1.8-1.9-提高气体间隙击穿电压的措施-沿面放电

高电压技术李化[e-mail]第1篇电介质的电气特性1气体电介质的绝缘特性1.1气体中带电粒子的产生和消失1.2均匀电场中气体的击穿1.3不均匀电场中气体的击穿1.4气体间隙的稳态击穿电压1.5雷电冲击作用下气体间隙的击穿1.6操作冲击作用下气体间隙的击穿1.7大气条件对间隙击穿电压的影响1.8提高气体间隙击穿电压的措施1.9沿面放电231.8提高气体间隙击穿电压的措施（一）两个途径①改善电场分布，使之尽量均匀（内因）②利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）（二）方法1.改善电场分布的方法①改进电极形状②利用空间电荷畸变电场③采用屏障影响气体间隙击穿电压的因素有施加电压波形，气体种类和状态，气体间隙的电场分布。如何提高气体间隙的击穿电压？42.削弱气体电离过程的方法①采用高气压②采用高电气强度气体③采用高真空（二）方法1.改善电场分布的方法①改进电极形状②利用空间电荷畸变电场③采用屏障5①增大电极曲率半径减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩②改善电极边缘电极边缘做成弧形③使电极具有最佳外形如穿墙高压引线上加金属扁球；（一）改善电场分布-改进电极形状60501001502002503003502004006008001000Ub/kVd/cm123451-球极直径D=12.5cm；2-D=25cm；3-D=50cm；4-D=75cm；5-“棒-板”气隙（虚线）图1－31球－板气体间隙工频击穿电压Ub（有效值）与间隙长度d的关（一）改善电场分布-改进电极形状7高压试验设备雷电冲击高压发生器（一）改善电场分布-改进电极形状8500kVAC高压发生器（一）改善电场分布-改进电极形状9极不均匀电场中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，使电场均匀度提高，从而提高击穿电压；导线直径减为0.5mm时，击穿电压曲线大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近——“细线效应”当导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿电压会随导线直径的减小而提高，出现所谓“细线效应”。细线效应只对提高稳态作用下的击穿电压有效。因雷电冲击电压作用时间太短，来不及形成充分的空间电荷层，所以在雷电冲击电压下没有细线效应010203040506070501001502002501234均匀电场，21kV/cmcmkV/5.3kVUb/cmd/线－板气隙中不同直径导线的工频击穿电压与d的关系点划线－均匀电场；虚线－正尖－负板电场；1－D=0.5mm；2—D=3mm；3－D=16mm；4－D=20mm（一）改善电场分布-利用空间电荷畸变电场10影响屏障气隙的击穿电压的因素：屏障位置及棒电极的极性当棒为正极性屏障在间隙的任何位置都会增加击穿电压值。当时最有利；当棒为负极性屏障离棒极很近时，有一定的屏障效果；屏障离开棒电极一定距离，设置屏障反而降低间隙的击穿电压11(~)56xdxd=8cm屏障204060801001201401601800102030405060708090100(/)100xdb/kVU无屏障有屏障有屏障无屏障图1－32“棒－板”空气间隙中直流击穿电压Ub和屏障位置x的关系直流电压下的屏障的作用（一）改善电场分布-极不均匀场中采用屏障11工频电压下的屏障的作用工频电压下极不均匀电场中同样能形成大量空间电荷，故屏障同样具有积聚空间电荷、改善电场的作用。没有屏障时，尖-板间隙中工频电压下击穿是在尖电极具有正极性的半周内发生的。所以工频电压下，设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。工频电压下，设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。（一）改善电场分布-极不均匀场中采用屏障12冲击电压下屏障的作用由于屏障来不及积累足够的空间电荷，屏障的作用不大“棒－棒”间隙，电晕放电都从两棒极发生，故在两个棒极附近都应设置屏障（一）改善电场分布-极不均匀场中采用屏障屏障靠近电晕电极（尖电极）更有效；对稳态电压（DC、AC）有效均匀电场和稍不均匀电场无作用13①原理：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1/5～1/8，提高压力至1～1.5MPa，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②高气压下应尽可能的改善电场分布，使电场均匀，否则用高气压来提高击穿电压的效果不明显因为电场的不均匀对击穿电压的影响比大气压对击穿电压的影响要大得多。Why？③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（二）削弱或抑制电离过程-采用高气压14d05101520250100200300400500600b/kV12345U/mm图1－33不同气压下电介质在均匀电场中的直流击穿电压Ub与极间距离d的关系1－空气，2.8MPa；2－SF6，0.7Mpa;3－高真空；4－SF6，0.1MPa；5－空气，0.1MPa高气压对电气设备外壳的密封性和机械强度提出了很高的要求；工程中往往采用压力稍低、但电气绝缘性能好的SF6来代替压缩空气（二）削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体15高电气强度气体—含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气要高很多。（二）削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体16（二）削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体①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②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③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卤化物气体电气强度高的原因17强电负性气体工程中获得实际应用：①液化温度低以便于采用高气压，化学性能稳定；②在该气体中发生放电时不易分解、燃烧，不产生有毒物质；③经济上合理，能大量供应。SF6的使用：①电气强度高：约为空气的2.5倍，而其灭弧能力则为空气的100倍以上，它作为绝缘介质和开关的灭弧介质，是除空气外应用得最广泛的气体介质；②均匀电场要求：电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比空气的要大③用廉价气体如N2、CO2或空气与SF6气体组成混合气体时，能使这些常见气体的电气强度有很大的提高。（二）削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体88.50.38bUPd1800.20.40.60.81.00.511.52.02.5相对电气强度SF在混合气体中的比例6图1－34SF6－N2混合气体的相对电气强度当SF6占20%，N2占80%时：混合气体的击穿场强还是纯SF6击穿场强的70%以上；当SF6占60%，N2占40%时：混合气体的击穿场强是纯SF6击穿场强的90%左右；SF6—N2混合气体特点：能较好保持纯SF6的绝缘性能；更好的物理化学特性(液化温度低)能取得很大的经济效益。削弱或抑制电离过程（二）削弱或抑制电离过程-采用强电负性气体19采用高度真空可以提高气隙的击穿电压的原因：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。真空击穿理论场致发射当高真空中的距离较小时，阴极表面微观的粗糙突起处电场很强，足以引起场致发射。场致发射造成很大的电流密度，导致阴极凸点局部过热，引起阴极材料气化，破坏了真空，从而引起间隙击穿。（二）削弱或抑制电离过程-采用高真空20全电压效应在间隙长度较大时，阴极与阳极之间存在巨大的电位差，电子定向运动积聚极大的动能——高能电子轰击阳极，阳极释放出正离子及辐射出光子）——正离子及光子加强阴极的表面电离——反复过程，产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致间隙击穿电极表面如附有微小颗粒，则促进上述过程的发展，使击穿电压降低。间隙距离加大，平均击穿场强降低；击穿电压和电极材料、电极表面光洁度及清洁度等多种因素相关，且分散性大。21图1－36真空中直流电压作用下，球—板间隙的击穿电压Ub、场强Eb和间隙距离d的关系钨电极间隙长度:1mm击穿电压/kV气压/Pa10-21102104106110100100010-4辉光区域图1－35均匀电场中间隙击穿电压与真空压力的关系22真空灭弧室GIS小结纯空气隙击穿理论与电场均匀度有关均匀电场汤逊理论流注理论内容：α过程＋γ过程自持放电条件：γ(eαd－1)≥1适用范围：低气压、短气隙内容：电子崩＋流注过程自持放电条件：eαd＝常数（108）适用范围：高气压、长气隙不均匀电场电晕放电：极不均匀电场特有的自持放电现象极性效应正棒—负板电晕起始电压高间隙击穿电压低负棒—正板电晕起始电压低间隙击穿电压高纯空气隙击穿理论与电压类型有关静态击穿电压（直流、工频）放电时间足够，击穿电压有确定值标准波形U50%：击穿百分比为50%的击穿电压v-t特性：气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。用于绝缘配合雷电冲击击穿电压特点非周期性双指数衰减波衰减震荡操作冲击波饱和现象：增大气隙的长度，不能提高其击穿电压。波形U形曲线：一定波前时间内，U50%比工频击穿电压低操作冲击击穿电压标准波形1.2/50μs非周期性双指数衰减波小结纯空气隙击穿理论与气体状态有关空气密度相对密度空气湿度影响：气隙的击穿电压随δ的增高而提高影响：湿度越大，气隙的击穿电压增高校正海拔高度空气SF6物理化学：无色、无味，化学性能稳定，电负性绝缘特性：击穿电压是空气的2.5倍，灭弧性能大约是空气的100倍混合气体：较好保持纯SF6的绝缘性能；更好的物理化学特性(液化温度低);能取得很大的经济效益气体绝缘电气设备：封闭式绝缘组合电器、气体绝缘变压器、气体绝缘管道输电线校正：U≈δU0影响：海拔高度越大，气隙的击穿电压越低校正：U=KaUp与气体种类有关411.110aKH小结00002732.89273273PTtPPPTtPtnbsbUUH提高气体介质电气强度的方法改善电场分布改进电极形状使电场分布更加均匀利用放电产生的空间电荷改善电场分布，使电场均匀度提高采用高气压减小电子平均自由行程，削弱电离过程积聚空间电荷，改善电场分布利用空间电荷畸变电场利用屏障削弱气体电离过程采用高电气强度气体削弱间隙中的碰撞电离过程采用高真空卤族元素：很强的电负性；分子直径大，电子自由行程短；易发生极化现象小结27在标准大气条件下，某距离为4m的棒-极间隙的正极性50％操作冲击击穿电压为1130kV。在夏季某日温度为30℃，气压99.8kPa的大气条件下，问其正极性50%操作冲击击穿电压为多少kV?0099.8273200.953101.327330PTPT50%0.95311301077()UUokV28某母线支柱绝缘子拟用于海拔3000m的高原地区的35kV变电站（35kV设备的工频耐压标准值为100kV），问平原地区的制造厂在标准参考大气条件下进行1min工频耐受电压试验时，其试验电压应为多少kV？00441001251.1101.1300010aUUKUkVH1气体电介质的绝缘特性1.1气体中带电粒子的产生和消失1.2均匀电场中气体的击穿1.3不均匀电场中气体的击穿1.4气体间隙的稳态击穿电压1.5雷电冲击作用下气体间隙的击穿1.6操作冲击作用下气体间隙的击穿1.7大气条件对间隙击穿电压的影响1.8提高气体间隙击穿电压的措施1.9沿面放电29沿面放电的一般概念沿面放电——沿着固体介质表面的气体发生的放电沿面闪络——沿面放电发展到贯穿性的空气击穿导体都要靠固体绝缘装置（各类绝缘子）固定，同时固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用。它们丧失绝缘功能有两种可能，：一是固体介质本身的击穿。二是沿着固体介质表面发生闪络。1.9沿面放电注意实验结果表明：在相同的放电距离条件下，沿面闪络电压比纯空气间隙的击穿电压低得多在表面潮湿污染的情况下，沿面闪络电压会更低。一个绝缘装置的实际耐压