第二章：氣體介質(zhì)的電氣強度ppt課件

1、第二章第二章氣體介質(zhì)的電氣強度氣體介質(zhì)的電氣強度為什么要研究氣體介質(zhì)的電氣強度？為什么要研究氣體介質(zhì)的電氣強度？氣體介質(zhì)的電氣強度與哪些因素有關(guān)？氣體介質(zhì)的電氣強度與哪些因素有關(guān)？1.1.氣隙的電氣強度與電場形式有關(guān)氣隙的電氣強度與電場形式有關(guān)相對于均勻電場和稍不均勻電場，極不均勻電相對于均勻電場和稍不均勻電場，極不均勻電場更容易被擊穿。場更容易被擊穿。2.2.氣隙的電氣強度與所加電壓的類型有關(guān)氣隙的電氣強度與所加電壓的類型有關(guān)工頻交流電壓工頻交流電壓直流電壓直流電壓雷電過電壓雷電過電壓操作過電壓操作過電壓0%50UU沖擊系數(shù)d2.2.均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性均勻和稍不均勻電場氣隙的擊

2、穿特性1.1.均勻電場氣隙的擊穿特性均勻電場氣隙的擊穿特性Ub：擊穿電壓：擊穿電壓Eb：平均擊穿場強：平均擊穿場強UbEbUbEb擊穿電壓的經(jīng)驗公式：擊穿電壓的經(jīng)驗公式：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密度對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強的經(jīng)驗公式：擊穿場強的經(jīng)驗公式：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)，擊穿場強約為，擊穿場強約為3030kV cm1.1.稍不均勻電場氣隙的擊穿特性稍不

3、均勻電場氣隙的擊穿特性工程上常見的兩類稍不均勻電場：工程上常見的兩類稍不均勻電場：球間隙球間隙同軸圓桶同軸圓桶球間隙球隙測壓器）球間隙球隙測壓器）UbdD25D50D75注：由此圖可以注：由此圖可以看出，在看出，在dD/4dD/4時，球間隙的電時，球間隙的電場形式類似與均場形式類似與均勻電場勻電場同軸圓桶標準電容器或分相封閉母線桶）同軸圓桶標準電容器或分相封閉母線桶）注：當內(nèi)桶半徑注：當內(nèi)桶半徑比較小時，氣隙比較小時，氣隙電場為極不均勻電場為極不均勻電場。電場。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極不均勻電場不均勻電場不均勻電場2.22.2極不均勻

4、電場氣隙的擊穿特性極不均勻電場氣隙的擊穿特性典型的極不均勻電場典型的極不均勻電場棒棒氣隙棒棒氣隙棒板氣隙棒板氣隙具有完全的對稱性具有完全的對稱性具有最大的對稱性具有最大的對稱性注：工程實際中的不注：工程實際中的不均勻電場的擊穿特性均勻電場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）棒板氣隙負） 極間距離較短時的氣隙擊穿特性極間距離較短時的氣隙擊穿特性 about about 20kV/cm20kV/cmabout7.5kV/cm10cm棒板氣隙正）棒板氣隙正）棒板氣隙負）棒板氣隙負）dUb 極間距離較長時的氣隙擊穿

5、特性極間距離較長時的氣隙擊穿特性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 極間距離較短時的氣隙擊穿特性極間距離較短時的氣隙擊穿特性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，其標準壓分散性一般不大，其標準差不會超過差不會超過2 23 3。棒棒氣隙棒棒氣隙棒板氣隙棒板氣隙dUb 極間距離較長時的氣隙擊穿特

6、性極間距離較長時的氣隙擊穿特性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）棒棒氣隙負）棒棒氣隙正）棒棒氣隙正）棒板氣隙正）棒板氣隙正）d 極間距離較短時的氣隙擊穿特性極間距離較短時的氣隙擊穿特性棒板氣隙負）棒板氣隙負）U50（kV）棒棒氣隙負）棒棒氣隙負） 極間距離較長時的氣隙擊穿特性極間距離較長時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）棒板氣隙負）6m注：在雷擊過電壓的沖擊下，擊穿電注：在雷擊過電壓的沖擊下，擊穿電壓的分散性比較大其標準差可達壓的分散性比較大其標準差可達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頁表頁表21的經(jīng)驗公式求取。的經(jīng)驗公式求取。4.4.操作過電壓操作過電壓Before 1960操作過電壓操作過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.操作過電壓操作過電壓1.1.操作沖擊電壓的波形對氣隙的電氣強度有操作沖擊電壓的波形對氣隙的電氣強度有很大的影響很大的影響Tcr波前時間）波前時間）U50（kV）？U50min2.2.在某些波前時間內(nèi)，操作沖擊電壓的擊穿在某些波前時間內(nèi)，操作

8、沖擊電壓的擊穿電壓甚至遠低于工頻擊穿電壓。（圖電壓甚至遠低于工頻擊穿電壓。（圖2 21111）U50min可以利用以下經(jīng)驗公式求得：可以利用以下經(jīng)驗公式求得：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)驗公式可以看出，在氣隙距離為利用上面的經(jīng)驗公式可以看出，在氣隙距離為10m10m時，時，平均擊穿場強為平均擊穿場強為2kV/cm2kV/cm，而當氣隙距離增大到，而當氣隙距離增大到20m20m時，時，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準差可達比較大其標準差可達58。也就是說它的。也就是說它的伏秒特性帶比較寬。伏秒特性帶比較寬。2.32.3大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響 GBGB規(guī)定的標準大氣條件為：規(guī)定的標準大氣條件為：0101.3pkPa00020293tCorTK311 /chg m標準大氣條件下標準大氣條件下的氣隙擊穿電壓的氣隙擊穿電壓dohKUUK實際試驗條件下實際試驗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：氣隙不長時：氣隙不長時

10、：2.9pT空氣相對密度：空氣相對密度：dK關(guān)于濕度：關(guān)于濕度：均勻電場均勻電場不均勻電場不均勻電場對海拔高度的校正對海拔高度的校正411.110appUK UUH2.42.4提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法 1.1.改進電極形狀以改善電場分布改進電極形狀以改善電場分布e2.2.利用空間電荷改善電場分布細線效應(yīng)）利用空間電荷改善電場分布細線效應(yīng)）3.3.采用屏障采用屏障強場區(qū)電場減小強場區(qū)電場減小當屏障與棒極之當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，時，間隙的擊穿電壓間隙的擊穿電壓提高得最多可達提高得最多可達到無屏障時的到無屏障

11、時的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程。如高壓空氣斷自由行程，從而削弱了碰撞游離的過程。如高壓空氣斷路器和高壓標準電容器等路器和高壓標準電容器等5.5.采用高強度氣體采用高強度氣體SF6SF6氣體屬強電負性氣體氣體屬強電負性氣體, ,容易吸附電子成為容易吸附電子成為負離子負離子, ,從而削弱了游離過程從而削弱了游離過程. .提高壓力后可提高壓力后可相當于一般液體或固體絕緣的絕緣強度相當于一般液體或固體絕緣的絕緣強度. .它是一種無色、無味、無臭、無毒、不燃的它

12、是一種無色、無味、無臭、無毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無腐蝕作不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無腐蝕作用。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，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氣體絕緣負荷開關(guān)氣體絕緣負荷開關(guān)SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜氣體

13、絕緣金屬封閉開關(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)？電氣強度好空氣的電氣強度好空氣的2.5倍）倍）滅弧性能佳空氣的滅弧性能佳空氣的100倍）倍）對電場的均勻程度更為敏感相對于空氣）對電場的均勻程度更為敏感相對于空氣）1.1.六氟化硫的絕緣性能六氟化硫的絕緣性能均勻電場中均勻電場中SF6SF6的擊穿的擊穿電負性氣體的有效碰撞電離系數(shù)：電負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)電負性氣體流注自持放電條件電負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、場中均勻電場中SF6SF6的擊穿的擊穿稍不均勻電場中稍不均勻電場中SF6SF6的擊穿的擊穿擊穿場強不與氣壓成正比均勻電場中成擊穿場強不與氣壓成正比均勻電場中成正比）正比）極性對于氣隙擊穿電壓的影響與極不均勻極性對于氣隙擊穿電壓的影響與極不均勻電場中的情況相反負極性下的擊穿電壓電場中的情況相反負極性下的擊穿電壓低）低）極不均勻電場中極不均勻電場中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空間電空間電荷運動荷運動極不均勻電場中極不均勻電場中SF6SF6擊穿的異?，F(xiàn)象擊穿的異?，F(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）影響擊穿場強的其它因素影響擊穿場強的其它因素為什么氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計場強遠低為什么氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計場強遠低于理論擊穿場強？于理論擊穿場強？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）電極表面隨機缺陷與面積有關(guān)）電極表面隨機缺陷與面積有關(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在極間跳動導(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題的若干問題為什么為什么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)用的強電負性氣體？應(yīng)用的強電負性氣體？高電氣強度高電氣強度+良好的理化性能良好的理化性能液化問題液化溫度較低，一般不存在液化液化問題液化溫度較低，一般不存在液化問題）問題）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氣體的缺點氣體的缺點：價格較高，液化溫度不夠低，對電場不均勻度價格較高，液化溫度不夠低，對電場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