气隙的电气强度.ppt

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1、第三章 气隙的电气强度,第一节 气隙的击穿时间第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响第四节 较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压第五节 提高气隙击穿电压的方法,3.1 气隙的击穿时间,足够大的电场强度或足够高的电压在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿,完成气隙击穿的三个必备条件：,直流电压、工频交流等持续作用的电压，可以满足上述三个条件；当所加电压为变化速度很快，作用时间很短的冲击电压时，因有效作用时间短（以微秒计），此时放电时间就变成一个重要因素。,完成击穿所需放电时间很短的（微秒级）：,静态击穿

2、电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。击穿时间：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的时间，也称为全部放电时间。,击穿时间tb=t0+ts+tf 放电时延：t1=ts+tf,5,5,5,第一阶段 升压时间t1（0U0静态击穿电压）：击穿过程可能并未开始对于持续电压（直流、工频电压）：此阶段电压升到U0，气隙即被击穿；非持续电压下（雷电、操作冲击电压）：由于t0非常短，即使电压升到U0，气隙不立即击穿。-无有效电子自由电子的出现需要时间电子-负离子电离终止,6,6,第二阶段 统计时延ts（U0 出现第一个有效电子）：击穿过程开始，具有统计性由于有效电子的出现是一个随机事件，取决于很多偶

3、然因素，所以ts具有分散性。ts每次都不一样，要确定ts就要记录多个时间值进行统计，故称为统计时延。ts（平均值）的影响因素：电极材料、外加电压、光照射、电场情况。,7,7,第三阶段 放电形成时延tf（出现第一个有效电子气隙被击穿）：具有统计性对于汤逊理论：过程+过程气隙被击穿；对于流注理论：电子碰撞电离+流注的形成气隙被击穿tf的影响因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压；,8,8,放电时间构成的总结,总放电时间tbtbt0+ts+tf（统计性）放电时延tltl=ts+tf（统计性）,9,9,间隙距离越短，电场越均匀，放电形成时延tf越小，tstf，放电时延主要取决于统计时延ts 提高外施电压

4、人工光源照射较长的间隙，不均匀电场，局部场强很高，出现有效电子的概率增加，统计时延较小。放电时延主要取决于放电形成时延tf，且电场越不均匀则tf越长，提高外施电压,3.2 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布,电压波形伏秒特性气隙击穿电压的概率分布,一.电压波形,（一）直流电压,直流试验电压大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，通常所称的电压值是指平均值。直流电压的脉动幅值是最大值与最小值之差的一半。纹波系数为脉动幅值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3。,（二）工频交流电压,工频交流试验电压应近似为正弦波，正负两半波相同，其峰值与有效值之比应在 以内。频率一

5、般在45-65Hz范围内。,（三）雷电冲击电压,用来模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数波。如图：T1视在波前时间；T2视在半峰值时间；Um冲击电压峰值,T1=1.2s，容许偏差30%；T2=50s，容许偏差20%通常写成1.2/50s，并可在前面加上正、负号表示极性。波形峰值Um允许偏差3%,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为：,T1=1.2s，容许偏差30%；截断时间Tc=25s.可写成1.2/25s.,（四）标准雷电截波,用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波。,IEC标准和我国国家标准规定为：,IEC标准和我国标准规定为左下图：波前时间Tp=

6、250s20%；半峰值时间T2=2500s60%。可写成250/2500s冲击波。当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波右下图，第一个半波的持续时间在20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%,（五）操作冲击电压,二.伏秒特性,气隙的伏秒特性：在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和击穿时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。,（一）伏秒特性曲线的制作,保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电压，电压为纵坐标，时间为横坐标电压较低时，击穿一般发生在波尾，取该电压

7、的峰值与击穿时刻，得到相应的点；电压较高时，击穿一般发生在波头，取击穿时刻的电压瞬时值及该时刻，得到相应的点；把这些相应的点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的“伏秒特性曲线”。,二.伏秒特性（续）,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域。,3-U0%2-U50%1-U100%,19,50%冲击击穿电压击穿百分比为50%的击穿电压。,由于放电时延和放电时间均具有统计分散性，多次重复施加电压时可能有几次击穿而另几次没击穿。随着电压的提高，发生击穿的百分比将越来越大。工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压U50%来表征气隙的冲击击穿特性。在实际中施加10次电压有46

8、次击穿，就可认为这一电压为气隙的U50%冲击击穿电压。,（二）伏秒特性曲线的应用,间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义,是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据。,3-2-6 S2对S1 起保护作用,3-2-7 在高幅值冲击电压作用下，S2不起保护作用,三.气隙击穿电压的概率分布,气隙的击穿电压具有一定的分散性，即“击穿概率分布特性”。研究表明，气隙击穿的几率分布接近正态分布，通常可以用U50%和变异系数Z来表示。,变异系数是相对数形式表示的变异指标。它是通过变异指标中的全距、平均差或标准差与平均数对比得到的。常用的是标准差系

9、数。,气隙绝缘，关心的不仅是其U50%击穿电压，更重要的是其耐受电压。100%的耐受电压是很难测的（要做无穷次的实验），工程实际中常用对应于很高耐受几率(例如99以上)的电压作为耐受电压。,冲击系数U50%与 静态击穿电压U0 之比称为冲击系数。均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小，冲击系数 1。极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数均大于1。,我国的国家标准所规定的标准大气条件为：,压力 p0=101.3kpa（760mmHg）；温度 t0=20 或 T0=293K；绝对湿度 hc=11g/m3。,3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响,由于大气的压力、温度、湿度等条件会影响空气的密

10、度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，影响气隙的击穿电压Ub。,空气密度增大时，空气中自由电子的平均自由行程缩短，不易造成碰撞电离，所以空气间隙的击穿电压升高。空气的湿度增加时，由于水蒸气是电负性气体，易俘获自由电子形成负离子，使电离减弱，所以空气间隙的击穿电压升高。,气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高？,式中:U 实际试验条件下的气隙击穿电压 U0 标准大气条件下的气隙击穿电压 Kd空气密度校正因数 Kh湿度校正因数,气隙击穿电压的换算公式,空气的密度与压力和温度有关。空气的相对密度,式中 p气压，kPa；T绝对温度，K。,在大气条件下，气隙的击穿电压随空气的相对密度的增大而提高

11、。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（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。,一.对空气密度的校正,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形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。Kd 如下式计算,式中指数 m，n 与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关，值在0.41.0的范围内变化，具体取值可参考有关国家标准的规定。,一.对空气密度的校正(续),在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不

12、易被水分子俘获，因而湿度影响不太明显，可以忽略不计。,在极不均匀电场中，湿度影响就很明显了，可用下面的湿度校正因数来校正。,式中因数 K与绝对温度和电压类型有关，而指数 W 之值取决于电极形状、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。,二.对湿度的校正,Kh=KW,指数m和W的求取,UB 实际大气条件下50%放电电压的测量值或估算值，kV；,L 试品最小放电路径，m；,、K 实际的空气相对密度和湿度校正因数式中参数。,例：某距离4m的棒-板间隙，在夏季某日气压 P=99.8kP，环境温度t=30，空气绝对湿度h=20g/m3的大气条件下，问正极性50%操作冲击击穿电压为多少？,

13、解：由实验曲线查得：距离为4m长的棒-板间隙在标准大气压状态下的正极性50%操作冲击击穿电压为U50标=1300kV,查曲线得：K=1.1,查曲线得：m=W=0.34,三、海拔高度对放电电压的影响,高海拔地区由于气压下降，空气相对密度下降，因此空气间隙的放电电压也随之下降。,在海拔1000-4000m的范围内，海拔每升高100m，空气的绝缘强度约下降1%。(即绝缘能力变弱),国家标准规定，对拟用于高海拔地区(海拔1000-4000m)的外绝缘设备，在非高海拔地区(海拔1000m以下)进行试验时，其试验电压校正如下：,U0 标准大气条件下的试验电压，kV；,KA 海拔校正因数，kV；,H 设备使

14、用处海拔高度，m；,小 结：,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。,海拔高度增加时，气体的放电电压下降。,3.4 均匀/稍不均匀场的击穿电压,1.在均匀电场中，电场是对称的，故击穿电压与电压极性无关，由于间隙各处的场强大致相等，故起始放电电压就等于气隙的击穿电压。不同电压波形作用下，击穿电压实际上相同，且分散性很小，对于空气，可以用以下的经验公式表示：kV（peak）式中 空气相对密度 S 间隙距离，cm 标准情况下，1cm空气间隙的击穿电压约为30kV.,2.

15、稍不均匀电场 具有一定的极性效应。稍不均匀电场的结构形式有多种多样，常遇到的较典型的电场结构形式有；球球、球板、圆柱板、两同轴圆筒、两平行圆柱、两垂直圆柱等。对这些较简单的、有规则的、较典型的电场，有相应的计算击穿电压的经验公式或曲线，而用时，可参阅有关的手册和资料。3.影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素：电场结构、大气条件、还有邻近效应和照射效应,3.5 极不均匀场的击穿电压,影响击穿电压的主要因素是间隙距离直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大，且极性效应显著 工程上，击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计。选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒(尖)板：电场

16、分布不均匀、不对称 棒(尖)棒(尖)：电场分布不均匀、对称,(一)直流电压作用下：,图3-5-1 棒-板和棒-棒气隙直流1min临界耐受电压与气隙距离的关系,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10kV/cm棒棒间隙的平均击穿场强约为5.4kV/cm极性效应：,图3-5-2 棒-棒和棒-板空气间隙的工频击穿电压与间隙距离的关系,（二）工频电压作用下:,击穿总在棒为正半波时发生 除了起始部分外，中等距离范围内，击穿电压和距离近似线性关系 棒棒3.8kV/cm；棒板低(极性效应),气隙S2.5m时，击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向，特别是棒板气隙，其

17、饱和趋向更明显。,图3-5-3 长气隙和绝缘子串的工频50%击穿（或闪络）电压与气隙距离的关系,另外，棒-棒和棒-板的工频击穿电压曲线是各种不均匀电场气隙击穿电压曲线的上下包络线，这点对设计很有用。,“饱和现象”：d=1m，5 kV/cm d=10m，2 kV/cm,（三）雷电冲击电压作用下,棒板间隙具有明显的极性效应;棒棒间隙也具有不大的极性效应。这是由于大地的影响，使不接地的棒极附近电场增强的缘故。U50%与间隙距离间保持良好的线性关系。,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。该过程会在某些电气设备和电网

18、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等于系统运行电压，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。,（四）操作冲击电压作用下,直到20世纪50年代，各国还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及以下电压等级电力系统：操作冲击系数=1.1220kV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

19、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。,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U50%、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，击穿发生在峰值附近。在极不均匀场中,操作冲击表现出许多新的特点：极性效应；U形曲线；饱和现象；分散性大。,操作冲击50击穿电压的特点,在各种不同的不均匀电场结构中，正极性操作冲击的50%击穿电压都比负极性的低，所以更危险。,正棒-负板空气间隙U形曲线中，50%击穿电压极小值Umin(kV)可用经验公式计算：,式中 d间隙距离，m。,（1）极性效应,棒-板气隙的操

20、作冲击击穿电压,（2）U形曲线,曲线呈U形，波前时间在某一区域内，气隙的50%击穿电压具有极小值，称为临界击穿电压，与此相应波前时间称为临界波前时间。间隙距离d增大时，临界波前时间随之增大。d7m的间隙，临界波前时间约100300s范围内。间隙距离d越大，放电发展所需的时延越大，因此相应的临界波前时间就越大。,棒-板气隙的操作冲击击穿电压,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。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

21、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-板气隙的操作冲击击穿电压,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:工频四分之一周波相当于波前时间5000s，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。,在操作冲击电压作用下，长间隙的击穿电压呈现出显著的饱和现象，特别是棒-板型间隙饱和程度尤为明显。这一点与工频击穿电压的规律类似。而雷电过电压下的

22、饱和现象却不明显。,（3）饱和现象,击穿电压的分散性可用相对标准差表示,（4）击穿电压的分散性大,极不均匀电场的空气间隙，在波前时间为数十微秒至数百微秒的操作冲击电压作用下，约为5%，而在雷电冲击电压下，约为3%，工频电压作用下，分散性更小，2%。,1、标准冲击电压波形为非周期性指数衰减波形。2、电压波形对U50%影响很大。3、标准冲击电压的极性效应显著。4、标准冲击电压的击穿电压的分散性大。,小 结：,3.6 提高气隙击穿电压的方法,两个途径：一、改善电场分布，使之尽量均匀 二、利用各种方法来削弱气体中的电离过程,常用办法：增大电极的曲率半径（简称屏蔽）。,一.改善电场分布,3.6 提高气隙

23、击穿电压的方法（续）,从气体碰撞电离的理论可知，将气隙抽成高度的真空能抑制碰撞电离的发展，提高气隙的击穿电压。注意：高真空中，击穿机理发生了变化，撞击电离的机制不起主要作用，而击穿与强场发射有关。应用：真空断路器中用作绝缘和灭弧。,增高气体的压力可以减小电子的平均自由行程，阻碍碰撞电离的发展。在一定的气压范围内，增高气压对提高气隙的击穿电压是极为有效的。但是容器的密封比较困难，即使做到了密封，造价也比较昂贵。如：高压空气断路器、高压标准电容器等,3.6 提高气隙击穿电压的方法（续）,二.采用高度真空,三.增高气压,卤族元素的气体：六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等耐电强度比气体高的多

24、，采用该气体或在其他气体中混入一定比例的这类气体，可以大大提高击穿电压。,四.采用高耐电强度气体,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,对高电气强度气体的要求,1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,五.SF6气体的应用,SF6气体除了具有很高的电气强度以外，还具有优异的灭弧能力。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。,