高電壓工程基礎(chǔ)(施圍)課件第3章 氣體間隙的擊穿強(qiáng)度

1、高電壓工程基礎(chǔ)第第3 3章章 氣體間隙的擊穿強(qiáng)度氣體間隙的擊穿強(qiáng)度 3.1 穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿 3.2 雷電沖擊電壓下的擊穿雷電沖擊電壓下的擊穿 3.3 操作沖擊電壓下的擊穿操作沖擊電壓下的擊穿 3.4 大氣密度和濕度對擊穿的影響大氣密度和濕度對擊穿的影響 3.5 SF6氣體間隙中的擊穿氣體間隙中的擊穿 3.6 提高氣體間隙擊穿電壓的措施提高氣體間隙擊穿電壓的措施高電壓工程基礎(chǔ)3.1 穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿 均勻電場中的擊穿均勻電場中的擊穿0.010.1110d/cm110100400Ub/kVeg：高壓靜電電壓表的電極布置 24.226.08()bUdd kV特點(diǎn)：特

2、點(diǎn)：（1）均勻電場中電極布置對稱，擊穿無極性效應(yīng)；（2）均勻場間隙中各處電場強(qiáng)度相等，擊穿所需時間極短，其直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值、50%沖擊擊穿電壓相同；（3）擊穿電壓的分散性很小。 高電壓工程基礎(chǔ) 稍不均勻電場中的擊穿稍不均勻電場中的擊穿（1）球間隙）球間隙 （eg：高壓實(shí)驗(yàn)室中的測量球隙）a. dD/4時，電場不均勻程度增大，擊穿場強(qiáng)下降，出現(xiàn)極性效應(yīng)；c. 球隙測壓器的工作范圍dD/2；否則因放電分散性增大，不能保證測量的精度。 高電壓工程基礎(chǔ)（2）同軸圓柱電極）同軸圓柱電極 （eg：高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器、單芯電纜、GIS分相母線）（1）r/R0.1時時，稍不均勻電場，擊穿前不出現(xiàn)電暈

3、，且由圖可見，當(dāng)r/R 0.33時擊穿電壓出現(xiàn)極大值（上述電氣設(shè)備在絕緣設(shè)計(jì)時盡量將r/R選取0.250.4的范圍內(nèi)）。 bmdUEf高電壓工程基礎(chǔ)（3）其他形狀的電極布置）其他形狀的電極布置 bmdUEf球狀電極的電場不均勻系數(shù)大于相同半徑的圓柱電極；間隙距離增大時，電場不均勻系數(shù)也增大。 高電壓工程基礎(chǔ) 極不均勻電場中的擊穿極不均勻電場中的擊穿 不對稱布置的極不均勻場間隙的極性效應(yīng)很明顯，而且其擊穿的極性效應(yīng)與稍不均勻場間隙相反。 尖板和尖尖空氣間隙的直流擊穿電壓 棒棒和棒板空氣間隙的工頻擊穿電壓（有效值） 高電壓工程基礎(chǔ)3.2 雷電沖擊電壓下的擊穿雷電沖擊電壓下的擊穿 沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形

4、沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形標(biāo)準(zhǔn)雷電波標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形： T1=1.2s30， T2=50s20對于不同極性：+1.2/50s或-1.2/50s操作沖擊波操作沖擊波的波形： T1=250s20， T2=2500s60對于不同極性：+250/2500s或-250/2500s 波前時間 半峰值時間 高電壓工程基礎(chǔ) 放電時延放電時延臨界擊穿電壓 統(tǒng)計(jì)時延：從外施電壓達(dá)Uo時起，到出現(xiàn)一個能引起擊穿的初始電子崩所需的第一個有效電子所需時間放電形成時延：從出現(xiàn)第一個有效自由電子時起，到放電過程完成所需時間，即電子崩的形成和發(fā)展到流注等所需的時間高電壓工程基礎(chǔ) 50擊穿電壓及沖擊系數(shù)擊穿電壓及沖擊系數(shù)1. 50擊穿

5、電壓擊穿電壓 多次施加電壓時有半數(shù)會導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷褐礥b50 。0503bbUU2. 沖擊系數(shù)沖擊系數(shù) 同一間隙的50沖擊擊穿電壓與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓Uss之比 。高電壓工程基礎(chǔ) 伏秒特性伏秒特性伏秒特性：伏秒特性：在同一沖擊電壓波形下，擊穿電壓值與放電時延（或電壓作用時間）有關(guān)的特性。 用實(shí)驗(yàn)確定間隙伏秒特性的方法：用實(shí)驗(yàn)確定間隙伏秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變，逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時間t。 擊穿發(fā)生在波前或峰值，取此刻值擊穿發(fā)生在波尾，取峰值未擊穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性50%沖擊擊穿電壓高電壓工程基礎(chǔ)電氣設(shè)備絕緣的伏秒特性和避雷器

6、的伏秒特性（a）正確配合 （b）不正確配合絕緣的絕緣的伏秒特性伏秒特性避雷器的避雷器的伏秒特性伏秒特性高電壓工程基礎(chǔ)3.3 操作沖擊電壓下的擊穿操作沖擊電壓下的擊穿 操作沖擊電壓下?lián)舸┑牟僮鳑_擊電壓下?lián)舸┑腢形曲線形曲線（1）長空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其擊穿電壓僅與波前時間有關(guān)。（2）當(dāng)波前時間tf為100300s時，擊穿場強(qiáng)出現(xiàn)極小值。出現(xiàn)極小值的波前時間隨間隙距離的增加而增大。Eb隨tf 的減小而增大是放電時延在起作用，與雷電沖擊電壓相似電壓作用時間增加后空間電荷遷移范圍擴(kuò)大，改善了間隙中電場分布，擊穿電壓提高棒棒棒棒導(dǎo)線板導(dǎo)線板工頻擊穿工頻擊穿場強(qiáng)場強(qiáng)高電壓工程基礎(chǔ)

7、 操作沖擊電壓的推薦波形操作沖擊電壓的推薦波形a. T1/T2=250(20) / 2500(60) s b.振蕩操作波 長空氣間隙在操作沖擊電壓下的擊穿強(qiáng)度長空氣間隙在操作沖擊電壓下的擊穿強(qiáng)度特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）長間隙的雷電沖擊擊穿電壓遠(yuǎn)比操作沖擊擊穿電壓要高；（2）間隙長度超過5m時呈現(xiàn)飽和趨勢。（3）間隙距離越大，“2”與“3”的擊穿電壓的差別越大。雷電沖擊雷電沖擊操作沖擊操作沖擊最小擊穿最小擊穿電壓電壓min3.4120m81UMVd棒板間隙距離 ：arUkU其它間隙： 高電壓工程基礎(chǔ)3.4 大氣密度和濕度對擊穿的影響大氣密度和濕度對擊穿的影響 大氣校正因數(shù)大氣校正因數(shù) 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，利

8、用校正因數(shù)可將測得的放電電壓值換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件（t020，p0101.3kPa，h011g/m3）的電壓值，或?qū)?biāo)準(zhǔn)參考大氣條件下規(guī)定的試驗(yàn)電壓值換算為試驗(yàn)條件下的電壓值。 00/ttUU KUU K12tKK K1mK00273273tppt2WKK1. 空氣密度校正系數(shù)空氣密度校正系數(shù)2. 濕度校正因素濕度校正因素高電壓工程基礎(chǔ)3. 指數(shù)指數(shù)m和和W500BUgL K高電壓工程基礎(chǔ)3.6 提高氣隙擊穿電壓的措施提高氣隙擊穿電壓的措施 改善電場分布的措施改善電場分布的措施（1）改變電極形狀）改變電極形狀 例如采用屏蔽罩、擴(kuò)徑導(dǎo)線等增大電極曲率半徑，或改善電極邊緣形狀以消除邊緣效應(yīng)。長空氣間

9、隙的交流擊穿電壓棒板棒板棒棒棒棒導(dǎo)線桿塔支柱導(dǎo)線桿塔支柱導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)線導(dǎo)線高電壓工程基礎(chǔ)（2）利用空間電荷對原電場的畸變作用）利用空間電荷對原電場的畸變作用 例如利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場間隙中電場分布，從而提高間隙的擊穿電壓。 但應(yīng)該指出，上述細(xì)線效應(yīng)只存在于一定的間隙距離范圍之內(nèi)，間隙距離超過一定值，細(xì)線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，使擊穿電壓與尖板或尖尖間隙的相近了。另外，此種提高擊穿電壓的方法僅在持續(xù)作用電壓下才有效，在雷電沖擊電壓下并不適用。 高電壓工程基礎(chǔ)（3）極不均勻電場中屏障的使用）極不均勻電場中屏障的使用 正尖板間隙中屏障的作用 屏障靠近尖電極或板

10、電屏障靠近尖電極或板電極時，屏障效應(yīng)消失，正、極時，屏障效應(yīng)消失，正、負(fù)極性下出現(xiàn)很大差別。負(fù)極性下出現(xiàn)很大差別。 直流電壓下尖板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系 屏障應(yīng)靠近尖電極，使比較屏障應(yīng)靠近尖電極，使比較均勻的電場區(qū)擴(kuò)大。但離尖電極均勻的電場區(qū)擴(kuò)大。但離尖電極過近時，屏障上空間電荷的分布過近時，屏障上空間電荷的分布將變得不均勻而使屏障效應(yīng)減弱，將變得不均勻而使屏障效應(yīng)減弱，因此屏障有一最佳位置。因此屏障有一最佳位置。 高電壓工程基礎(chǔ) 高氣壓的采用高氣壓的采用均勻電場中幾種絕緣介質(zhì)的擊穿電壓與距離的關(guān)系12.8MPa的空氣 20.7MPa的SF6 3高真空4變壓器油 50.1MPa的S

11、F6 6大氣高電壓工程基礎(chǔ) 強(qiáng)電負(fù)性氣體的應(yīng)用強(qiáng)電負(fù)性氣體的應(yīng)用（1）SF6和一些氟里昂氣體屬于強(qiáng)電負(fù)性氣體，其絕緣強(qiáng)度比空氣高得多，因此用于電氣設(shè)備時其氣壓不必太高，使設(shè)備的制造和運(yùn)行得以簡化。（2）氟里昂12（CCI2F2）的絕緣強(qiáng)度與SF6相近，其液化溫度也可滿足戶內(nèi)設(shè)備的條件，但為保護(hù)大氣中的臭氧層，國際上早已將氟里昂12列入第一批需限制和禁用的氟里昂。（3）SF6的價格較高，用于斷路器時（氣壓在0.7MPa左右）液化溫度不能滿足高寒地區(qū)要求，在工程應(yīng)用中有時采用SF6混合氣體。已得到應(yīng)用的混合氣體是SF6-N2混合氣體，通常其混合比在50% 50%左右，其液化溫度能滿足高寒地區(qū)要求，

12、絕緣強(qiáng)度約為純SF6的85左右。（4）SF6氣體溫室效應(yīng)相當(dāng)于CO2的23900倍，且SF6氣體不會自然分解，在大氣中壽命長達(dá)3200年。因此目前的技術(shù)發(fā)展趨勢是在SF6用氣量大的氣體絕緣管道輸電線中改用SF6含量較小的N2-SF6混合氣體（SF6的含量為20時，混合氣體的絕緣強(qiáng)度為純SF6的75左右）。 高電壓工程基礎(chǔ) 高真空的采用高真空的采用擊穿電壓擊穿電壓擊穿場強(qiáng)擊穿場強(qiáng)間隙距離對擊穿的影響：間隙距離對擊穿的影響：規(guī)律：擊穿場強(qiáng)隨間距的增加而降低。原因：隨著間隙距離及擊穿電壓的增大，電子從陰極到陽極經(jīng)過了巨大的電位差，積聚了很大的動能。高能電子轟擊陽極時能使陽極釋放出正離子及輻射出光子。正離子及光子到達(dá)陰極后又將加強(qiáng)陰極的表面電離。在此反復(fù)過程中產(chǎn)生越來越大的電子流，使電極局部氣化，導(dǎo)致?lián)舸?。擊穿機(jī)理：擊穿機(jī)理： 強(qiáng)場發(fā)射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過熱并釋放出氣體，發(fā)生金屬氣化，破壞了真空，故引起擊穿。高電壓工程基礎(chǔ) 在完全相同