第2章 氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

1、田付強(qiáng)田付強(qiáng) 副教授副教授牽引供電研究所Email: 辦公室：電氣樓808辦公電話604手機(jī)一篇第一篇 電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度電介質(zhì)的電氣強(qiáng)度第一章第一章 氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程第二第二章章 氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度第三章第三章 液體和固體介質(zhì)的電氣特性液體和固體介質(zhì)的電氣特性 第一節(jié)第一節(jié) 均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)1第二節(jié)第二節(jié) 極不均勻電場(chǎng)氣隙擊穿特性極不均勻電場(chǎng)氣隙擊穿特性23第三節(jié)第三節(jié) 大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正及其校正4第四

2、節(jié)第四節(jié) 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法第二章第二章 氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度5第五節(jié)第五節(jié) 六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.1 均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性一、均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿一、均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性特性u(píng)分散性?。悍稚⑿孕。褐绷?、交流、直流、交流、50%沖擊擊穿電壓基沖擊擊穿電壓基本相同本相同u均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度大致為：均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度大致為： u經(jīng)驗(yàn)公式為：經(jīng)驗(yàn)公式為： d：間隙距離：間隙距離(cm)； ：空氣相對(duì)密度：空氣相對(duì)密度(1)(kVd.d.Ub峰值0862224+=

3、均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)中氣隙擊穿特性的特點(diǎn)中氣隙擊穿特性的特點(diǎn)球隙、同軸圓筒、氣體絕緣球隙、同軸圓筒、氣體絕緣組合電器中的分相封閉母線筒組合電器中的分相封閉母線筒二、稍二、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓稍不均勻電場(chǎng)中的稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓擊穿電壓(以以球隙為球隙為例例)工程上的極不均勻電場(chǎng)氣隙，均可以用兩類極端的模型表工程上的極不均勻電場(chǎng)氣隙，均可以用兩類極端的模型表示，實(shí)際的工程應(yīng)用可依據(jù)這兩類電場(chǎng)類型的測(cè)量值進(jìn)行推算：示，實(shí)際的工程應(yīng)用可依據(jù)這兩類電場(chǎng)類型的測(cè)量值進(jìn)行推算：u 棒棒- -棒電極（完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)）棒電極（完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)）u 棒棒- -板電極（完全不對(duì)稱結(jié)構(gòu)）板電極（

4、完全不對(duì)稱結(jié)構(gòu)） 2.2 極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性棒-棒電極棒-板電極一、常見的極不均勻電場(chǎng)氣隙一、常見的極不均勻電場(chǎng)氣隙u 顯著特征：顯著特征：u 平均平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)：擊穿場(chǎng)強(qiáng)： 正極性棒-板間隙：7.5kV/cm 負(fù)極性棒-板間隙：20kV/cm 棒-棒間隙：11.5 kV/cm1. 稍稍短間隙短間隙二、直流電壓擊穿特性二、直流電壓擊穿特性u(píng) 顯著特征：顯著特征：u 平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)： 正極性棒-板間隙：4.5kV/cm 負(fù)極性棒-板間隙：10kV/cm 正極性棒-棒間隙：4.8kV/cm2. 較長(zhǎng)間隙較長(zhǎng)間隙u 特點(diǎn)特點(diǎn) 棒-板間隙擊穿總是在棒的極性為正

5、時(shí)擊穿。 擊穿電壓與距離近似成直線關(guān)系，大間隙下?lián)舸╇妷河酗柡挖厔?shì)（見后頁(yè)）u 平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng) 棒-棒間隙：3.8kV(有效值)/cm 棒-板間隙：3.35kV(有效值)/cm 三、工頻交流電壓擊穿特性三、工頻交流電壓擊穿特性1. 稍稍短短間隙間隙 (1m)飽和特性飽和特性s50/2 . 1四四、雷電沖擊電壓、雷電沖擊電壓1. 標(biāo)準(zhǔn)雷電波的定義標(biāo)準(zhǔn)雷電波的定義特點(diǎn)：特點(diǎn)：u 棒-板間隙沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)；正棒擊穿電壓比負(fù)棒低得多。u 2、棒-棒間隙也有不大的極性效應(yīng)，這是由于大地的影響，使不接地的那個(gè)電極附近電場(chǎng)增強(qiáng)。2. 稍稍短短間隙間隙 (1m)s2500/250四四

6、、操作沖擊電壓、操作沖擊電壓1. 標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波的定義標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波的定義2. 擊穿特性擊穿特性操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點(diǎn)操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點(diǎn)u 50%50%的操作沖擊電壓依賴于沖擊電壓的上升時(shí)間的操作沖擊電壓依賴于沖擊電壓的上升時(shí)間TcrTcr。u 5050% %的操作沖擊電壓并非介于雷電沖擊電壓和工頻的操作沖擊電壓并非介于雷電沖擊電壓和工頻交流擊穿電壓之間。它遠(yuǎn)低于雷電沖擊電壓，甚至交流擊穿電壓之間。它遠(yuǎn)低于雷電沖擊電壓，甚至在某些上升時(shí)間范圍內(nèi)，還低于工頻交流擊穿電壓在某些上升時(shí)間范圍內(nèi)，還低于工頻交流擊穿電壓。u 飽和特性飽和特性u(píng) 分散性分散性更大（可以理解為伏秒特

7、性帶寬更寬）更大（可以理解為伏秒特性帶寬更寬）。u遠(yuǎn)距離特高壓輸電遠(yuǎn)距離特高壓輸電高海拔地區(qū)的高海拔地區(qū)的高緯度地區(qū)高緯度地區(qū)沿海地區(qū)沿海地區(qū)u大氣壓力大氣壓力、溫度、濕度條件、溫度、濕度條件影響影響電子自由程電子自由程空氣密度空氣密度碰撞電離及附著過程碰撞電離及附著過程2.3 大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正其校正1. 為何要校正為何要校正2. 校正方法校正方法=mdKTpKd9 . 2=適用于短氣隙適用于短氣隙(1 m)(1 m)適用于長(zhǎng)氣隙情況適用于長(zhǎng)氣隙情況式中的式中的m是與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及極性有是與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及極性有關(guān)

8、的值，應(yīng)用時(shí)可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)的值，應(yīng)用時(shí)可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3. 對(duì)空氣密度的校正對(duì)空氣密度的校正=hKk大氣中的水分可以吸附電子形成負(fù)離子，抑制放電的發(fā)生。大氣中的水分可以吸附電子形成負(fù)離子，抑制放電的發(fā)生。均勻電場(chǎng)或稍不均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)或稍不均勻電場(chǎng)：濕度對(duì)這類電場(chǎng)的影響不大。：濕度對(duì)這類電場(chǎng)的影響不大。極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)：濕度對(duì)這類電場(chǎng)的影響較大。需用濕度：濕度對(duì)這類電場(chǎng)的影響較大。需用濕度校正因校正因數(shù)數(shù)加以修正。加以修正。k k與絕對(duì)濕度和電壓類型有關(guān)與絕對(duì)濕度和電壓類型有關(guān)與與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及其極性有關(guān)電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及其極性有關(guān)4. 對(duì)對(duì)空氣濕度的空

9、氣濕度的校正校正-=-ap4aUK U1K1.1 H10 我國(guó)幅員遼闊，運(yùn)行于高海拔地區(qū)的電力設(shè)施不占少數(shù)。我國(guó)幅員遼闊，運(yùn)行于高海拔地區(qū)的電力設(shè)施不占少數(shù)。特別是近年來的西部開發(fā)和青藏鐵路的建設(shè)，大量的電氣特別是近年來的西部開發(fā)和青藏鐵路的建設(shè)，大量的電氣設(shè)備涌入西部的高海拔地區(qū)。設(shè)備涌入西部的高海拔地區(qū)。1000 mHUcUc為加裝屏蔽罩后的起始電壓；為加裝屏蔽罩后的起始電壓；UgmaxUgmax為設(shè)備對(duì)地最大電壓；為設(shè)備對(duì)地最大電壓；R R為球屏蔽罩的半徑；為球屏蔽罩的半徑；EcEc為球屏蔽罩的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。為球屏蔽罩的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。：當(dāng)架空線路的導(dǎo)線直徑減小到一定程度時(shí)，：當(dāng)架空線路的

10、導(dǎo)線直徑減小到一定程度時(shí)，對(duì)應(yīng)間隙的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)反而會(huì)增大。其原因就是電對(duì)應(yīng)間隙的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)反而會(huì)增大。其原因就是電暈產(chǎn)生的空間電荷改善了電場(chǎng)。暈產(chǎn)生的空間電荷改善了電場(chǎng)。利用空間電荷效應(yīng)改善電場(chǎng)在應(yīng)用中難度較大，因?yàn)槔每臻g電荷效應(yīng)改善電場(chǎng)在應(yīng)用中難度較大，因?yàn)榭臻g電荷的密度、位置等均不易控制?？臻g電荷的密度、位置等均不易控制。電暈電暈空間電荷空間電荷改善電場(chǎng)改善電場(chǎng)2.利用空間電荷改善電場(chǎng)分布利用空間電荷改善電場(chǎng)分布目的目的：阻礙帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，積聚空間電荷并改善電場(chǎng)分布。：阻礙帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，積聚空間電荷并改善電場(chǎng)分布。3.采用介質(zhì)阻擋方法采用介質(zhì)阻擋方法安裝距離安裝距離：dx)615

11、1(=正極性直流擊穿電壓可提高正極性直流擊穿電壓可提高2-3倍倍負(fù)極性直流擊穿電壓可提高約負(fù)極性直流擊穿電壓可提高約10%屏蔽材料屏蔽材料：絕緣介質(zhì)，玻璃絕緣介質(zhì)，玻璃、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯聚四氟乙烯放置位置放置位置：放在電極之間，其表面與電力線垂直。：放在電極之間，其表面與電力線垂直。原理原理：減小電子的平均：減小電子的平均自由行程，抑制電離過自由行程，抑制電離過程的發(fā)生。程的發(fā)生。4.采用高氣壓的方法采用高氣壓的方法原理：原理：具有很強(qiáng)的具有很強(qiáng)的，由其化合成的氣，由其化合成的氣體通常具有很強(qiáng)的體通常具有很強(qiáng)的，進(jìn)而可以抑制放電。，進(jìn)而可以抑制放電。氣體：六氟化硫、氟里昂氣體：六

12、氟化硫、氟里昂高高電氣強(qiáng)度氣體電氣強(qiáng)度氣體六氟化硫是目前電氣工程領(lǐng)域除空氣外應(yīng)用最多的絕六氟化硫是目前電氣工程領(lǐng)域除空氣外應(yīng)用最多的絕緣氣體。緣氣體。5.采用高電氣強(qiáng)度氣體采用高電氣強(qiáng)度氣體原理：分子間距大，碰撞電離難。原理：分子間距大，碰撞電離難。6.采用高真空采用高真空簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介六氟化硫氣體在六氟化硫氣體在2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代開始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧介質(zhì)。年代開始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧介質(zhì)。首先應(yīng)用于斷路器，之后不斷發(fā)展，已成為除空氣外應(yīng)用最廣泛首先應(yīng)用于斷路器，之后不斷發(fā)展，已成為除空氣外應(yīng)用最廣泛的介質(zhì)。的介質(zhì)。2.5 六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備1.1.六氟化

13、硫氣體的性能六氟化硫氣體的性能u無色、無味、無毒的優(yōu)良?xì)怏w，分解溫度高約無色、無味、無毒的優(yōu)良?xì)怏w，分解溫度高約800 K800 K。u其電氣強(qiáng)度是空氣耐電強(qiáng)度的其電氣強(qiáng)度是空氣耐電強(qiáng)度的2.32.32.52.5倍倍, ,其原因?yàn)槠湓驗(yàn)椋?分子量分子量大（為大（為146146），密度大（相同條件下，是空氣的），密度大（相同條件下，是空氣的5 5倍），屬重氣體倍），屬重氣體。 具有具有電負(fù)性（親和勢(shì)約為電負(fù)性（親和勢(shì)約為4.10 eV4.10 eV），易俘獲電子，減少），易俘獲電子，減少了引起電離的電子數(shù)。因此具有較好的滅弧性能（空氣的了引起電離的電子數(shù)。因此具有較好的滅弧性能（空氣的1001

14、00倍）。倍）。電負(fù)性氣體的有效電子碰撞電離系數(shù)為：電負(fù)性氣體的有效電子碰撞電離系數(shù)為： (1)(1)均勻均勻和稍不均勻電場(chǎng)中和稍不均勻電場(chǎng)中SF6SF6的擊穿的擊穿 在在分析電負(fù)性氣體的碰撞電離和放電過程時(shí)，除考慮電子碰撞分析電負(fù)性氣體的碰撞電離和放電過程時(shí)，除考慮電子碰撞電離的電離的過程，還要考慮電負(fù)性氣體吸附電子的過程，還要考慮電負(fù)性氣體吸附電子的過程。過程。 ：一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)：一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的行程中，發(fā)生的電子附的行程中，發(fā)生的電子附著次數(shù)的平均值。著次數(shù)的平均值。 =- 2.2.六氟化硫氣體的擊穿特性六氟化硫氣體的擊穿特性均勻電場(chǎng)中電子崩的增長(zhǎng)規(guī)律：均勻電場(chǎng)中電子崩的

15、增長(zhǎng)規(guī)律：daenn0=-=d( )dK10.5SF6在均勻場(chǎng)強(qiáng)下的在均勻場(chǎng)強(qiáng)下的擊穿電壓為：擊穿電壓為：38. 0+5 .88=pdUbpdUb5 .88=工業(yè)上工業(yè)上pd1 Mpa.mm，上式近似的，上式近似的?。喝。簆：氣壓：氣壓Mpa， d：極間距離，：極間距離，mm則則100 kPa時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為88.5 kV/cm，是空氣的，是空氣的3倍。倍。(2)(2)極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)中中SF6SF6的擊穿的擊穿影響因素：影響因素： 粗糙度：毛刺粗糙度：毛刺、凸起、凸起、電極電極 導(dǎo)電微粒導(dǎo)電微粒 表面電荷表面電荷(1)(1)液化液化問題問題SF6高壓斷路器工作氣壓高壓

16、斷路器工作氣壓0.7 MPa；GIS工作氣壓工作氣壓0.45 MPa。-20-20-40-403.3.六氟化硫理化特性方面的若干問題六氟化硫理化特性方面的若干問題SFSF4 4: :無色，有刺激氣味，與水作用生成無色，有刺激氣味，與水作用生成HFHF，有毒有毒; ;S S2 2F F1010: :無色、易揮發(fā)、無色、易揮發(fā)、劇毒劇毒; ;SOFSOF2 2：無色，有刺激性，有毒。無色，有刺激性，有毒。SOSO2 2F F2 2：無色，無味，：無色，無味，有毒有毒;SOF;SOF4 4：無色、有刺激性氣味，有毒。：無色、有刺激性氣味，有毒。SFSF2 2：化學(xué)性能不穩(wěn)定，：化學(xué)性能不穩(wěn)定，有毒有

17、毒。(2)(2)毒性毒性分解物分解物在在GISGIS中放入吸附劑（如活性氧化鋁等），吸附有毒物質(zhì)和水中放入吸附劑（如活性氧化鋁等），吸附有毒物質(zhì)和水GISGIS中對(duì)微水含量要求十分嚴(yán)格，超標(biāo)的水分中對(duì)微水含量要求十分嚴(yán)格，超標(biāo)的水分與與SF6SF6分解物分解物反應(yīng)，容易生成氫氟酸，腐蝕電極和反應(yīng)，容易生成氫氟酸，腐蝕電極和固體介質(zhì)。含水量一般固體介質(zhì)。含水量一般要要求求在在100 ppm以內(nèi)。以內(nèi)。(3)(3)含水量含水量(4)(4)六氟化硫混合氣體六氟化硫混合氣體常見的廉價(jià)氣體，如氮常見的廉價(jià)氣體，如氮?dú)?、二氧化碳、空氣等，氣、二氧化碳、空氣等，混入很少量的六氟化硫，混入很少量的六氟化硫，?/p>

18、可提高其擊穿電壓。即可提高其擊穿電壓。解決高寒地區(qū)的解決高寒地區(qū)的SF6SF6氣氣體液化問題。體液化問題。(1) 封閉式封閉式氣體絕緣組合電器氣體絕緣組合電器(GIS)GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、互感器、避雷器、由斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、互感器、避雷器、母線和母線和出線終端出線終端等部件組合而成，全部封閉在充等部件組合而成，全部封閉在充SF6氣體的金氣體的金屬外殼中。屬外殼中。GIS的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)：1.1. 占占地少地少適合我國(guó)國(guó)情；適合我國(guó)國(guó)情；2.2. 運(yùn)行安全可靠，外殼接地，不運(yùn)行安全可靠，外殼接地，不會(huì)誤傷運(yùn)行人員；會(huì)誤傷運(yùn)行人員；3.3. 防污能力強(qiáng)防污能力強(qiáng)不不受風(fēng)霜雨

19、雪的受風(fēng)霜雨雪的侵襲；侵襲；4.4. 安裝簡(jiǎn)便安裝簡(jiǎn)便、檢修周期長(zhǎng)。、檢修周期長(zhǎng)。4.SF64.SF6氣體絕緣電氣設(shè)備氣體絕緣電氣設(shè)備GIC的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)：1.1. 電容小電容小GICGIC的電容只有充油電纜的的電容只有充油電纜的1/41/4左右，故容抗左右，故容抗大，容性電流小，傳輸距離長(zhǎng)；大，容性電流小，傳輸距離長(zhǎng)；2.2. 介質(zhì)損耗??；介質(zhì)損耗?。?.3. 導(dǎo)體截面積大，傳輸容量大；導(dǎo)體截面積大，傳輸容量大；4.4. 能夠用于大落差的場(chǎng)合能夠用于大落差的場(chǎng)合。(2) 氣體氣體絕緣管道輸電線絕緣管道輸電線(GIC)(3)氣體絕緣變壓器氣體絕緣變壓器(GIT)GIT的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)：1. GIT是防暴型變壓器，非常適合于城市高層建筑的供電是防暴型變壓器，非常適合于城市高層建筑的供電和用于地下礦井等有防火防爆要求的場(chǎng)合；和用于地下礦井等有防火防爆要求的場(chǎng)合；2. 氣體傳遞振動(dòng)能力小于液體，氣體傳遞振動(dòng)能力小于液體，GIT的噪聲??；的噪聲??；3. 氣體介質(zhì)不會(huì)老化，簡(jiǎn)化了維護(hù)進(jìn)程；氣體介質(zhì)不會(huì)老化，簡(jiǎn)化了維護(hù)進(jìn)程；本章主要知識(shí)點(diǎn)本章主要知識(shí)點(diǎn)1.1. 均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性 均勻電場(chǎng)氣隙中，空氣的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)；均勻電場(chǎng)氣隙中