高电压技术 第6讲 气隙的击穿特性

高电压技术第3章气隙的击穿特性主要内容一．气隙的击穿时间二．持续作用电压下空气的击穿电压三．雷电冲击电压下空气的击穿电压及伏秒特性四．操作冲击电压下空气的击穿电压五．提高气体间隙击穿电压的措施影响空气间隙放电电压的因素主要：电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压大气条件：气压、温度、湿度一、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fsbtttt0fslttt持续作用电压直流电压、工频电压与电压的变化速度相比，放电发展所需时间可以忽略不计。当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值，当间隙上的电压升高达到击穿电压时，间隙击穿非持续作用电压操作过电压、雷电过电压持续时间极短（以微秒计），放电发展速度不能忽略不计，间隙的击穿特性具有新的特点二、持续作用电压下空气的击穿电压均匀电场中的击穿电压1.直流、工频击穿电压（峰值）都相同。击穿电压的分散性较小2.均匀电场中空气的击穿电压(峰值)，相应的经验公式为式中S间隙距离，（cm）空气相对密度当S不过于小时（S1cm），均匀电场中空气的电气强度（峰值）大致等于30kV/cmkV53.64.24SSUb二、持续作用电压下空气的击穿电压稍不均匀电场中的击穿电压1.不能形成稳定的电晕放电2.电场不对称时，极性效应不很明显3.直流、工频下的击穿电压(幅值)都相同，击穿电压的分散性也不大4.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，同轴圆柱间隙球—球间隙当d＜D/4，电场相当均匀，直流电压、工频电压及冲击电压作用下，击穿电压都相同当d＞D/4，大地对电场的畸变作用使间隙电场分布不对称，Ub有极性效应电场最强的电极为负极性时的击穿电压略低于正极性时的数值同一间隙距离下，球电极直径越大，由于电场均匀程度增加，击穿电压也越高二、持续作用电压下空气的击穿电压电场极不均匀的极端情况典型电极来研究棒(尖)—板：电场分布不对称棒(尖)—棒(尖)：电场分布对称直流、工频间的差别比较明显，分散性较大，且极性效应显著1.直流电压下的击穿电压极性效应：尖—尖电极间的击穿电压介于极性不同的尖—板电极之间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4.8~5.0kV/cm0100200300300600900bU(kV)d(cm)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—棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值)，棒—板间隙的约为4.8kV/cm(幅值)“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d＝1m，5kV/cmd＝l０m，2kV/cm三、雷电冲击电压下空气的击穿电压及伏秒特性1.雷电流是冲击波形的，故由雷闪放电引起的高电压也具有冲击波形2.雷电冲击电压标准波形Tl＝1.2s（30%）T2＝50s（20%）3.雷电冲击50％击穿电压在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，工程上以此来反映间隙的耐受冲击电压的特性均匀电场和稍不均匀电场下的击穿电压◆击穿电压分散性小，其雷电冲击50％击穿电压和静态击穿电压(即持续作用电压下的击穿电压)相差很小。◆U50%与静态击穿电压的比值称为冲击系数β，β＝1极不均匀电场中的击穿电压由于放电时延较长，通常冲击系数大于l，击穿电压的分散性也大一些，其标准偏差可取为3%伏秒特性的制订方法工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性伏秒特性用实验方法求取放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域4.伏秒特性小于下包络线所示数值t的概率为0％，其左方完全不击穿；小于上包络线所示数值t的概率为100％，其右方完全击穿；小于t的概率为50％——50%概率放电时间对应50％伏秒特性作法：保持一定的波形而逐渐升高电压，以示波图来求取，电压较低时，击穿发生在峰值过后，取峰值作纵坐标；击穿发生在波峰时，取峰值作纵坐标；击穿发生在尚未到峰值时，取击穿时电压值作纵坐标。0btbU132曲线形状与电场的均匀性有关：均匀场，曲线低且平坦，上翘范围小；不均匀电场，曲线较高且陡0btbUs1~12伏秒特性的特点在绝缘配合中的意义：1AB2AB3PAB图1：A－设备，Ｂ－保护间隙图2：保护间隙的伏秒特性曲线B低于设备的曲线A，能保护设备图3：间隙曲线Ｂ较陡，间隙在交叉点P前不能保护设备，在P后能保护设备。曲线Ａ、Ｂ形状可以改变，若曲线Ｂ过低，运行不安全；但若抬高曲线Ａ，将会增加经济投入伏秒特性的用途四、操作冲击电压下空气的击穿电压1.操作冲击电压推荐波形非周期性指数衰减波推荐操作冲击电压的标准波形为250／2500微秒衰减振荡电压第一个半波的持续时间在2000一3000微秒之间，反极性的第二个半波的幅值达到第一个半波幅值80％2.操作冲击50％击穿电压均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压气体间隙的操作冲击50％击穿电压和雷电冲击50％击穿电压以及工频击穿电压（幅值）相同击穿电压的分散性也较小，击穿同样发生在幅值极不均匀电场中的击穿电压极不均匀电场中的操作击穿有许多特点特点1.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2.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“Ｕ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7m以下的间隙，大致在50200s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1000s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d—间隙距离，m上式对于１20m的长间隙和试验结果很好地符名MV814.3min50dU五、提高气体间隙击穿电压的措施两个途径：一、改善电场分布，使之尽量均匀改进电极形状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）改进电极形状以改善电场分布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；采用扩径导线等改善电极边缘电极边缘做成弧形；尽量使其与某等位面相近使电圾具有最佳外形如穿墙高压引线上加金属扁球；墒洞边缘做成近似垂接线旋转体（二）极不均匀电场中屏障的采用在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙的击穿电压原理是屏障积聚空间电荷，改善电场分布随着屏障位置不同，击穿电压发生了很大的变化，尖电极的极性不同，屏障的影响也有别（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1/5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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（四）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距离较小时，间隙的击穿和阴极的强场放射密切有关分散性很大：电极材料、电极表面的光洁度及清洁度气体化学组成分子量相对电气强度液化温度/0C氮二氧化碳六氟化硫氟利昂四氯化碳N2CO2SF6CCl2F2CCl42844146121153.81.00.92.32.52.42.66.3-195.8-78.5-63.8-28+76含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称为高电气强度气体（五）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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，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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、简化运行维护等等