高電壓技術(shù)3,4

1、3 氣隙的電氣強(qiáng)度氣隙的電氣強(qiáng)度第一節(jié) 氣隙的擊穿時間第二節(jié) 氣隙的伏秒特性和擊穿電壓的概率分布第三節(jié) 大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響第四節(jié) 較均勻/不均勻電場氣隙的擊穿電壓第五節(jié) 提高氣隙擊穿電壓的方法3.1氣隙的擊穿時間氣隙的擊穿時間靜態(tài)擊穿電壓靜態(tài)擊穿電壓U0長時間作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。 擊穿時間擊穿時間tb從開始加壓的瞬時起到氣隙完全擊穿為止總的時間稱為擊穿時間。fsbtttt0(1)升壓時間t。電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U0所需的時間。(2)統(tǒng)計(jì)時延ts從電壓達(dá)到U0的瞬時起到氣隙中形成第一個有效電子為止的時間。(3)放電發(fā)展時間tf從形成第一個有效電子的瞬時起到氣隙完全被

2、擊穿為止的時間。(4) t1=ts+tf t1放電時延3.2氣隙的伏秒特性氣隙的伏秒特性一.電壓波形1.直流電壓 直流試驗(yàn)電壓大都由交流整流而得，其波形必然有一定的脈動，通常所稱的電壓值是指平均值。直流電壓的脈動幅值脈動幅值是最大值與最小值之差的半。紋波系數(shù)紋波系數(shù)為脈動幅值與平均值之比。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定被試品上直流試驗(yàn)電壓的紋波系數(shù)應(yīng)不大于3。2.工頻交流電壓 工頻交流試驗(yàn)電壓應(yīng)近似為正弦波，正負(fù)兩半波相同，其峰值與有效值之比應(yīng)在 以內(nèi)。頻率一般在 4565Hz范圍內(nèi)。07. 02 3.雷電沖擊電壓為了模擬雷電電壓而制定的標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊全波：非周期的雙指數(shù)波 1.2/50us參數(shù)：視在波前時間

3、視在半峰值時間 峰值允許誤差%302 . 11sT%20502sT%3截波：模擬雷電沖擊波被某處放電而截?cái)嗟牟ㄐ螀?shù)：視在波前時間 截?cái)鄷r間 截波峰值Uc；截?cái)鄷r間Uj %302 . 11sTsTc524.操作沖擊電壓：模擬電力系統(tǒng)中的操作過電壓波 250/2500us參數(shù)：波前時間 半峰值時間 峰值允差 %20250sTp%6025002sT%3二、伏秒特性 1.概念氣隙的伏秒特性氣隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的沖擊電壓作用下，氣隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系，稱為該氣隙的伏秒特性。伏秒特性曲線伏秒特性曲線表示該氣隙伏秒特性的曲線，稱為伏秒特性曲線。50%沖擊擊穿電壓沖擊擊穿電壓

4、（U50% )指某氣隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。沖擊系數(shù)沖擊系數(shù)U50% 與 靜態(tài)擊穿電壓Us 之比稱為沖擊系數(shù) 。均勻和稍不均勻電場下沖擊擊穿電壓的分散性很小， 沖擊系數(shù) 1。極不均勻電場中由于放電時延較長，沖擊系數(shù) 均大于1。2.伏秒特性曲線的制作 保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級升高電壓保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級升高電壓，以電壓為縱坐標(biāo)，時間為橫坐標(biāo)， 電壓較低時，擊穿一般發(fā)生在波尾電壓較低時，擊穿一般發(fā)生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)； 電壓較高時，擊穿一般發(fā)生在波頭電壓較高時，擊穿一般發(fā)生在波頭，取擊穿時刻的電壓值及該時刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)； 把這些相

5、應(yīng)的點(diǎn)連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的“伏秒特性曲線”。 實(shí)際上伏秒特性伏秒特性具有統(tǒng)計(jì)分散性，是一個以上下包是一個以上下包線為界的帶狀區(qū)線為界的帶狀區(qū)域域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲線”來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性。3.應(yīng)用：在保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合上具有重要的意義。是防雷設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備的絕緣配合的依據(jù) 。舉例：如果一個電壓同時作用在兩個并聯(lián)的氣隙S1和S2上，其中一個氣隙先被擊穿了，則電壓被短接截?cái)?，另一個氣隙就不會再被擊穿了。這個原則如用于保護(hù)裝置和被保護(hù)設(shè)備，那就是前者保護(hù)了后備。設(shè)前者的伏秒特性以S2記之，后者的以S1記之，如圖3-2-6情況。三

6、.氣隙擊穿電壓的概率分布 不論是在何種電壓作用下，氣隙的擊穿電壓都有一定的分散性，即“擊穿概率分布特性”。研究表明，氣隙擊穿的幾率分布接近正態(tài)分布，通?？梢杂肬50%和變異系數(shù)Z來表示。 用作絕緣的氣隙，人們所關(guān)心的不僅是其U50%擊穿電壓，更重要的是其耐受電壓耐受電壓即能確保耐受而不被擊穿的電壓。100%的耐受電壓是很難測的（要做無窮次的實(shí)驗(yàn)），工程實(shí)際中常用對應(yīng)于很高耐受幾率(例如99以上)的電壓作為耐受電壓。3.3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 一、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件一、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件 壓強(qiáng) P。=101.3KPa 溫度 濕度C00203011mgh 二、影響 1.氣隙

7、的擊穿電壓隨著大氣密度氣隙的擊穿電壓隨著大氣密度 或濕度的增加而升高或濕度的增加而升高。原因：大氣密度升高而擊穿電壓升高：隨著空氣密度的增大，氣體中自由 電子的平均自由程縮短了，不易造成撞擊電離。 濕度的增加而擊穿電壓升高：水蒸汽是電負(fù)性氣體，易俘獲自由電子形成負(fù)離子，使自由電子的數(shù)量減少，阻礙了電離的發(fā)展。TP9 .22.國標(biāo)GB/T16927.11997提出了大氣校正因數(shù)Kt， (1)(2)式中U0為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，外絕緣破壞性放電電壓值。 Kd為空氣密度校正因數(shù)。 Kh為空氣濕度校正因數(shù)。(關(guān)于Kd和Kh值的求取教材有詳細(xì)的說明)tKU放電hdtKKUKUU003.4電場在不同電壓下的擊

8、穿電壓電場在不同電壓下的擊穿電壓一、較均勻電場氣隙的擊穿電壓1. 在均勻電場中，電場是對稱的，故擊穿電壓與電壓極性無關(guān)，由于間隙各處的場強(qiáng)大致相等，不可能出現(xiàn)持續(xù)的局部放電，故起始放電電壓就等于氣隙的擊穿電壓。不同電壓波形作用下，擊穿電壓實(shí)際上相同，且分散性很小，對于空氣，可以用以下的經(jīng)驗(yàn)公式表示： KV（peak）式中 空氣的相對密度 S 氣隙的距離，cmSSUb53. 64 .242.稍不均勻電場稍不均勻電場的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，常遇到的較典型的電場結(jié)構(gòu)形式有；球球、球板、圓柱板、兩同軸圓筒、兩平行圓柱、兩垂直圓柱等。對這些較簡單的、有規(guī)則的、較典型的電場，有相應(yīng)的計(jì)算擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式或

9、曲線，可參閱有關(guān)的手冊和資料。3.影響稍不均勻電場間隙擊穿電壓的因素： 電場結(jié)構(gòu)、大氣條件、還有鄰近效應(yīng)和照射效應(yīng)。二、不均勻電場氣隙的擊穿電壓 不均勻電場的特征：各處場強(qiáng)差別很大，在所加電壓小于整個間隙擊穿電壓時，可能出現(xiàn)局部的持續(xù)的放電。由于持續(xù)的局部放電的存在，空間電荷的積累對擊穿電壓的影響很大，導(dǎo)致顯著的極性效應(yīng)。 對很不均勻電場，只要宏觀上保持原有的電場布局和氣隙最小距離不變，則電極的具體形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)的改變，對擊穿電壓的影響不大。 預(yù)先對幾種典型的電場的氣隙，如棒棒或線線、棒板或線板作出擊穿電壓和氣隙距離的關(guān)系曲線，在工程上遇到的各種不均勻電場，其擊穿電壓可以參照與接近的典型氣隙

10、的擊穿電壓來估計(jì)。(一)直流電壓作用下總結(jié)：負(fù)板正棒棒棒正板負(fù)棒UUU（二）工頻電壓作用下:表示中等距離空氣間隙的工頻擊穿電壓曲線圖3-5-2 棒-棒和棒-板空氣間隙的 工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系擊穿總是發(fā)擊穿總是發(fā)生在棒極為生在棒極為正半波時。正半波時。結(jié)論結(jié)論:氣隙較大時（氣隙較大時（S大于大于2.5m），擊穿電壓與距離關(guān)系出現(xiàn)了明顯），擊穿電壓與距離關(guān)系出現(xiàn)了明顯的飽和趨向，特別是棒的飽和趨向，特別是棒板氣隙，其飽和趨向更明顯。板氣隙，其飽和趨向更明顯。（三）雷電沖擊電壓作用下實(shí)驗(yàn)表明，導(dǎo)線平板氣隙的U50%與棒板氣隙的十分接近（不論正/負(fù)極性），在缺乏線板擊穿電壓的具體數(shù)據(jù)的時候，可

11、以用棒板的擊穿數(shù)據(jù)來估計(jì)。(圖3-5-4)另外，棒棒和棒板的擊穿電壓曲線是各種不均勻電場氣隙擊穿電壓曲線的上下包絡(luò)線，這點(diǎn)對設(shè)計(jì)很有用。圖圖3-5-4 氣隙的沖擊擊穿電壓與距離的關(guān)系氣隙的沖擊擊穿電壓與距離的關(guān)系（四）操作沖擊電壓作用下1.波形的影響：一般均指“正極性”情況。圖3-5-8 不同性質(zhì)電壓作用下棒板氣隙 的擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系2.飽和現(xiàn)象：長氣隙在操作電壓作用下呈現(xiàn)顯著的“飽和現(xiàn)象”。圖圖3-5-9棒棒棒和棒棒和棒-板間隙的操作沖擊擊穿電壓板間隙的操作沖擊擊穿電壓3.分散性大 （五）疊加性電壓作用下 工程實(shí)際中，作用在氣隙上的電壓常常是由不同性質(zhì)電壓疊加的，而不是單一性質(zhì)的。注

12、意：同一氣隙對疊加性電壓的、耐受程度與對單一性電壓的耐受程度是不同的。當(dāng)工作電壓是穩(wěn)態(tài)直流時，兩者的差異更顯著。3.5提高氣隙擊穿電壓的方法提高氣隙擊穿電壓的方法一、改善電場分布改善電場分布 一般說來，電場分布越均勻，氣隙的擊穿電壓就越高。故如能適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)電極形狀增大電極的曲率半徑，改善電場分布，就能提高氣隙的擊穿電壓。 不僅要注意改善高壓電極的形狀以降低該電極旁邊的局部強(qiáng)場，還要注意改善接地電極和中間電極的形狀，以降低該電極旁邊的局部場強(qiáng)。常用辦法：增大電極的曲率半徑（簡稱屏蔽）。二、采用高度真空采用高度真空從氣體撞擊游離的理論可知，將氣隙抽成高度的真空能抑制撞擊游離的發(fā)展，提高氣隙的擊穿電

13、壓。注意：高真空中，擊穿機(jī)理發(fā)生了變化，撞擊電離的機(jī)制不起主要作用，而擊穿與強(qiáng)場發(fā)射有關(guān)。應(yīng)用：真空斷路器中用作絕緣和滅弧。三、增高氣壓增高氣壓增高氣體的壓力可以減小電子的平均自由行程，阻礙撞擊游離的發(fā)展從而提高氣隙的擊穿電壓。在一定的氣壓范圍內(nèi)，增高氣壓對提高氣隙的擊穿電壓是極為有效的。但是容器的密封比較困難，即使做到了密封，造價也比較昂貴。四、采用高耐電強(qiáng)度氣體采用高耐電強(qiáng)度氣體鹵族元素的氣體：六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等耐電強(qiáng)度比氣體高的多，采用該氣體或在其他氣體中混入一定比例的這類氣體，可以大大提高擊穿電壓。鹵族物有高耐電強(qiáng)度的原因：鹵族元素（尤其是F和CL）分子具有很

14、強(qiáng)的電負(fù)性，易俘獲電子形成負(fù)離子，使電離能力很強(qiáng)的電子數(shù)減少，且形成負(fù)離子以后，易與正離子相復(fù)合。這些氣體的分子量較大，分子直徑較大，使電子在其中的自由程縮短，不易積聚能量，從而減小了其撞擊電離的能力。高耐電強(qiáng)度氣體除了具有較高的耐電強(qiáng)度以外，還應(yīng)具有較好的物理化學(xué)性能，才能在工程上得到廣泛應(yīng)用。如：液化溫度要低液化溫度要低。在大氣壓力下和常溫下是液態(tài)的物質(zhì)，不能采用。(如CCL4在大氣壓力下和常溫下是液態(tài))有良好的化學(xué)穩(wěn)定性有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。不易腐蝕其他材料，不易燃，不易爆，無毒，即使在放電的過程中也不易分解等。對環(huán)境無明顯的負(fù)面影響對環(huán)境無明顯的負(fù)面影響。（氟里昂對大氣中的臭氧層有破壞作

15、用，故不能采用。）有實(shí)用的經(jīng)濟(jì)性，能大量的供應(yīng)有實(shí)用的經(jīng)濟(jì)性，能大量的供應(yīng)。 SF6氣體得到了廣泛的應(yīng)用。用于高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器等，以及用SF6絕緣的全封閉組合電器。五、五、SF6氣體的應(yīng)用氣體的應(yīng)用 SF6氣體除了具有很高的電氣強(qiáng)度以外，還具有優(yōu)異的滅弧能力。利用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)和滅弧媒質(zhì)制成的各種電力設(shè)備和封閉式組合電器具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，如大大節(jié)省占地面積和空間體積、運(yùn)行安全可靠、簡化安置維護(hù)等，發(fā)展前景十分廣闊。4.固體、液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度固體、液體和組合絕緣的電氣強(qiáng)度第一節(jié) 固體介質(zhì)的擊穿特性第二節(jié) 液體電介質(zhì)的擊穿特性第三節(jié) 組合絕緣4.1固體電介質(zhì)

16、的擊穿特性固體電介質(zhì)的擊穿特性一.固體擊穿理論 固體電介質(zhì)的擊穿有兩種不同的性質(zhì)：第一種是類似于氣體電介質(zhì)那樣，由于電場的作用使電介質(zhì)中的某些帶電質(zhì)點(diǎn)積聚的數(shù)量和移動的速度達(dá)到一定程度時，使電介質(zhì)失去了絕緣的性能，形成導(dǎo)電通道，這樣的擊穿稱為電擊穿電擊穿。第二種是在電場的作用下，由于電介質(zhì)損耗和泄漏等原因而使固體電介質(zhì)內(nèi)發(fā)出的熱量大于散失的熱量，使介質(zhì)溫度不斷上升，最終造成介質(zhì)本身的破壞，轉(zhuǎn)化成導(dǎo)電通道，這樣的擊穿稱為熱擊穿熱擊穿。二、影響固體擊穿電壓的因素1.電壓作用時間的影響電壓作用時間的影響：注意臨界點(diǎn)圖4-1-1電工紙板的擊穿電壓與電壓作用時間的關(guān)系2.溫度溫度：臨界溫度是 （熱擊穿和

17、電擊穿的分界點(diǎn)）crcr電擊穿cr熱擊穿圖4-1-2 瓷的擊穿電壓與溫度 的關(guān)系(均勻電場，交變電壓)3.電場均勻度和介質(zhì)厚度的影響：電場均勻度和介質(zhì)厚度的影響：均勻電場：電擊穿：擊穿電壓與厚度無關(guān)。 （不論電壓的性質(zhì)、電壓作用的時間長短）熱擊穿：厚度越大，擊穿電壓越小。不均勻電場：電擊穿和熱擊穿均隨介質(zhì)厚度的增大， 擊穿電壓減小。4.電壓頻率的影響電壓頻率的影響：電擊穿領(lǐng)域：若電場均勻度不變，擊穿電壓與頻率無關(guān)。熱擊穿領(lǐng)域：ftgU15.受潮度的影響受潮度的影響：某些具有吸水性的固體介質(zhì)，含水量升高，則擊穿電壓減小。6.機(jī)械力的影響機(jī)械力的影響：機(jī)械力使孔隙縮小，則擊穿電壓上升；機(jī)械力使致密

18、的介質(zhì)產(chǎn)生裂縫，如該固體介質(zhì)放在氣體中，則氣體將充填到裂縫內(nèi)，造成擊穿電壓下降。7.多層性的影響多層性的影響8.累積效應(yīng)的影響累積效應(yīng)的影響：實(shí)驗(yàn)指出，不完全擊穿具有累積效應(yīng)累積效應(yīng)，即介質(zhì)的擊穿電壓隨著過去承受過的不完全擊穿次數(shù)的增加而降低。三、提高具體擊穿電壓的方法三、提高具體擊穿電壓的方法1.改進(jìn)絕緣的設(shè)計(jì)改進(jìn)絕緣的設(shè)計(jì)：如采取合理的絕緣結(jié)構(gòu)，使各部分絕緣的耐電強(qiáng)度能與共所承擔(dān)的場強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜?；改善電極形狀及表面光潔度，盡可能使電場分布均勻，把邊緣效應(yīng)減到最?。桓纳齐姌O與絕緣體的接觸狀態(tài)，消除接觸處的氣隙或使接觸處的氣隙不承受電位差。2.改進(jìn)制造工藝改進(jìn)制造工藝 ： 盡可能地清除固體電

19、介質(zhì)中殘留的雜質(zhì)、氣泡、水分等，使固體介質(zhì)盡可能做得均勻致密。這可以通過精選材料、改善工藝、真空干燥、加強(qiáng)浸漬等方法來實(shí)現(xiàn)。3.改善運(yùn)行條件改善運(yùn)行條件：如注意防潮，防止塵污和各種有害氣體的侵蝕，加強(qiáng)散熱冷卻。四、固體介質(zhì)的老化四、固體介質(zhì)的老化老化老化電氣設(shè)備的絕緣在長期運(yùn)行過程中會發(fā)生一系列物理變化(如固體介質(zhì)軟化或熔解，低分子化合物及增塑劑的揮發(fā))和化學(xué)變化(如氧化、電解、電離、生成新物質(zhì))，致使其電氣、機(jī)械及其他性能逐漸劣化。1.環(huán)境老化：光氧老化（主要）、臭氧老化、鹽霧酸堿等污染性化學(xué)老化。2.電老化電老化：電介質(zhì)在電場的長時間作用下，會逐漸發(fā)生某些物理化學(xué)變化(例如電解、電離、氧化

20、等)，形成新的物質(zhì)，逐漸使介質(zhì)的物理、化學(xué)性能發(fā)生不可逆的劣化，最終尋致被擊穿，這個過程稱為電老化。電老化主要有三種類型，即電離性老化，電導(dǎo)性老化和電解性老化。前兩種主要在交流電壓下產(chǎn)生，后一種主要在直流電壓下產(chǎn)生。3.熱老化：在較高溫度下，固體介質(zhì)會逐漸熱老化。熱老化的主要過程為熱裂解、氧化裂解、交聯(lián)、以及低分子揮發(fā)物的進(jìn)出。熱老化的象征大多為介質(zhì)失去彈性,變僵硬，變脆發(fā)生龜裂。設(shè)備“絕緣壽命”與其“工作溫度”之間的關(guān)系：蒙辛格熱老化規(guī)則:該類設(shè)備絕緣的工作溫度如提高10（8或6），絕緣壽命便縮短到原來的一半。AeAeT04.2液體電介質(zhì)的擊穿特性液體電介質(zhì)的擊穿特性一、擊穿理論電擊穿、熱擊

21、穿（或電擊穿、熱擊穿（或“雜質(zhì)擊穿雜質(zhì)擊穿”、“小橋理論小橋理論”）“小橋理論小橋理論”：液體中所含的雜質(zhì)在電場力的作用下沿電力線排列形成雜質(zhì)“小橋”。由于組成此“小橋”的纖維及水分等的電導(dǎo)較大，使泄漏電流增大，發(fā)熱增加，最終造成液體的擊穿。二、影響液體擊穿電壓的因素1.液體本身的介質(zhì)品質(zhì)2.電壓作用的時間3.電場情況4.溫度5.壓強(qiáng)三、提高液體擊穿電壓的方法1.提高并保持油品質(zhì) 2.覆蓋3.絕緣層 4.極間障四、液體介質(zhì)的老化（一）變壓器油的老化過程1.油老化的現(xiàn)象和特征：顏色逐漸深暗，從淡黃色變?yōu)樽睾稚?，從透明變?yōu)闇啙?。粘度增大，閃燃點(diǎn)增高，灰分和水分增多。酸價增加。絕緣性能變壞，表現(xiàn)在電阻率降低，介質(zhì)損耗增大，擊穿電壓降