SF6高压开关学习资料-第四章.

Copyright©2007Xi’anJiaotongUniversity西安交通大学高电压技术教研室丁卫东GIS装置及其绝缘技术《GIS装置及其绝缘技术》2007年10月1日Copyright©2007Xi’anJiaotongUniversity第四章SF6中支撑绝缘子的沿面放电Xi’anJiaotongUniversity-3-内容沿面放电气体绝缘系统中绝缘子必须满足的要求气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料电场分布及其对沿面闪络电压的影响屏蔽电极的影响影响沿面闪络电压的其它因素直流电压作用下的绝缘子变介电常数材料绝缘子Xi’anJiaotongUniversity-4-沿面放电沿面放电沿不同相(固、液、气)电介质的界面发生的放电现象称之为沿面放电。具体到SF6气体绝缘中，则是沿着支撑绝缘子的表面发生的放电现象。沿整个固体绝缘表面发生的放电称为闪络，在放电距离相同的情况下，沿面闪络电压低于纯气隙的击穿电压。因此，很多情况下事故往往是由沿面闪络造成的，所以，正如我们已经在第三章中所讲过的，支撑绝缘子是GIS装置的弱点之一。支撑绝缘子虽然是GIS系统中的弱点，但其作用也是必不可少的，故必须对其特性作一些了解。支撑绝缘子的沿面闪络隔板系数(0.5-0.9)：绝缘子沿面闪络电压纯气隙击穿电压SF6充气压力、绝缘子介电常数、绝缘子沿面污染、绝缘子沿面以及与金属结合处的缺陷Xi’anJiaotongUniversity-5-气体绝缘系统中绝缘子必须满足的要求气体绝缘系统中绝缘子必须满足的要求：•表面无电场畸变和局部电场集中绝缘子形状和绝缘材料的介电常数•必须能承受长期电压作用而不老化损坏绝缘材料的性能、真空浇注的质量、避免局部放电•要有一定的机械强度必须能支撑导体，承受各种应力•绝缘子与导体、气体结合处不应有最大电场集中三重结合点是GIS系统的弱点之一，通常需要有一些特殊的设计•必须能承受一定的温升GIS是大容量设备，其内导体可能流过数千安培的电流，因此必须容许有一定的温升Xi’anJiaotongUniversity-6-气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料支撑绝缘子的类别：•单纯支持绝缘子•兼作隔离气体用绝缘子•单柱式绝缘子结构简单、成本较低（在气体绝缘输电线路中大量使用）•GIS系统中多使用盆式绝缘子•设置距离(一般为6m)GIL和一般的GIS中支撑绝缘子的差别：•GIL中较多的使用支柱绝缘子，而GIS中较多的使用盆式绝缘子。•GIL中全部的支撑绝缘子都置于外壳内，故外壳的连接可以采用焊接而不一定要采用法兰，这种设计也可以帮助GIL适应小的方向改变，或者适应热胀冷缩造成的导体和外壳的相对滑动。Xi’anJiaotongUniversity-7-气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料盆式绝缘子(兼作气体隔离)盆式绝缘子(带有通气孔)Xi’anJiaotongUniversity-8-气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料材料•环氧树脂机械强度和耐电强度都很高，热膨胀与铝导体匹配比较好，浇注性能与耐弧性能也很好。缺点是介电常数较高。填料一般使用Al2O3•塑料聚四氟乙烯：介电常数低，耐电强度高，但价格贵聚丙烯、聚碳酸酯：耐热性差酰亚胺与丙烯酸的共聚物：介电常数低，耐热性好，耐电强度高，耐弧性能和挤制性能比较差，只能用于挠性气体绝缘电缆中•瓷料SF6的放电气体生成物中有很多具有毒性和腐蚀性的成分，比如HF，会腐蚀金属部件和瓷件，因此GIS中一般不使用瓷件作为绝缘子Xi’anJiaotongUniversity-9-电场分布及其对沿面闪络电压的影响电场强度沿介质分界面的折射规律•电位移向量的闭合面积分等于面内所包含的自由电荷•电场强度向量的环路积分恒等于零21nnDD2211nnEE21ttEE2121tgtgSF6:1.002环氧树脂：3.9-6.5Xi’anJiaotongUniversity-10-电场分布及其对沿面闪络电压的影响当有两种介质置于平行平板电极之间而介质的交界面并不与电极表面垂直时，可观察到在介电常数较小的介质中，位于介质交界面和电极表面的夹角小于90°的一侧，等位线出现压缩现象。避免支撑绝缘子与电极锐角相交。Xi’anJiaotongUniversity-11-电场分布及其对沿面闪络电压的影响不同结构的支撑绝缘子的电场分布柱式：d2d0d1，最大电场强度Em出现在绝缘子内部，EmEr≥Et盘式：d2d0=d1，Em≈Er，Er≥Et盆式：d2d1d0，泄漏距离较长，电场分布与选择的角度有关，如较小，则Et会变大，也即泄漏距离增长与电场分布情况变坏同时存在，不能同时得益Xi’anJiaotongUniversity-12-电场分布及其对沿面闪络电压的影响•=30°时，绝缘子表面Et达到Er的1.6倍•要增大泄漏距离，必须增大角度=75°避免支撑绝缘子与电极锐角相交Xi’anJiaotongUniversity-13-电场分布及其对沿面闪络电压的影响当=70°时，沿面电场分布是比较均匀的Xi’anJiaotongUniversity-14-电场分布及其对沿面闪络电压的影响)(00iiRRHHXi’anJiaotongUniversity-15-电场分布及其对沿面闪络电压的影响对交流输电系统的气体绝缘设备而言，一般都不用带裙边的绝缘子。因为裙边虽然可以增大泄漏距离，但对电场有较大的畸变作用，其冲击闪络和工频闪络电压均不如光面绝缘子。Xi’anJiaotongUniversity-16-屏蔽电极的影响内屏蔽电极的影响•支撑绝缘子的闪络通常是在金属电极-环氧树脂-SF6气体的三重结合点开始的•另外，当绝缘子和导体电极接触不良时，绝缘子和导体之间的小气体间隙会出现高场强，使得绝缘子的闪络电压降低。针对这一问题，可以考虑采用内装屏蔽电极。Xi’anJiaotongUniversity-17-屏蔽电极的影响•改善三重结合点的电场分布•改善电极和绝缘子之间的结合Xi’anJiaotongUniversity-18-屏蔽电极的影响•外加屏蔽电极，或者绝缘子带有绝缘圆筒时，沿面场强与平均场强的比值变得比较均匀，三重点处电场明显改善。•外屏蔽比绝缘圆筒的效果更明显外部屏蔽电极的影响Xi’anJiaotongUniversity-19-屏蔽电极的影响楔形气隙的影响在盆式绝缘子的设计中，若内导体或地电位法兰与盆式绝缘子的环氧树脂接触处留有弧状楔形间隙，将会造成该处局部场强集中，引发局部放电。该问题的解决方法，很重要的一点就是在盆式绝缘子两端设计时消除楔形气隙，采用适当的间隙结构(=3-4mm)，盆式绝缘子两端不与导体、法兰上的最高场强点接触，绝缘子的闪络电压明显提高。Xi’anJiaotongUniversity-20-影响沿面闪络电压的其它因素气压的影响第2章中研究过纯SF6气体间隙的击穿电压与气体充气压力的关系。结论是，击穿电压与气压并不成正比，而是偏离线性关系的。fdpEUnb/)10(0实际的环氧树脂浇注绝缘子的闪络电压也不是与气压成正比的。随着气压的增加，绝缘子闪络电压的增加相比纯气隙的击穿电压的增加而言较小，也就是说，随着气压的增加，隔板系数减小。隔板系数绝缘子沿面闪络电压纯气隙击穿电压Xi’anJiaotongUniversity-21-影响沿面闪络电压的其它因素212122121dUUddE气隙中的场强为平均场强的数倍，因此在相当低的电压下就开始发生放电，容易引发沿面闪络。提高接触系数的措施：直接浇注内屏蔽电极电极同绝缘子的接触效应对闪络场强的影响Xi’anJiaotongUniversity-22-影响沿面闪络电压的其它因素水分对闪络电压的影响•当SF6气体中的水汽含量大到在绝缘件表面上呈露滴状凝结时，闪络电压明显降低•当水分的露点温度在零摄氏度以下时，水蒸汽在绝缘件表面上以霜的形式而不是以露的形式凝结，这种情况下击穿电压没有明显的下降Xi’anJiaotongUniversity-23-影响沿面闪络电压的其它因素导电微粒对闪络电压的影响绝缘子表面上存在的导电微粒会使绝缘子的闪络电压下降导电微粒引发的局部放电有可能使得绝缘子表面带电，从而降低其闪络电压采用第三章中讲述的方法控制导电微粒的影响Xi’anJiaotongUniversity-24-影响沿面闪络电压的其它因素绝缘子材料对表面闪络电压的影响•绝缘子的相对介电常数对绝缘子的电场分布和闪络电压有重要的影响，随着介电常数的增加，会引发下列后果而使得沿面闪络电压降低：(1)在绝缘子表面的杂质处局部电场增加(2)出现微观放电的外施电压降低(3)微观放电的能量增加•绝缘子的表面电阻率的降低有助于使绝缘子所带的表面电荷泄漏掉，从而降低了表面电荷增强局部电场的作用，其结果是提高了闪络电压Xi’anJiaotongUniversity-25-直流电压作用下的绝缘子直流电压作用下绝缘子的电场分布与交流电压作用下不同多介质系统中的电场分布UdddU1221121UdddU2211111直流下交流下设计直流电压下使用的绝缘子必须考虑直流电压下，绝缘子的电场分布与交流电压下的不同。同时，如果遭受雷击或操作波，电压分布仍然按照介电常数进行分配。因此，直流电压下绝缘子的设计比交流下复杂。电压分配规律：Xi’anJiaotongUniversity-26-直流电压作用下的绝缘子绝缘子表面电荷的积聚在外施电压的作用下，绝缘子表面会积聚电荷，这种表面电荷积聚现象在长时间的直流电压作用下表现更为明显。当绝缘子表面存在电荷时，表面电荷可以降低雷电冲击下的闪络电压。如果介质均匀且各向同性，则表面电荷密度随时间的变化规律为：)1()(0121221teBAUt其中，1，2为固体和气体的介电常数；1，2为固体和气体的电导率；A,B为常数；0为电荷积聚时间常数；U为外施电压。当表面电荷达到饱和时，表面电荷密度与法向场强之间的关系为：211221maxnE其中，En2为气体侧的法向场强。•优化电场结构使电场强度法向分量尽可能小，从而抑制表面电荷的积聚•选择绝缘子材料或在绝缘子表面敷以涂层，使得表面电荷加快消散速度Xi’anJiaotongUniversity-27-变介电常数材料绝缘子交流电压下，绝缘子的电位分布是受介电常数控制的，这一现象启发我们采用变介电常数的材料来改善绝缘子的电位分布。环氧树脂+填料(Al2O3)通过改变Al2O3的组成百分比，以及Al2O3颗粒的大小来调整材料的介电常数制造过程较为复杂：通过远心分离使得较大的颗粒沉淀到底部，使得随着绝缘子半径的不同，绝缘子的介电常数发生改变。Xi’anJiaotongUniversity-28-变介电常数材料绝缘子沿绝缘子表面电场分布沿面闪络电压采用变介电常数的材料可改善绝缘子表面电位分布，提高其闪络电压Xi’anJiaotongUniversity-29-练习(1)用于SF6气体绝缘系统的绝缘子应满足什么要求？(2)绝缘子采用内屏蔽电极有什么好处？(3)当充气压力为0.3MPa时，水蒸汽含量为多少ppm时，水蒸汽可在绝缘子表面凝露从而影响绝缘子的闪络电压？