了电子的碰撞电离能力,并加强了复合过程. 气体分子量较大,直径大,使电子在其中的自由行程缩短,不易聚集能量,从而减少了碰撞电离的能力. 电子与气体分子相遇时,易引起分子的极化过程,增加了能量损失,从而减弱了碰撞电离的能力.,(2)电子电离系数,附着系数和自持放电条件 对SF4,不仅考虑电子在电场作用下因碰撞电离而不断产生新的带电质点; 还要考虑其具有强烈的电负性,分子吸附电子,防碍放电发展的可能性. 电子电离系数:表示一个电子在电场方向,单位长度行程内,新电离出的电子数; 电子附着系数:表示一个电子在电场方向,单位长度行程内,可能被吸附的次数; 有效电离系数=-. 下页图所示,表示SF4的三个系数与电场强度E,气压p的关系.,SF4的临界值(E/p) cr = 885kV/(cm.MPa) 仅当E/p大于临界值时,