高電壓伏安特性

關(guān)于高電壓伏安特性第1頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§3.1氣隙的擊穿時(shí)間靜態(tài)擊穿電壓U。——長(zhǎng)時(shí)間作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。擊穿時(shí)間tb——從開始加壓的瞬時(shí)起到氣隙完全擊穿為止總的時(shí)間稱為擊穿時(shí)間。第2頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六(1)升壓時(shí)間t?！妷簭牧闵届o態(tài)擊穿電壓U。所需的時(shí)間。(2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts——從電壓達(dá)到U。的瞬時(shí)起到氣隙中形成第一個(gè)有效電子為止的時(shí)間。(3)放電發(fā)展時(shí)間tf——從形成第一個(gè)有效電子的瞬時(shí)起到氣隙完全被擊穿為止的時(shí)間。(4)t1=ts+tft1——放電時(shí)延第3頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§3.2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(dòng)，通常所稱的電壓值是指平均值。直流電壓的脈動(dòng)幅值是最大值與最小值之差的—半。紋波系數(shù)為脈動(dòng)幅值與平均值之比。國(guó)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

45—65Hz范圍內(nèi)。第4頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六3.雷電沖擊電壓——為了模擬雷電電壓而制定的①標(biāo)準(zhǔn)的雷電沖擊全波：非周期的雙指數(shù)波1.2/50us第5頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第6頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第7頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第8頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六二、伏秒特性1.概念氣隙的伏秒特性——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(shí)間的關(guān)系，稱為該氣隙的伏秒特性。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（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)β——U50%與靜態(tài)擊穿電壓Us之比稱為沖擊系數(shù)β。均勻和稍不均勻電場(chǎng)下沖擊擊穿電壓的分散性很小，沖擊系數(shù)β≈1。極不均勻電場(chǎng)中由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，沖擊系數(shù)β均大于1。第9頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六2.伏秒特性曲線的制作①保持一定的沖擊電壓波形不變，而逐級(jí)升高電壓，以電壓為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)，

電壓較低時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波尾，取該電壓的峰值與擊穿時(shí)刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；

電壓較高時(shí)，擊穿一般發(fā)生在波頭，取擊穿時(shí)刻的電壓值及該時(shí)刻，得到相應(yīng)的點(diǎn)；把這些相應(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”。第10頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第11頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第12頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第13頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§3.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿電壓的影響

一、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件壓強(qiáng)P。=101.3KPa溫度濕度二、影響

1.氣隙的擊穿電壓隨著大氣密度或濕度的增加而升高。原因：①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。②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。第14頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六2.國(guó)標(biāo)GB/T16927.1—1997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56-57頁(yè)有詳細(xì)的說明)第15頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§3.4電場(chǎng)在不同電壓下的擊穿電壓一、較均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿電壓1.在均勻電場(chǎng)中，電場(chǎng)是對(duì)稱的，故擊穿電壓與電壓極性無(wú)關(guān)，由于間隙各處的場(chǎng)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(duì)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(duì)密度

S——?dú)庀兜木嚯x，cm第16頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六2.稍不均勻電場(chǎng)稍不均勻電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形式有多種多樣，常遇到的較典型的電場(chǎng)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(duì)這些較簡(jiǎn)單的、有規(guī)則的、較典型的電場(chǎng)，有相應(yīng)的計(jì)算擊穿電壓的經(jīng)驗(yàn)公式或曲線，可參閱有關(guān)的手冊(cè)和資料。3.影響稍不均勻電場(chǎng)間隙擊穿電壓的因素：電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、大氣條件、還有鄰近效應(yīng)和照射效應(yīng)。第17頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六二、不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿電壓不均勻電場(chǎng)的特征：各處場(chǎng)強(qiáng)差別很大，在所加電壓小于整個(gè)間隙擊穿電壓時(shí)，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(duì)擊穿電壓的影響很大，導(dǎo)致顯著的極性效應(yīng)。對(duì)很不均勻電場(chǎng)，只要宏觀上保持原有的電場(chǎng)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(duì)擊穿電壓的影響不大。預(yù)先對(duì)幾種典型的電場(chǎng)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(chǎng)，其擊穿電壓可以參照與接近的典型氣隙的擊穿電壓來(lái)估計(jì)。第18頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第19頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六（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)生在棒極為正半波時(shí)。第20頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第21頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六（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(shí)候，可以用棒—板的擊穿數(shù)據(jù)來(lái)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(chǎng)氣隙擊穿電壓曲線的上下包絡(luò)線，這點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)很有用。第22頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六圖3-5-4氣隙的沖擊擊穿電壓與距離的關(guān)系第23頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第24頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第25頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六3.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。注意：同一氣隙對(duì)疊加性電壓的、耐受程度與對(duì)單一性電影的耐受程度是不同的。當(dāng)工作電壓是穩(wěn)態(tài)直流時(shí)，兩者的差異更顯著。第26頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§3.5提高氣隙擊穿電壓的方法一、改善電場(chǎng)分布一般說來(lái)，電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)強(qiáng)。常用辦法：增大電極的曲率半徑（簡(jiǎn)稱屏蔽）。第27頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六二、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(chǎng)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(duì)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(jià)也比較昂貴。第28頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六四、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：⑴鹵族元素（尤其是F和CL）分子具有很強(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。⑵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。第29頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六高耐電強(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：⑴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))⑵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(wú)毒，即使在放電的過程中也不易分解等。⑶對(duì)環(huán)境無(wú)明顯的負(fù)面影響。（氟里昂對(duì)大氣中的臭氧層有破壞作用，故不能采用。）⑷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。第30頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六五、SF6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(jiǎn)化安置維護(hù)等，發(fā)展前景十分廣闊。第31頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§4.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)組合絕緣第32頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§4.1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(chǎng)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(dòng)的速度達(dá)到一定程度時(shí)，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。第二種是在電場(chǎng)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。第33頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第34頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六第35頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六3.電場(chǎng)均勻度和介質(zhì)厚度的影響：①均勻電場(chǎng)：電擊穿：擊穿電壓與厚度無(wú)關(guān)。（不論電壓的性質(zhì)、電壓作用的時(shí)間長(zhǎng)短）熱擊穿：厚度越大，擊穿電壓越小。②不均勻電場(chǎng)：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：①電擊穿領(lǐng)域：若電場(chǎng)均勻度不變，擊穿電壓與頻率無(wú)關(guān)。②熱擊穿領(lǐng)域：第36頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六5.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)械力使孔隙縮小，則擊穿電壓上升；機(jī)械力使致密的介質(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8.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)，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。第37頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六三、提高具體擊穿電壓的方法1.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(chǎng)強(qiáng)有適當(dāng)?shù)呐浜希桓纳齐姌O形狀及表面光潔度，盡可能使電場(chǎng)分布均勻，把邊緣效應(yīng)減到最??；改善電極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：盡可能地清除固體電介質(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(lái)實(shí)現(xiàn)。3.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。第38頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六四、固體介質(zhì)的老化老化——電氣設(shè)備的絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)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：電介質(zhì)在電場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間作用下，會(huì)逐漸發(fā)生某些物理化學(xué)變化(例如電解、電離、氧化等)，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(gè)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。第39頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六3.熱老化：在較高溫度下，固體介質(zhì)會(huì)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(lái)的一半。第40頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六§4.2液體電介質(zhì)的擊穿特性一、擊穿理論電擊穿、熱擊穿（或“雜質(zhì)擊穿”、“小橋理論”）“小橋理論”：液體中所含的雜質(zhì)在電場(chǎng)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(shí)間3.電場(chǎng)情況4.溫度5.壓強(qiáng)第41頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六三、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：①顏色逐漸深暗，從淡黃色變?yōu)樽睾稚?，從透明變?yōu)闇啙?。②粘度增大，閃燃點(diǎn)增高，灰分和水分增多。③酸價(jià)增加。④絕緣性能變壞，表現(xiàn)在電阻率降低，介質(zhì)損耗增大，擊穿電壓降低。⑤出現(xiàn)沉淀物。第42頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，18點(diǎn)10分，星期六2.主要原因：絕緣油老化的主要機(jī)理是油的氧化。3.過程：新油在與空氣接觸的中逐漸吸收氧氣，吸收的氧氣將與油中的不飽和碳?xì)浠衔锲鸹瘜W(xué)反應(yīng)，形成飽和的化合物，這段時(shí)期稱為A期。此后油再吸收氧氣,就生成穩(wěn)定的油的氧化物和低分子量的有機(jī)酸，如蟻酸、醋酸等，也有部分高分子有機(jī)酸，