提高氣體間隙擊穿電壓的措施（課堂PPT）

1、1NoImageNoImage三、采用屏障 由于氣隙中的電場(chǎng)分布和氣體放電的發(fā)展過(guò)程都與帶電粒子在氣隙空間的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和分布密切有關(guān)，所以在氣隙中放置形狀和位置合適、能阻礙帶電粒子運(yùn)動(dòng)和調(diào)整空間電荷分布的屏障，也是提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的一種有效方法。2NoImageNoImage 屏障的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號(hào)的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場(chǎng)強(qiáng)度減小，從而使整個(gè)氣隙的電場(chǎng)分布均勻化。 屏障用絕緣材料制成，但它本身的絕緣性能無(wú)關(guān)緊要，重要的是它的密封性(攔住帶電粒子的能力)。它一般安裝在電暈間隙中，其表面與電力線垂直。3NoImageNoImage 如圖，雖然這時(shí)屏障

2、與另一電極之間的空間電場(chǎng)強(qiáng)度反而增大了，但其電場(chǎng)形狀變得更象兩塊平板電極之間的均勻電場(chǎng)，所以整個(gè)氣隙的電氣強(qiáng)度得到了提高。4NoImageNoImage 有屏障氣隙的擊穿電壓與該屏障的安裝位置有很大的關(guān)系。以 “棒一板”氣隙為例，最有利的屏障位置在x=(1/51/6)d處，這時(shí)該氣隙的電氣強(qiáng)度在正極性直流時(shí)約可增加為23倍。5NoImageNoImage 但當(dāng)棒為負(fù)極性時(shí)，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高氣隙的擊穿電壓(例如20)，而在大多數(shù)位置上，反而使擊穿電壓有不同程度的降低。6NoImageNoImage 在沖擊電壓下，屏障的作用要小一些，因?yàn)檫@時(shí)積聚在屏障上的空間電荷較少。 顯

3、然，屏障在均勻或稍不均勻電場(chǎng)的場(chǎng)合就難以發(fā)揮作用了。7NoImageNoImage（三）影響擊穿場(chǎng)強(qiáng)的其它因素 氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)值遠(yuǎn)低于理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這是因?yàn)橛性S多影響因素會(huì)使它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。此處僅介紹其中兩種主要影響因素，即電電極表面缺陷極表面缺陷和導(dǎo)電微粒導(dǎo)電微粒。1.電極表面缺陷 圖219表示電極表面粗糙度Ra對(duì)SF6，氣體電氣強(qiáng)度Eb的影響。8NoImageNoImage 可以看出：GIS的工作氣壓越高，則Ra對(duì)Eb的影響越大，因而對(duì)電極表面加工的技術(shù)要求也越高。 電極表面粗糙度大時(shí)，表面突起處的局部電場(chǎng)強(qiáng)度要比氣隙的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大得多，因而可在宏觀上平均場(chǎng)強(qiáng)尚未達(dá)到臨界值

4、時(shí)就誘發(fā)擊穿。9NoImageNoImage 除了表面粗糙度外，電極表面還會(huì)有其它零星的隨機(jī)缺陷，電極表面積越大，這類缺陷出現(xiàn)的概率也越大。所以電極表面積越大，SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)越低，這一現(xiàn)象被稱為“面積效應(yīng)面積效應(yīng)”。2.導(dǎo)電微粒 設(shè)備中的導(dǎo)電微粒有兩大類，即固定微粒和自由微粒，前者的作用與電極表面缺陷相似，而后者因會(huì)在極間跳動(dòng)而對(duì)SF6氣體的絕緣性能產(chǎn)生更大的不利影響。10NoImageNoImage吸附分解物和吸附水分常用的吸附劑有： 活性氧化鋁和分子篩 通常對(duì)于不存在電弧和火花的場(chǎng)合，吸附劑的放置量不小于SF6氣體重量的10%，約隔五年更換一次；對(duì)于存在電弧和火花的場(chǎng)合，吸附劑的放置

5、量和更換周期應(yīng)按電弧強(qiáng)度和頻度等因素決定。113、含水量水分是SF6氣體中危害最大的雜質(zhì)，因?yàn)椋?水分會(huì)影響氣體的分解物 與HF形成氫氟酸，引起材料的腐蝕與導(dǎo)致機(jī)械故障 低溫時(shí)引起固體介質(zhì)表面凝露，使閃絡(luò)電壓急劇降低12NoImageNoImage控制氣體含水量的措施： 避免在高濕度氣體條件下進(jìn)行裝配工作； 安裝前所有部件都要經(jīng)過(guò)干燥處理； 保證良好的密封，否則會(huì)使設(shè)備內(nèi)的SF6氣體泄漏到大氣中去，而大氣中的水氣也會(huì)滲入設(shè)備內(nèi)。13NoImageNoImage五、六氟化硫混合氣體SF6氣體價(jià)格較高 液化溫度不夠低 對(duì)電氣不均勻度太敏感 目前國(guó)內(nèi)外都在研究SF6混合氣體，以期在某些場(chǎng)合用SF6混

6、合氣體來(lái)代替SF6氣體 目前已獲工業(yè)應(yīng)用的是SF6-N2混合氣體，主要用作高寒地區(qū)斷路器的絕緣媒質(zhì)和滅弧材料，采用的混合比通常為50%：50%或60%：40%。14NoImageNoImage六、氣體絕緣電氣設(shè)備（一）封閉式氣體絕緣組合電器（GIS） GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、互感器、避雷器、母線、連線和出線終端等部件組合而成，全部封閉在SF6金屬外殼中。 與傳統(tǒng)的敞開式配電裝置相比，GIS具有下列突出優(yōu)點(diǎn)：15第六章 輸電線路防雷 輸電線路是電力系統(tǒng)的動(dòng)脈。由于線路很長(zhǎng)，地處曠野、容易遭受雷擊。因此電力系統(tǒng)的雷害事故多發(fā)生在線路上。內(nèi)容提要：1、輸電線路雷害的方式有那些？2、輸電線

7、路中感應(yīng)雷過(guò)電壓是怎樣形成的？3、輸電線路的耐雷水平有多高？4、線路的雷擊跳閘率是多少？5、輸電線路的防雷措施有哪些？16線路落雷后如果發(fā)生閃絡(luò)并形成短路，斷路器要跳閘形成入侵波入侵變電所引 言：17 輸電線路中雷害的方式有兩種：一種是雷擊于線路引起的直擊雷過(guò)電壓；另一種是由于電磁感應(yīng)引起的感應(yīng)雷過(guò)電壓。雷直擊線路繞 擊雷擊桿塔塔頂雷擊線路檔距中間感 應(yīng) 雷雷擊大地形成的雷擊桿塔形成的18 輸電線路防雷性能的好壞用耐雷水平和雷擊跳閘率來(lái)描述。耐雷水平是指雷擊線路時(shí)，線路絕緣不發(fā)生沖擊閃絡(luò)所能承受的最大雷電流幅值；雷擊跳閘率是指每100km長(zhǎng)的線路每年由于雷擊引起的跳閘次數(shù)。196.4 輸電線防

8、雷措施 1、架設(shè)避雷線；2、降低接地電阻；3、架設(shè)耦合地線；4、采用不平衡絕緣；5、裝設(shè)自動(dòng)重合閘；6、采用消弧線圈接地方式；7、裝設(shè)管型避雷器；8、加強(qiáng)絕緣。我國(guó)線路防雷現(xiàn)狀及技術(shù)綜述20一、電力系統(tǒng)的電壓等級(jí)是如何劃分的、依據(jù)是什么？電暈電暈電能污染電能污染資料1kV0.4kV0.22kV36V高壓低壓普通高壓1250kV（HV）超高壓2501000kV(EHV)特高壓1000kV及以上(UHV)電壓等級(jí)劃分的級(jí)差為23倍。21二、為什么采用高電壓？ 電力系統(tǒng)輸送的電能P正比于電壓的平方（U2 ），反比于系統(tǒng)阻抗Z，而系統(tǒng)阻抗Z正比于線路長(zhǎng)度L ，所以P正比于U2，反比于L。 ZUP2 所

9、以采用高電壓是大功率遠(yuǎn)距離輸電大功率遠(yuǎn)距離輸電的要求，要實(shí)現(xiàn)大功率遠(yuǎn)距離輸電唯一可行的措施就是采用高電壓。作為二次能源，輸送電能要較輸送一次能源經(jīng)濟(jì)、快捷、安全、方便、清潔。226倍多6倍輸電電壓等級(jí)與輸送自然功率以220kV 輸送自然功率132MW為基準(zhǔn)輸送電壓(kV)22033050076511001500輸送能力比較值12.236.5516.7439.24 75.3023例：用青殼紙和電纜紙作絕緣的10.5kV、10MW的發(fā)電機(jī)，改用粉云母紙作絕緣，其他條件不變時(shí)，發(fā)電機(jī)容量就提高到12.5MW，可見絕緣限制了設(shè)備的容量。2、絕緣限制了設(shè)備的壽命；3、絕緣限制了電力系統(tǒng)的投資。1、因?yàn)榻^

10、緣限制了設(shè)備的溫升、限制了溫升也就限制了設(shè)備的容量、體積和重量；高電壓下的絕緣問(wèn)題。因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)三大技術(shù)材料（導(dǎo)電材料、導(dǎo)磁材料和絕緣材料）中絕緣的影響力最大：三、要采用高電壓首先要解決的技術(shù)問(wèn)題是什么？24四、如何解決絕緣問(wèn)題？1、尋找和研制新型的絕緣材料；例：由于瓷吹避雷器使作用在被保護(hù)設(shè)備上的殘壓降低，使原設(shè)計(jì)額定電壓為400 kV的輸變電系統(tǒng)升壓為500 kV的系統(tǒng)。而絕緣被破壞的最主要原因就是電力系統(tǒng)過(guò)電壓。2、限制作用在絕緣上的過(guò)電壓。25五、高電壓技術(shù)課程講授的兩個(gè)問(wèn)題： 絕緣問(wèn)題和過(guò)電壓?jiǎn)栴}是本課程的兩大內(nèi)容。 26一、補(bǔ)充的基本概念1、放電：在電場(chǎng)的作用下由于游離使流過(guò)電介

11、質(zhì)電流增大的現(xiàn)象。2、擊穿：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下喪失其絕緣性能，形成溝通兩極的放電。3、擊穿電壓：使電介質(zhì)失去其絕緣性能所需要的最低、臨界、外加電壓。274、擊穿場(chǎng)強(qiáng)：在均勻電場(chǎng)中，使電介質(zhì)失去其絕緣性能所需要的最低、臨界、外加電場(chǎng)強(qiáng)度。5、絕緣強(qiáng)度：電介質(zhì)不失去其絕緣性能所能承受的最高、臨界、外加電場(chǎng)強(qiáng)度。6、絕緣水平：電氣設(shè)備出廠時(shí)保證承受的試驗(yàn)電壓。28三、伏安特性曲線 伏安特性曲線：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，流過(guò)電介質(zhì)的電流與外加電壓的關(guān)系曲線。29BUUAAI0UBUCCOA段：電流隨著電壓的升高而增大，但此時(shí)電流很小，飽和電流密度為10-19A/cm2的數(shù)量級(jí)。電阻率達(dá)1022m，空氣處于

12、良好的絕緣狀態(tài)，流過(guò)間隙的電流為泄漏電流。B 點(diǎn)以后：電流為微安級(jí)。C點(diǎn)以后：流過(guò)間隙的電流急劇加大，由于回路中串聯(lián)了保護(hù)電阻，此時(shí)放電管兩端的電壓略有下降。2、伏安特性曲線30四、湯遜理論 20世紀(jì)初，湯遜從均勻電場(chǎng)、低氣壓（低于26.66kpacm）短間隙氣隙的氣體放電實(shí)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)出較系統(tǒng)的氣體放電理論。湯遜理論的實(shí)質(zhì)是電子崩理論。湯遜理論31六、湯遜理論的適用范圍 湯遜理論適用于低氣壓、短間隙、均勻電場(chǎng)。間隙的劃分：2cm以下的為短間隙、2100cm為一般間隙、100cm及以上的為長(zhǎng)間隙。 湯遜理論解釋不了一般間隙、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣隙的放電： 1、按湯遜理論計(jì)算的擊穿電壓比實(shí)際值高； 2

13、、按湯遜理論計(jì)算的擊穿所需時(shí)間比實(shí)際值長(zhǎng)； 3、一般間隙的擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)； 4、放電形狀不同32 （二）、極性效應(yīng) 1、 極性效應(yīng)：不對(duì)稱極不均勻電場(chǎng)中曲率半徑小的電極所帶電荷極性對(duì)擊穿電壓的影響。引出：同一個(gè)針對(duì)板的不對(duì)稱極不均勻電場(chǎng)，極間距離為4cm，當(dāng)針極為正時(shí)，擊穿電壓是35kV；當(dāng)針極為負(fù)時(shí)，擊穿電壓是80kV；而針對(duì)針的對(duì)稱極不均勻電場(chǎng)，極間距離是4cm 時(shí)，擊穿電壓為45 kV。為什么會(huì)有這么大的區(qū)別？2、分析：（針極為正、板極為負(fù)）針極附近產(chǎn)生的電暈，帶電粒子定向運(yùn)動(dòng)，正離子向板極運(yùn)動(dòng)，由于速度慢，就在針極附近形成電荷積累區(qū)，使未游離區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，而導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?/p>

14、。33試驗(yàn)數(shù)據(jù)1、均勻電場(chǎng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30kV/cm，極不均勻電場(chǎng)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為5 kV/cm。隨著間隙距離的增大，擊穿電壓隨著增大，但擊穿場(chǎng)強(qiáng)是隨著降低的，因?yàn)閾舸╇妷旱脑黾铀俣葲](méi)有距離增加的速度快。2、在極不均勻電場(chǎng)的情況下，不管棒-板間隙或是不同直徑的球-板間隙，擊穿電壓和距離的關(guān)系曲線都比較接近。就是說(shuō)，在極不均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓主要決定于間隙距離，而與電極形狀的關(guān)系不大。因此在工程實(shí)踐中常用棒-板或棒-棒這兩種類型間隙的擊穿特性曲線作為選擇絕緣距離的參考。3、在工頻電壓作用下，棒-板間隙的擊穿總是發(fā)生在棒的極性為正、電壓達(dá)幅值時(shí)，并且其擊穿電壓（幅值）和直流電壓下的正棒-負(fù)板的擊穿

15、電壓相近。棒-棒間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.8kV（有效值）/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒-板間隙稍低一些，約為3.35kV（有效值）/cm或4.8kV（幅值）/cm。34 以330kV線路用19片絕緣子為例：相電壓為209.5kV,如果每片絕緣子分擔(dān)的電壓相等,則每片絕緣子分擔(dān)的電壓約為11kV。盤式絕緣子的起暈電壓為2225kV，按理說(shuō)330kV線路絕緣子上不應(yīng)該發(fā)生電暈，但事實(shí)上，330kV線路在正常設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)就有電暈，為什么？35五、絕緣子串上的電位分布 其原因是絕緣子上的電位分布是不均勻的，第一片絕緣子上分擔(dān)的電壓為11.5%相電壓，即24.1kV,已經(jīng)超過(guò)起暈電壓。為什么電壓

16、分布是不均勻的呢？36五、絕緣子串上的電位分布 電容：任意兩點(diǎn)之間有電位差、又存在中間介質(zhì)的話就可以等效出電容。 通常絕緣子的等效電容為5070pF，絕緣子與鐵塔之間的等效電容為4-5pF，37五、絕緣子串上的電位分布 由于導(dǎo)線與絕緣子鐵腳之間也存在電位差，同樣存在著雜散電容，此電容一般為0.5-1 pF.38七、絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電七、絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電（污閃）（污閃）環(huán)境應(yīng)力：雨、露、雪、霧、風(fēng)等氣候條件和工業(yè)粉塵、廢氣、自然鹽堿、灰塵、鳥糞等污穢物的污染。閃絡(luò)形成：毛毛雨、霧、露等不利天氣時(shí)，污層將被水分濕潤(rùn)，電導(dǎo)增大，工作電壓下泄漏電流增大。絕緣子表面上不斷延伸發(fā)展局部電

17、?。ǚQ為爬電），一旦達(dá)到某一臨界長(zhǎng)度時(shí)，自動(dòng)貫穿兩極，形成沿面閃絡(luò)。污閃可分為積污、受潮、干區(qū)形成、局部電弧的出現(xiàn)和發(fā)展。39積污地點(diǎn)積污地點(diǎn)：城市：城市 農(nóng)村；化工廠、火電農(nóng)村；化工廠、火電廠、冶煉廠等重污染地區(qū)廠、冶煉廠等重污染地區(qū)污層受潮條件：多霧；常下毛毛雨；易凝露地區(qū)；長(zhǎng)期干旱。污閃事故后果大于雷擊事故后果：因?yàn)槔讚魞H發(fā)生在一點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘，停電短，影響小。 污閃一般為一片地區(qū)，難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘，停電長(zhǎng)，影響大。40污閃事故的對(duì)策污閃事故的對(duì)策(一)調(diào)整爬距（增大泄漏比距） 爬電比距指外絕緣“相-地”之間的爬電距離與系統(tǒng)最高工作（線）電壓之比。 (二)定期或不定期的清掃：帶電水

18、沖洗。(三)涂料：常用有機(jī)硅油、有機(jī)硅脂、地蠟等，涂后效果好，但價(jià)格貴，壽命短；近年采用的室溫硫化硅橡膠涂料，憎水性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。 (四)半導(dǎo)體釉絕緣子 (五)新型合成絕緣子41 有機(jī)硅橡膠合成絕緣子的防污性能比普通絕緣子要好得多，它是由承受外力負(fù)荷的芯棒（內(nèi)絕緣）和保護(hù)芯棒免受大氣環(huán)境侵襲的傘套（外絕緣）以及金屬連接附件組成復(fù)合結(jié)構(gòu)絕緣子。玻璃鋼芯棒是用玻璃纖維束經(jīng)樹脂浸漬后通過(guò)引拔模加熱固化而成，具有極高的抗張強(qiáng)度。至目前為止，硅橡膠仍是最理想的傘套材料，它的電氣強(qiáng)度高、憎水性強(qiáng)、耐污性能好，在不同溫度下性質(zhì)穩(wěn)定。 新型復(fù)合絕緣子具有一系列瓷質(zhì)絕緣子無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：首先它的防污閃性能優(yōu)良，運(yùn)

19、行中不需要清掃，其次重量輕、體積小、抗拉強(qiáng)度高、抗彎強(qiáng)度高、制造工藝簡(jiǎn)單。42項(xiàng)目湯遜理論流注理論放電開始條件外界游離因素作用，使陰極表面釋放出起始電子同左間隙中導(dǎo)電質(zhì)點(diǎn)的增長(zhǎng)按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，形成電子崩經(jīng)過(guò)三次增長(zhǎng)階段：電子崩、流注、主放電自持放電條件電子崩中的正離子運(yùn)動(dòng)到陰極，使陰極發(fā)出有效電子數(shù)與外界游離因素作用使陰極表面放出的起始電子數(shù)相等主電子崩崩頭發(fā)射出足夠的光子，出現(xiàn)光游離，形成電子崩，子崩注入主崩形成流注放電通道外形面狀，圓面直徑隨放電電流值的增長(zhǎng)而增大 帶分枝的曲折細(xì)線形通道顏色一般呈淡紅色、光亮較弱紫白色（電流很小時(shí)呈橘紅色）光亮較強(qiáng)湯遜理論與流注理論的異同43 在1米以上的

20、長(zhǎng)間隙中，流注放電的間歇式發(fā)展，要用熱游離提供的更多帶電粒子形成等離子區(qū)的先導(dǎo)放電去解釋。 短、一般、長(zhǎng)間隙中的氣體放電的過(guò)程： 短間隙：電子崩 一般間隙：電子崩流注主放電 長(zhǎng)間隙：電子崩流注先導(dǎo)主放電 氣體間隙的放電，取決于碰撞游離數(shù)的多少，碰撞游離數(shù)等于碰撞次數(shù)與游離率的乘積。碰撞次數(shù)取決于氣體分子數(shù)的多少，因氣壓和溫度的改變要改變氣體的密度，故其影響氣體間隙的擊穿電壓。在不均勻電場(chǎng)中放電是逐段向前發(fā)展的，空氣濕度加大，水分子易俘獲電子，減少了碰撞游離因子，故其擊穿電壓提高。 分子的分子結(jié)構(gòu)不同，其游離能大小不同；分子的直徑加大，使電子的自由行程減小，其碰撞次數(shù)雖增加但累積的動(dòng)能減小，使碰撞游離概率減小得更多，故其放電電壓提高。44 均勻電場(chǎng)中，各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度相等，電場(chǎng)強(qiáng)度低于氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)不存在電暈放電，能充分發(fā)揮間隙中全部氣體的絕緣性能，故其放電電壓最高。 不均勻電場(chǎng)，以其不對(duì)稱、極不均勻電場(chǎng)的棒板電場(chǎng)和對(duì)稱的極不均勻電場(chǎng)的棒棒電極電場(chǎng)為例。棒端電場(chǎng)強(qiáng)度最高，間隙中大部分的電場(chǎng)強(qiáng)度雖低于氣體的絕緣強(qiáng)度，但最高電場(chǎng)強(qiáng)度若超過(guò)了氣體的絕緣強(qiáng)度，則發(fā)生電暈放電。棒極帶正電荷時(shí)，空間正電荷會(huì)增加未游離區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)，使游離易于發(fā)展，故其擊穿電壓最低。而棒帶負(fù)電荷時(shí)，空間正電荷使未游離區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)降低，阻礙游離發(fā)展，其擊穿電壓就高得多。故不對(duì)稱電場(chǎng)具有極性效應(yīng)。45 由于點(diǎn)