氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

1、氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度第1頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四主要內(nèi)容空氣間隙的放電時(shí)間沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化伏秒特性和擊穿電壓的概率分布均勻與稍不均勻電場間隙的擊穿特性大氣條件對間隙擊穿特性的影響提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法第2頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四影響空氣間隙放電電壓的因素主要有：電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻電壓形式：直流電壓、交流電壓、雷電沖擊電壓 、操作沖擊電壓大氣條件：氣壓、溫度、濕度第3頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四一、空氣間隙的放電時(shí)間 最低靜態(tài)擊穿電壓U0 擊穿時(shí)間tb 升壓時(shí)間t0 、統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts

2、、放電發(fā)展時(shí)間tf 、放電時(shí)延 tl 短間隙(1厘米以下) tf 1cm），均勻電場中空氣的電氣強(qiáng)度（峰值）大致等于30kV/cm 第14頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四稍不均勻電場中的擊穿電壓 1. 不能形成穩(wěn)定的電暈放電 2. 電場不對稱時(shí)，極性效應(yīng)不很明顯 3. 直流、工頻下的擊穿電壓(幅值)以及50沖擊擊穿電壓都相同，擊穿電壓的分散性也不大 4. 擊穿電壓和電場均勻程度關(guān)系極大，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓就越高 球球間隙，球板間隙，同軸圓柱間隙 第15頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四球球間隙當(dāng)dD/4，電場相當(dāng)均勻，直流電壓、工

3、頻電壓及沖擊電壓作用下，擊穿電壓都相同 當(dāng)dD/4，大地對電場的畸變作用使間隙電場分布不對稱，Ub有極性效應(yīng) 電場最強(qiáng)的電極為負(fù)極性時(shí)的擊穿電壓略低于正極性時(shí)的數(shù)值 同一間隙距離下，球電極直徑越大，由于電場均勻程度增加，擊穿電壓也越高 第16頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離選擇電場極不均勻的極端情況典型電極來研究 棒(尖)板 ：電場分布不對稱 棒(尖)棒(尖) ：電場分布對稱 根據(jù)典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來估計(jì)絕緣距離 直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差別比較明顯，分散性較大，且極性效應(yīng)顯著 五、極不均勻電場間隙的擊穿特性第17頁，共40頁，2

4、022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四1. 直流電壓下的擊穿電壓極性效應(yīng)：尖尖電極間的擊穿電壓介于極性不同的尖板電極之間 棒板間隙：棒具有正極性時(shí)，平均擊穿場強(qiáng)約為4.5kV/cm；棒具有負(fù)極性時(shí)約為l0kV/cm棒棒間隙的平均擊穿場強(qiáng)約為4.85.0kV/cm 第18頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四2. 工頻電壓下的擊穿電壓 擊穿在棒的極性為正、電壓達(dá)到幅值時(shí)發(fā)生 除了起始部分外，擊穿電壓和距離近似直線關(guān)系 棒棒間隙的平均擊穿場強(qiáng)約為5.36kV/cm(幅值)，棒板間隙的約為4.8kV/cm(幅值) “飽和現(xiàn)象” ：距離加大，平均擊穿場強(qiáng)明顯降低，棒板間隙尤為嚴(yán)重

5、d1m， 5 kV/cm dlm，2 kV/cm第19頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四雷電 在圖所示范 圍內(nèi)擊穿電壓和間隙距離呈直線關(guān)系由于放電時(shí)延較長，通常沖擊系數(shù)大于l，擊穿電壓的分散性也大一些，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取為3% 棒板間隙有明顯的極性效應(yīng)，棒棒間隙也有不大的極性效應(yīng)第20頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四操作 極不均勻電場中的操作擊穿有許多特點(diǎn)第21頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四特點(diǎn)極性效應(yīng) 極不均勻電場中同樣有極性效應(yīng)。正極性下50擊穿電壓比負(fù)極性下低，所以也更危險(xiǎn) 電場分布的影響 “鄰近效應(yīng)” ：接地物體靠近放

6、電間隙會顯著降低其正極性擊穿電壓，但能多少提高一些負(fù)極性擊穿電壓 電極形狀對間隙的擊穿電壓也有很大影響 第22頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四3.波形的影響 在一定的波前時(shí)間范圍內(nèi)，U50 甚至?xí)裙ゎl擊穿電壓低 ，呈現(xiàn)出 “形曲線” 對應(yīng)于極小值的波前時(shí)間隨著間隙距離加大而增加，對7m以下的間隙，大致在50200s之間放電時(shí)延和空間電荷(形成及遷移)這兩類不同因素的影響所造成的 第23頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四分散性大 對于波前時(shí)間在數(shù)十到數(shù)百微秒的操作沖擊電壓，極不均勻電場間隙50擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5；波前時(shí)間超過1000s以后，可

7、達(dá)8左右（工頻及雷電沖擊電壓下均約為3） “飽和”現(xiàn)象 和工頻電壓下類似，極不均勻電場中操作沖擊50擊穿電壓和間隙距離的關(guān)系具有明顯的“飽和”特征（雷電沖擊50擊穿電壓和距離大致呈線性關(guān)系 ） 第24頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四六、大氣條件對間隙擊穿特性的影響空氣密度濕度海拔高度第25頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四五、提高氣體間隙擊穿電壓的措施兩個(gè)途徑： 一、改善電場分布，使之盡量均勻 改進(jìn)電極形狀 利用空間電荷畸變電場的作用 二、利用其它方法來削弱氣體中的電離過程 第26頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四(一）改進(jìn)電

8、極形狀以改善電場分布 增大電極曲率半徑 減小表面場強(qiáng)。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩；采用擴(kuò)徑導(dǎo)線等改善電極邊緣 電極邊緣做成弧形；盡量使其與某等位面相近使電極具有最佳外形 如穿墻高壓引線上加金屬扁球；墑洞邊緣做成近似垂接線旋轉(zhuǎn)體第27頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四（二）利用空間電荷畸變電場的作用 極不均勻電場中擊穿前發(fā)生電暈放電，利用放電產(chǎn)生的空間電荷改善電場分布，提高擊穿電壓 直徑D20mm及16mm時(shí)，擊穿電壓曲線的直線部分和尖一板間隙相近導(dǎo)線直徑減為3mm以至0.5mm時(shí)，擊穿電壓曲線的直線部分陡度大為增加，曲線逐漸與均勻電場中的相近 “細(xì)線效應(yīng)”第28頁，共4

9、0頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四（三）極不均勻電場中屏障的采用 在電場極不均勻的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料（例如紙或紙板），在一定條件下，可以顯著提高間隙的擊穿電壓 原理是屏障積聚空間電荷，改善電場分布 隨著屏障位置不同，擊穿電壓發(fā)生了很大的變化，尖電極的極性不同，屏障的影響也有別 第29頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四尖電極為正極性 屏障離尖電極過近，屏障效應(yīng)將隨之而減弱 尖電極為負(fù)極性 屏障離開尖電極一定距離，設(shè)置屏障反而將降低間隙的擊穿電壓 屏障離尖電極過近，仍有相當(dāng)?shù)钠两敌?yīng) 第30頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四工

10、頻電壓下屏障的作用 設(shè)置屏障可以顯著提高間隙的擊穿電壓。雷電沖擊電壓下屏障的作用 尖電極具有正極性時(shí)，設(shè)置屏障可顯著提高間隙的擊穿電壓 負(fù)極性時(shí)設(shè)置屏障后，間隙的擊穿電壓和沒有屏障時(shí)相差不多第31頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四（四）高氣壓的采用 減小電子的平均自由行程，削弱電離過程例：大氣壓力下空氣的電氣強(qiáng)度僅約為變壓器油的1/51/8，提高壓力至11.5MPa，空氣的電氣強(qiáng)度和一般的液、固態(tài)絕緣材料如變壓器油、電瓷、云母等的電氣強(qiáng)度相接近 壓縮空氣絕緣及其它壓縮氣體絕緣在一些電氣設(shè)備中已得到采用如：高壓空氣斷路器、高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等第32頁，共40頁，2022年，5月

11、20日，7點(diǎn)38分，星期四均勻電場中的擊穿電壓在一定的壓力范圍內(nèi)，擊穿場強(qiáng)的提高遵循巴申定律，并且擊穿場強(qiáng)大致和氣壓成正比 大約從1MPa開始，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和巴申定律的分歧就逐漸明顯了 第33頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四不均勻電場中的擊穿電壓不均勻電場中提高氣壓后，間隙的擊穿電壓也將高于大氣壓強(qiáng)下的數(shù)值在高氣壓下，電場均勻程度對擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著得多，電場均勻程度下降，擊穿電壓將劇烈降低第34頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四（五）高真空的采用削弱間隙中的碰撞電離過程，從而顯著增高間隙的擊穿電壓 高真空中擊穿機(jī)理發(fā)生了改變距離較小時(shí)

12、，間隙的擊穿和陰極的強(qiáng)場放射密切有關(guān)分散性很大：電極材料、電極表面的光潔度及清潔度 第35頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四含鹵族元素的氣體化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其電氣強(qiáng)度比空氣的要高很多。稱為高電氣強(qiáng)度氣體 （六）高電氣強(qiáng)度氣體的采用第36頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四 鹵化物氣體電氣強(qiáng)度高的原因 1由于含有鹵族元素，氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)性，氣體分子容易和電子結(jié)合成為負(fù)離子，削弱電子的碰撞電離能力，同時(shí)又加強(qiáng)復(fù)合過程氣體的分子量比較大，分子直徑較大，電子在其中的自由行程縮短，不易積聚能量，從而減少其碰撞電離能力電

13、子和這些氣體的分子相遇時(shí)，還易于引起分子發(fā)生極化等過程，增加能量損失，從而減弱其碰撞電離能力第37頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四對高電氣強(qiáng)度氣體的要求1液化溫度要低，采用高電氣強(qiáng)度氣體時(shí)，常常同時(shí)提高壓力，以便更大程度的提高間隙的擊穿電壓，縮小設(shè)備的體積和重量。所以這些氣體的液化溫度要低，以便在較低的運(yùn)行溫度下，還能施加相當(dāng)?shù)膲毫?應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易腐蝕設(shè)備中的其它材料，無毒，不會爆炸，不易燃燒，即使在放電過程中也不易分解等3經(jīng)濟(jì)上應(yīng)當(dāng)合理，價(jià)格便宜，能大量供應(yīng) 第38頁，共40頁，2022年，5月20日，7點(diǎn)38分，星期四目前工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6）。SF6除了其電氣強(qiáng)度很高以外，還具有優(yōu)良的滅弧性能，很適合用于高壓斷路器中SF6已不僅用來制作單臺電氣設(shè)備（如SF6斷路器、避雷器、電