第二章：氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度ppt課件

1、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)度為什么要研究氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度？為什么要研究氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度？氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)？氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)？1.1.氣隙的電氣強(qiáng)度與電場(chǎng)形式有關(guān)氣隙的電氣強(qiáng)度與電場(chǎng)形式有關(guān)相對(duì)于均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)，極不均勻電相對(duì)于均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)，極不均勻電場(chǎng)更容易被擊穿。場(chǎng)更容易被擊穿。2.2.氣隙的電氣強(qiáng)度與所加電壓的類(lèi)型有關(guān)氣隙的電氣強(qiáng)度與所加電壓的類(lèi)型有關(guān)工頻交流電壓工頻交流電壓直流電壓直流電壓雷電過(guò)電壓雷電過(guò)電壓操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓0%50UU沖擊系數(shù)d2.2.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

2、穿特性1.1.均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性Ub：擊穿電壓：擊穿電壓Eb：平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)：平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)UbEbUbEb擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式：擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式：24.556.66bUdd擊穿電壓的擊穿電壓的峰值峰值kVkV）空氣的相空氣的相對(duì)密度對(duì)密度極間距離極間距離cmcm）注：很顯然此式符合巴申定律注：很顯然此式符合巴申定律擊穿場(chǎng)強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式：擊穿場(chǎng)強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式：24.556.66bbUEdd注：由此式可以估算出，在極間距離在注：由此式可以估算出，在極間距離在1 1至至10cm10cm范圍內(nèi)范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為，擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為3030kV cm1.1.稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性稍不

3、均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性工程上常見(jiàn)的兩類(lèi)稍不均勻電場(chǎng)：工程上常見(jiàn)的兩類(lèi)稍不均勻電場(chǎng)：球間隙球間隙同軸圓桶同軸圓桶球間隙球隙測(cè)壓器）球間隙球隙測(cè)壓器）UbdD25D50D75注：由此圖可以注：由此圖可以看出，在看出，在dD/4dD/4時(shí)，球間隙的電時(shí)，球間隙的電場(chǎng)形式類(lèi)似與均場(chǎng)形式類(lèi)似與均勻電場(chǎng)勻電場(chǎng)同軸圓桶標(biāo)準(zhǔn)電容器或分相封閉母線桶）同軸圓桶標(biāo)準(zhǔn)電容器或分相封閉母線桶）注：當(dāng)內(nèi)桶半徑注：當(dāng)內(nèi)桶半徑比較小時(shí)，氣隙比較小時(shí)，氣隙電場(chǎng)為極不均勻電場(chǎng)為極不均勻電場(chǎng)。電場(chǎng)。R=10Ubr(cm)UcUb擊穿電壓擊穿電壓電暈起始電壓電暈起始電壓極不均勻電場(chǎng)極不均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)2.22.2極不均勻

4、電場(chǎng)氣隙的擊穿特性極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性典型的極不均勻電場(chǎng)典型的極不均勻電場(chǎng)棒棒氣隙棒棒氣隙棒板氣隙棒板氣隙具有完全的對(duì)稱性具有完全的對(duì)稱性具有最大的對(duì)稱性具有最大的對(duì)稱性注：工程實(shí)際中的不注：工程實(shí)際中的不均勻電場(chǎng)的擊穿特性均勻電場(chǎng)的擊穿特性界于這兩者之間。界于這兩者之間。1.1.直流電壓直流電壓dUb棒棒氣隙棒棒氣隙棒板氣隙正）棒板氣隙正）棒板氣隙負(fù)）棒板氣隙負(fù)） 極間距離較短時(shí)的氣隙擊穿特性極間距離較短時(shí)的氣隙擊穿特性 about about 20kV/cm20kV/cmabout7.5kV/cm10cm棒板氣隙正）棒板氣隙正）棒板氣隙負(fù)）棒板氣隙負(fù)）dUb 極間距離較長(zhǎng)時(shí)的氣隙擊穿

5、特性極間距離較長(zhǎng)時(shí)的氣隙擊穿特性10kV/cm10kV/cm左右左右4.5kV/cm4.5kV/cm左右左右300cmHIGH VOLTAGE DC CURRENT TRANSIMISSIONHIGH VOLTAGE DC CURRENT TRANSIMISSION2.2.工頻交流電壓工頻交流電壓棒棒氣隙棒棒氣隙棒板氣隙棒板氣隙dUb 極間距離較短時(shí)的氣隙擊穿特性極間距離較短時(shí)的氣隙擊穿特性250cm注：各種氣隙的工頻擊穿電注：各種氣隙的工頻擊穿電壓分散性一般不大，其標(biāo)準(zhǔn)壓分散性一般不大，其標(biāo)準(zhǔn)差不會(huì)超過(guò)差不會(huì)超過(guò)2 23 3。棒棒氣隙棒棒氣隙棒板氣隙棒板氣隙dUb 極間距離較長(zhǎng)時(shí)的氣隙擊穿特

6、性極間距離較長(zhǎng)時(shí)的氣隙擊穿特性14m導(dǎo)線桿塔氣隙導(dǎo)線桿塔氣隙導(dǎo)線導(dǎo)線氣隙導(dǎo)線導(dǎo)線氣隙3.3.雷擊沖擊電壓雷擊沖擊電壓U50（kV）250cm棒棒氣隙負(fù)）棒棒氣隙負(fù)）棒棒氣隙正）棒棒氣隙正）棒板氣隙正）棒板氣隙正）d 極間距離較短時(shí)的氣隙擊穿特性極間距離較短時(shí)的氣隙擊穿特性棒板氣隙負(fù)）棒板氣隙負(fù)）U50（kV）棒棒氣隙負(fù)）棒棒氣隙負(fù)） 極間距離較長(zhǎng)時(shí)的氣隙擊穿特性極間距離較長(zhǎng)時(shí)的氣隙擊穿特性棒棒氣隙正）棒棒氣隙正）棒板氣隙正）棒板氣隙正）d棒板氣隙負(fù)）棒板氣隙負(fù)）6m注：在雷擊過(guò)電壓的沖擊下，擊穿電注：在雷擊過(guò)電壓的沖擊下，擊穿電壓的分散性比較大其標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)壓的分散性比較大其標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)3。在在5

7、0擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在沖擊電壓的波尾部分。棒間隙工頻擊沖擊電壓的波尾部分。棒間隙工頻擊穿電壓和雷擊沖擊擊穿電壓也可以利穿電壓和雷擊沖擊擊穿電壓也可以利用用39頁(yè)表頁(yè)表21的經(jīng)驗(yàn)公式求取。的經(jīng)驗(yàn)公式求取。4.4.操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓Before 1960操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓等效工頻電壓等效工頻電壓操作沖操作沖擊系數(shù)擊系數(shù)4.4.操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓1.1.操作沖擊電壓的波形對(duì)氣隙的電氣強(qiáng)度有操作沖擊電壓的波形對(duì)氣隙的電氣強(qiáng)度有很大的影響很大的影響Tcr波前時(shí)間）波前時(shí)間）U50（kV）？U50min2.2.在某些波前時(shí)間內(nèi)，操作沖擊電壓的擊穿在某些波前時(shí)間內(nèi)，操作

8、沖擊電壓的擊穿電壓甚至遠(yuǎn)低于工頻擊穿電壓。（圖電壓甚至遠(yuǎn)低于工頻擊穿電壓。（圖2 21111）U50min可以利用以下經(jīng)驗(yàn)公式求得：可以利用以下經(jīng)驗(yàn)公式求得：350%(min)33.4 1021581(1.40.055 ) 1015mdmUdddm3.3.操作沖擊電壓的擊穿電壓具有明顯的飽和操作沖擊電壓的擊穿電壓具有明顯的飽和效應(yīng)效應(yīng)利用上面的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，在氣隙距離為利用上面的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，在氣隙距離為10m10m時(shí)，時(shí)，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為2kV/cm2kV/cm，而當(dāng)氣隙距離增大到，而當(dāng)氣隙距離增大到20m20m時(shí)，時(shí)，卻降至卻降至1.25kV/cm1.25kV/cm。4

9、.在操作沖擊電壓的沖擊下，擊穿電壓的分散性在操作沖擊電壓的沖擊下，擊穿電壓的分散性比較大其標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)比較大其標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)58。也就是說(shuō)它的。也就是說(shuō)它的伏秒特性帶比較寬。伏秒特性帶比較寬。2.32.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿電壓的影響大氣條件對(duì)氣隙擊穿電壓的影響 GBGB規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件為：0101.3pkPa00020293tCorTK311 /chg m標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的氣隙擊穿電壓的氣隙擊穿電壓dohKUUK實(shí)際試驗(yàn)條件下實(shí)際試驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓的氣隙擊穿電壓空氣密度校正因數(shù)空氣密度校正因數(shù)濕度校正因數(shù)濕度校正因數(shù)關(guān)于密度：關(guān)于密度：氣隙不長(zhǎng)時(shí)：氣隙不長(zhǎng)時(shí)

10、：2.9pT空氣相對(duì)密度：空氣相對(duì)密度：dK關(guān)于濕度：關(guān)于濕度：均勻電場(chǎng)均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)不均勻電場(chǎng)對(duì)海拔高度的校正對(duì)海拔高度的校正411.110appUK UUH2.42.4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 1.1.改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布e2.2.利用空間電荷改善電場(chǎng)分布細(xì)線效應(yīng)）利用空間電荷改善電場(chǎng)分布細(xì)線效應(yīng)）3.3.采用屏障采用屏障強(qiáng)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)減小強(qiáng)場(chǎng)區(qū)電場(chǎng)減小當(dāng)屏障與棒極之當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于間的距離約等于間隙的距離的間隙的距離的15%至至20%時(shí)，時(shí)，間隙的擊穿電壓間隙的擊穿電壓提高得最多可達(dá)提高得最多可達(dá)到無(wú)屏障時(shí)的到無(wú)屏障

11、時(shí)的2至至3倍倍4.4.采用高氣壓采用高氣壓氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了碰撞游離的過(guò)程。如高壓空氣斷自由行程，從而削弱了碰撞游離的過(guò)程。如高壓空氣斷路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等5.5.采用高強(qiáng)度氣體采用高強(qiáng)度氣體SF6SF6氣體屬?gòu)?qiáng)電負(fù)性氣體氣體屬?gòu)?qiáng)電負(fù)性氣體, ,容易吸附電子成為容易吸附電子成為負(fù)離子負(fù)離子, ,從而削弱了游離過(guò)程從而削弱了游離過(guò)程. .提高壓力后可提高壓力后可相當(dāng)于一般液體或固體絕緣的絕緣強(qiáng)度相當(dāng)于一般液體或固體絕緣的絕緣強(qiáng)度. .它是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒、不燃的它

12、是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無(wú)腐蝕作不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無(wú)腐蝕作用。它具有優(yōu)良的滅弧性能，其滅弧能力是用。它具有優(yōu)良的滅弧性能，其滅弧能力是空氣的空氣的100100倍，故極適用于高壓斷路器中倍，故極適用于高壓斷路器中6.6.采用真空采用真空 氣體間隙中壓力很低時(shí)，電子的平均自由行程已增大到極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度。如真空電容器、真空斷路器等真空電容器真空電容器真空斷路器真空斷路器2.5 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)備戶外式戶外式outdoorSF6氣體絕緣負(fù)荷開(kāi)關(guān)氣體絕緣負(fù)荷開(kāi)關(guān)SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)柜氣體

13、絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)柜 為什么使用為什么使用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)和氣體作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)？滅弧介質(zhì)？電氣強(qiáng)度好空氣的電氣強(qiáng)度好空氣的2.5倍）倍）滅弧性能佳空氣的滅弧性能佳空氣的100倍）倍）對(duì)電場(chǎng)的均勻程度更為敏感相對(duì)于空氣）對(duì)電場(chǎng)的均勻程度更為敏感相對(duì)于空氣）1.1.六氟化硫的絕緣性能六氟化硫的絕緣性能均勻電場(chǎng)中均勻電場(chǎng)中SF6SF6的擊穿的擊穿電負(fù)性氣體的有效碰撞電離系數(shù)：電負(fù)性氣體的有效碰撞電離系數(shù)：電子附著系數(shù)電子附著系數(shù)電負(fù)性氣體流注自持放電條件電負(fù)性氣體流注自持放電條件610.5()dKSF擊穿電壓擊穿電壓88.50.38()bUpdkVMpadmmp：氣壓，：極間距離，均勻電

14、場(chǎng)中均勻電場(chǎng)中SF6SF6的擊穿的擊穿稍不均勻電場(chǎng)中稍不均勻電場(chǎng)中SF6SF6的擊穿的擊穿擊穿場(chǎng)強(qiáng)不與氣壓成正比均勻電場(chǎng)中成擊穿場(chǎng)強(qiáng)不與氣壓成正比均勻電場(chǎng)中成正比）正比）極性對(duì)于氣隙擊穿電壓的影響與極不均勻極性對(duì)于氣隙擊穿電壓的影響與極不均勻電場(chǎng)中的情況相反負(fù)極性下的擊穿電壓電場(chǎng)中的情況相反負(fù)極性下的擊穿電壓低）低）極不均勻電場(chǎng)中極不均勻電場(chǎng)中SF6SF6的擊穿的擊穿沖擊電壓沖擊電壓工頻交流電壓峰值）工頻交流電壓峰值）()bUkV()p MPa0.10.2 0.30.4空間電空間電荷運(yùn)動(dòng)荷運(yùn)動(dòng)極不均勻電場(chǎng)中極不均勻電場(chǎng)中SF6SF6擊穿的異?，F(xiàn)象擊穿的異常現(xiàn)象“駝峰駝峰現(xiàn)象工頻曲線）現(xiàn)象工頻曲

15、線）“駝峰駝峰” 區(qū)段內(nèi)雷電沖擊擊穿電壓明顯低區(qū)段內(nèi)雷電沖擊擊穿電壓明顯低于靜態(tài)擊穿電壓沖擊系數(shù)低至于靜態(tài)擊穿電壓沖擊系數(shù)低至0.6）影響擊穿場(chǎng)強(qiáng)的其它因素影響擊穿場(chǎng)強(qiáng)的其它因素為什么氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低為什么氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)？于理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)？電極表面缺陷：電極表面缺陷：電極表面加工粗糙以粗糙度電極表面加工粗糙以粗糙度RaRa衡量）衡量）電極表面隨機(jī)缺陷與面積有關(guān)）電極表面隨機(jī)缺陷與面積有關(guān)）導(dǎo)電微粒：導(dǎo)電微粒：作用與電極作用與電極表面缺陷相似表面缺陷相似固定微粒和自由微粒固定微粒和自由微粒在極間跳動(dòng)在極間跳動(dòng)導(dǎo)致的危害更大導(dǎo)致的危害更大2.2.六氟化硫理

16、化特性方面六氟化硫理化特性方面的若干問(wèn)題的若干問(wèn)題為什么為什么SF6氣體是唯一在工程上得到廣泛氣體是唯一在工程上得到廣泛應(yīng)用的強(qiáng)電負(fù)性氣體？應(yīng)用的強(qiáng)電負(fù)性氣體？高電氣強(qiáng)度高電氣強(qiáng)度+良好的理化性能良好的理化性能液化問(wèn)題液化溫度較低，一般不存在液化液化問(wèn)題液化溫度較低，一般不存在液化問(wèn)題）問(wèn)題）毒性分解物且具有一定的腐蝕性，通常毒性分解物且具有一定的腐蝕性，通常采用吸附劑活性氧化鋁與分子篩吸附采用吸附劑活性氧化鋁與分子篩吸附）含水量危害極大）含水量危害極大）3. SF63. SF6混合氣體混合氣體純純SF6SF6氣體的缺點(diǎn)氣體的缺點(diǎn)：價(jià)格較高，液化溫度不夠低，對(duì)電場(chǎng)不均勻度價(jià)格較高，液化溫度不夠低，對(duì)電場(chǎng)不均勻度太敏感太敏感催生了催生了SF6SF6混合氣體的混合氣體的出現(xiàn)，目前工業(yè)上獲得出現(xiàn)，目前工業(yè)上獲得應(yīng)用的是應(yīng)用的是SF6-N2SF6-N2混合氣混合氣體體RES1.01.0N2- SF6混合氣體中混合氣體中SF6氣體的含氣體的含量量4. 4. 氣體絕緣電氣設(shè)備氣體絕緣電氣設(shè)備封閉