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1、第二章 气体介质的电气强度,第1节 均匀电场中气体击穿的发展过程第2节 稍不均匀电场气隙的击穿特性第3节 极不均匀电场气隙的击穿特性第4节 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正第5节 提高气体介质电气强度的方法第6节 SF6和气体绝缘电气设备,概 论,在工程实践中，常会遇到对气体介质的电气强度作出定量估计的情况。通常采用实验的方法来求取某些典型电极所构成的气隙的击穿特性，以满足工程实用的需要。某些击穿特性实验结果已在世界范围内获得广泛认可和采用。气隙的击穿特性与电场形式及所加电压的类型有很大关系。,第二章 气体介质的电气强度,工频交流电压和直流电压统称为稳态电压，以区别于存在时间很短、变化很快
2、的冲击电压。气隙在稳态电压作用下的击穿电压即为静态击穿电压Us。,第一节 均匀电场中气体击穿的发展过程,1、通常只有间隙不太大时的击穿电压试验数据,均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值随间隙距离d的变化,第一节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、击穿特性电极布置对称，无击穿的极性效应；均匀电场击穿所需的时间很短；直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50冲击击穿电压相同；击穿电压分散性很小伏秒特性很快就变平，冲击系数=1,第一节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、击穿电压的经验公式击穿电压：平均击穿场强随着极距离 d 的增大，击穿场强 Eb 稍有下降，在d=110cm 的范围内，其击穿场强约为 30k
3、v/cm。,第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性,1、击穿特点击穿前无稳定电晕；无明显的极性效应；直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50冲击击穿电压几乎一致；击穿电压的分散性小；击穿电压和电场不均匀程度关系大，所以没有能概括各种电场分布的统一经验公式。,第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性,2、击穿电压通常对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取类似结构进行估算。电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高，极限就是均匀电场中的击穿电压。,几种典型电极结构示意图1、同心球 2、球平板 3、球球 4、同轴圆柱 5、圆柱平板 6、圆柱圆柱 7、曲面平面 8、曲面曲面,第二节
4、稍不均匀电场气隙的击穿特性,3、稍不均匀电场实例球间隙高电压试验中用来测量高电压幅值的球隙测量器同轴圆筒高压标准电容器和气体绝缘组合电器中的分相封闭母线筒,第二节 稍不均匀电场气隙的击穿特性,3、稍不均匀电场实例同轴圆桶,如果取同轴圆筒的外筒内半径为10cm，而改变内筒外直径 r 之值，那么这一气隙的电晕起始电压Uc和击穿电压 Ub 随r而变化的规律如左图：,当 r 很小（r0.1R)时，气隙属于不均匀电场，击穿前先出现电晕，且Uc 值很小，而击穿电压 Ub 远大于Uc。,当 r0.1R 时，气隙已逐渐转为稍不均匀电场，UbUc，击穿前不再有稳定的电晕放电，且击穿电压的极大值出现在 r0.33
5、R 左右。,通常在绝缘设计中将 r/R 之比选在0.25 0.4 的范围内。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,1、极不均匀电场的典型形式“棒棒”气隙与“棒板”气隙“棒棒”气隙具有完全的对称性；“棒板”气隙具有最大的不对称性。其他的极不均匀电场气隙击穿情况均处于这两种极端情况的击穿特性之间；按其电极的对称度用这两种气隙的击穿特性曲线来估计。棒极端面的具体形状影响当极间距离不大时，特别是在棒极带正极性时，与击穿电压有一定关系。当极间距离较大时，对气隙的击穿电压没有明显影响，故可统称为棒极。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,2、直流电压不对称的极不均匀电场（例如“棒板”气隙）在直流电压下的击
6、穿具有明显的极性效应。“棒板”气隙在负极性时的击穿电压大大高于正极性时的击穿电压。“棒棒”气隙的极性效应则不明显，可忽略不计。击穿特性介于上述“棒板”气隙在两种极性下的击穿特性之间。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,2、直流电压,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,3、工频交流电压棒板气隙的击穿总是发生在棒极为正极性的那半周峰值附近，其工频击穿电压的峰值与正极性直流击穿电压相近；棒棒间隙的工频击穿电压比棒板高一些。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,3、工频交流电压在空气间隙更长时，“棒板”气隙的平均击穿场强明显降低，即存在“饱和”现象。各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大，其标准偏差
7、值一般不会超过2%3%。,在长空气间隙时，增大“棒板”气隙的长度，已不能有效的提高其工频击穿电压。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,4、雷电冲击电压由于极不均匀电场中的放电时延较长，其冲击系数通常均显著大于1；冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差值可取 3%在50%击穿电压下，击穿通常发生在冲击电压的波尾部分。棒极为正极性的击穿电压比负极性时数值低得多。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,4、雷电冲击电压空气中棒间隙的工频击穿电压（幅值）和雷电冲击50%击穿电压的近似计算公式如下表（标准大气条件，极间距离 d40cm）。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,5、操作冲击电压目前采用的是
8、250/2500s 标准操作冲击波形,波前时间Tcr=250s,容许偏差20%；半峰值时间T2=2500s,容许偏差60%。可写成250/2500s冲击波。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,5、操作冲击电压击穿特点（1）波形对气隙的电气强度有很大的影响。,实验表明，气隙的50%操作冲击击穿电压U50%(s)与波前时间 Tc 的关系曲线程“U”型，在某一时间Tc 下U50%(s)出现极小值U50%(min)Tc之值随气隙长度d 的增大而增大，在工程实际中所遇到d的范围内，Tc 值大约处于100500s 之间。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,5、操作冲击电压击穿特点（1）波形对气隙的电气
9、强度有很大的影响。（2）在各种类型的作用电压中，以操作冲击电压下的电气强度为最小。,50%操作冲击击穿电压极小值U50%(min)可用下面的经验公式求得,当d15m时，可用下式计算,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,5、操作冲击电压击穿特点（3）具有显著的“饱和”特征。,平均击穿场强随气隙长度加大而降低。电气强度最差的正极性“棒板”气隙的“饱和”现象最为严重，对发展特高压输电技术来说是一个极其不利的制约因素。,第三节 极不均匀电场气隙的击穿特性,5、操作冲击电压击穿特点（4）气隙击穿电压和放电时间的分散性都要比雷电冲击电压下大得多。操作冲击电压下，约为5%。,第1-3节 小 结,均匀电场的击
10、穿特性击穿前无电晕，无极性效应，各种电压作用下其击穿电压都相同。稍不均匀电场的击穿特性击穿前无稳定电晕，极性效应不明显，各种电压作用下的击穿电压几乎一致。极不均匀电场的击穿特性击穿前有稳定的电晕，有明显的极性效应，外加电压波形对击穿电压影响很大。掌握四种电压作用下的击穿特点。习题：2-1、2-3,第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响 及其校正,1、我国的国家标准规定的标准大气条件,压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；温度：t0=20摄氏度或T0=293K；绝对湿度：hc=11g/m3。,在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0 之间可以通过相应的校正因数进行如
11、下换算：,Kd空气密度校正因数；Kh湿度校正因数。,第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响 及其校正,2、对空气密度的校正（1）空气密度与压力和温度有关。,空气的相对密度：,式中，p气压，kPa；T温度，K。,第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响 及其校正,2、对空气密度的校正（2）在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。当处于0.951.05的范围内时，气隙的击穿电压几乎与成正比，即此时的空气密度校正因数 Kd，因而U U0 气隙不长（例如不超过1m）时，上式能足够精确的使用于各种电场形式和各种电压类型下近似的工程估算。对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系并不是一种简单的线性关系。Kd
12、 如下式计算,式中指数 m，n 值在0.41.0的范围内变化。,第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响 及其校正,3、对湿度的校正大气湿度越大，气隙的击穿电压越高。均匀和稍不均匀电场中，湿度影响不太明显。极不均匀电场中，湿度影响明显，可用下式修正。,Kh=k,式中因数 k 与绝对温度和电压类型有关，而指数 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。,第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响 及其校正,4、对海拔高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，其试验电压U 应为平原地区外绝缘的试验电压Up 乘以海拔校正因
13、数Ka，即 U=Ka Up,式中 H安装点的海拔高度，m。,第四节 大气条件对气隙击穿特性的影响 及其校正,小 结1、气体的放电电压与大气状态有关：气体的相对密度增大时，气体的放电电压也随之增大。空气的湿度增大时，气体的放电电压也增大，但均匀和稍不均匀电场下增加不明显。沿面闪络电压降低。2、海拔高度增加时，气体的放电电压下降。作业：2-4、2-5,第五节 提高气体介质电气强度的方法,1、改善电场分布（1）改进电极形状增大电极的曲率半径改善电极的边缘使电极具有最佳外形（2）利用空间电荷 细线效应（3）采用屏障在气隙中放置固体绝缘屏障。极不均匀电场中，在一定条件下可以提高气隙的击穿电压。在均匀电场
14、及稍不均匀电场中，难以发挥作用。,第五节 提高气体介质电气强度的方法,1、改善电场分布（3）采用屏障,第五节 提高气体介质电气强度的方法,2、削弱气体的电离过程（1）采用高气压 减小电子的平均自由行程,应尽可能的改善电场分布，因电场不均匀程度对击穿电压的影响比气压要显著得多。不均匀程度的增加将引起击穿电压剧烈降低。,第五节 提高气体介质电气强度的方法,2、削弱气体的电离过程（2）采用高电气强度气体高电气强度气体：含卤族元素的气体化合物等。电气强度高的原因：具有很强的电负性；分子直径大，电子自由行程短，碰撞有效性差；与电子相遇，易引起分子发生极化，增加能量损失，减弱碰撞电离能力。其它方面要求：液
15、化温度要低；良好的化学稳定性；生产不太困难，价格合理。工程上唯一广泛应用的是SF6,第五节 提高气体介质电气强度的方法,2、削弱气体的电离过程（3）采用高真空减弱气体的碰撞电离过程。在极间距离较小时，高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关。在距离较大时，击穿将由所谓“全电压效应”引起，随着极间距离的增大，平均击穿场强将越来越小。真空间隙的击穿电压与阴极材料、表面光洁度和洁净度等多种因素有关，因而分散性很大。目前，电力设备中采用高真空作为绝缘媒质的情况还不多，因为高真空比较难以保持。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用。,第五节 提高气体介质电气强度的方法,小 结1、提高气体介质电气强度的两个途
16、径（1）改善电场分布；（2）削弱气体的电离过程。2、改善电场分布的具体方法：（1）改善电极形状；（2）利用空间电荷畸变电场；（3）采用屏障。3、削弱气体的电离过程的具体方法：（1）高气压的采用；（2）高电气强度气体的采用；（3）高真空的采用。作业：2-6,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,1、SF6的绝缘性能（1）均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿除了考虑第一章的过程外，还应计及电子附着过程,电负性气体的有效碰撞电离系数 应为,式中 电子附着系数，表示一个电子沿电场方向运动1cm 的行程所发生的电子附着次数平均值；电子碰撞电离系数。,均匀电场的电子崩增长规律,式中n0阴极表面处的初始电子数；na
17、到达阳极时的电子数。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,1、SF6的绝缘性能（1）均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿,由于强电负性气体在实用中均属于流注放电的范畴，所以这里不再讨论其汤逊自持放电条件，而直接探讨其流注自持放电条件。均匀电场中电负性气体的流注自持放电条件为,()d=K,实验研究表明对于SF6 气体，常数K=10.5 相应的击穿电压为,Ub=88.5pd+0.38(kV)式中 p气压，Mpa；d极间距离，mm。,在工程应用中，通常pd1MPmm,所以上式也可近似写成 Ub88.5pd,上式均表明，在均匀电场中SF6 气体的击穿也遵循巴申定律。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,1、S
18、F6的绝缘性能（1）均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿,除了考虑第一章的过程外，还应计及电子附着过程在稍不均匀电场中击穿场强并不与气压成正比，而是增加的少一些。负极性时的击穿电压反而比正极性时低10%左右。,（2）极不均匀电场中SF6的击穿,SF6 气体的击穿有异常现象：1）工频击穿电压随气压的变化曲线存在“驼峰”；2）驼峰区段内的雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压，其冲击系数可低至0.6左右。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,1、SF6的绝缘性能（3）影响击穿场强的其他因素,电极表面缺陷：电极表面粗糙度Ra 对SF6 气体强度Eb的影响随着工作气压的提高而增大；电极表面还会有其他缺陷，电极
19、表面积越大这类缺陷出现的概率也就越大，SF6 的击穿场强就越低，这一现象称为“面积效应”。导电微粒：设备中的导电微粒有两大类，即固定微粒和自由微粒，前者的作用与电极表面缺陷相似，而后者因会在极间跳动而对SF6 气体的绝缘性能产生更大的不利影响。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,2、SF6的理化特性无色无味的气体，具有较高的介电强度，优良的灭弧性能和良好的冷却性能，不可燃。SF6分子中，6个氟原子围绕硫原子对称排列，呈八面体结构，化学性能稳定。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,2、SF6的理化特性纯SF6气体是一种无毒气体，但它仍会因引起窒息而对生命造成威胁；若纯度不够，会含有SF4，S2F
20、10，HF，SO2等杂质，这些杂质有毒。另外，SF6因放电而产生一些分解物也有毒。20充气压力0.45MPa，液化温度-40；20充气压力0.75MPa，液化温度-25。可见一般无液化问题，在高寒地区才需要采用加热措施。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,3、SF6混合气体以常见廉价的气体如N2、CO2或空气与SF6 混合。即使加入少量的SF6 就能使这些常见的气体的电气强度大大提高。继续增加SF6 上述的电气强度的增大会出现饱和趋势。现工业应用的是SF6N2混合气体主要用于高寒地区的断路器的绝缘媒质和灭弧媒质；混合比（体积比）通常为50%：50%或60%：40%优点：可取得很大的经济效益；液
21、化温度明显降低；混合气体的电气强度对电场的敏感度降低；对电极表面缺陷和导电微粒等不会像纯SF6 那样敏感。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,4、气体绝缘电气设备（1）封闭式气体绝缘组合电器（GIS）1）大大节省占地面积和空间体积。2）运行安全可靠。3）有利于环保，使运行人员不受电场和磁场的影响。4）安装工作量小、检修周期长。（2）气体绝缘管道输电线（GIC）1）电容量小，只有充油电缆的1/4左右。2）损耗小。3）传输容量大。,气体绝缘全封闭组合电器,GIS开关站全景,GIS与GIL连接部分,800KV 气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)由美国AZZ公司制造,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,
22、4、气体绝缘电气设备（3）气体绝缘变压器（GIT）1）GIT是防火防爆型变压器，特别适合城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合。2）气体传递震动的能力比液体小，所以GIT的噪声小于油浸变压器。3）气体介质不会老化，简化了维护工作。（4）其他电气设备气体绝缘开关柜、环网供电单元、中性点接地电阻器、中性点接地电抗器、移相电容器、标准电容器等。,线路快速接地开关（HSGS）,因系统电压高，其送电线的电容大，发生故障开断后，电感引起2次电弧仍残留几秒钟以上。因此采用此快速接地开关(HSGS:High-Speed Grounding Switch)保证了故障开断后，迅速接地发生故障的两端，并强制灭2次电弧，使断路器进行重合闸。,第六节 SF6和气体绝缘电气设备,小 结1、电场不均匀程度对SF6气体强度影响远比空气大；2、SF6气体泄露可能会因引起窒息，若含有杂质或放电分解，会产生有毒物质，为了吸附有毒分解物和水分，采用吸附剂；3、SF6混合气体在电气设备中获得应用；4、了解几种气体绝缘电气设备：封闭式气体绝缘组合电器（GIS）气体绝缘管道输电线（GIC）；气体绝缘变压器（GIT）。作业：2-7,
