高電壓技術(shù)第三章課件

第三章

氣隙的電氣特性內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室影響空氣間隙放電電壓的因素主要：電場情況：均勻、稍不均勻、極不均勻電壓形式：直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊大氣條件：氣壓、溫度、濕度電場形式對空氣間隙放電電壓的影響內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室主要內(nèi)容

氣隙的擊穿時間氣隙的伏秒特性和擊穿電壓的概率分布大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響較均勻電場氣隙的擊穿電壓不均勻電場氣隙的擊穿電壓提高氣體間隙擊穿電壓的措施內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室完成擊穿所需放電時間是很短的（微秒級）：直流電壓、工頻交流等持續(xù)作用的電壓，滿足上述三個條件不成問題；當(dāng)所加電壓變化速度很快、作用時間很短的沖擊電壓，因有效作用時間短，以微秒計，此時放電時間就變成一個重要因素。內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室第1節(jié)氣隙的擊穿時間

一.放電時間的組成：

總放電時間

tb=t0+ts+tf

后面兩個分量之和稱為放電時延

tlag=ts+tft1－氣隙在持續(xù)電壓下的擊穿電壓為U0，為所加電壓從0上升到U0的時間；ts－從t1開始到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子所需的時間稱為統(tǒng)計時延ts；tf－出現(xiàn)有效電子后，引起碰撞電離，形成電子崩，發(fā)展到流注和主放電，最后完成氣隙的擊穿。這個過程需要的時間稱為放電形成時延tf。內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室tb和tf都具有統(tǒng)計性放電時間tb和tlag放電時延的長短都與所加電壓的幅值U有關(guān)，總的趨勢是U越高，放電過程發(fā)展的越快，tb和tlag越短。

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室非持續(xù)作用電壓雷電沖擊過電壓、操作沖擊過電壓持續(xù)時間極短（以微秒計），放電發(fā)展速度不能忽略不計。間隙的擊穿電壓與作用電壓的波形（即作用時間）有很大關(guān)系用伏秒特性來表達(dá)氣隙的擊穿特性內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室（一）標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波

標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓如下圖所示：內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室T1－視在波前時間；T2－視在半峰值時間；Um－沖擊電壓峰值T1－視在波前時間；T2－視在半峰值時間；Um－沖擊電壓峰值

內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室（二）標(biāo)準(zhǔn)雷電截波

用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后所出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖所示。圖16雷電截波

T1－波前時間；Tc－截斷時間IEC和國標(biāo)規(guī)定為：

T1＝1.2μs±30％Tc=2～5μs用來模擬雷電過電壓引起氣隙擊穿或外絕緣閃絡(luò)后所出現(xiàn)的截尾沖擊波，如圖所示。內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室（三）標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波

圖1-17操作沖擊試驗電壓波形（a）非周期性雙指數(shù)沖擊波；（b）衰減振蕩波內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室Tcr－波前時間；T2－半峰值時間；Um－沖擊電壓峰值IEC和國標(biāo)規(guī)定為：Tcr＝250μs±20％T2＝2500μs±60％內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室U50%與Ur靜態(tài)擊穿電壓的比值稱為沖擊系數(shù)β，均勻和稍不均勻電場下，β≈1;極不均勻電場中,β>1，沖擊擊穿電壓的分散性也較大，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3％。內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室（二）伏秒特性沖擊擊穿特性最好用電壓和時間兩個參量來表示，這種在“電壓－時間”坐標(biāo)平面上形成的曲線，通常稱為伏秒特性曲線，它表示該氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時間的關(guān)系。如圖1-18所示：圖1-18伏秒特性曲線的繪制方法示意圖

沖擊擊穿特性最好用電壓和時間兩個參量來表示，這種在“電壓－時間”坐標(biāo)平面上形成的曲線，通常稱為伏秒特性曲線，它表示該氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時間的關(guān)系。如圖1-18所示：內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室實際的伏秒特性曲線如圖1-19所示，是一個以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性。圖1-19伏秒特性帶與50％伏秒特性1－上包線；2－50％伏秒特性；3－下包線內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室而極不均勻電場的放電時延（間）較長，因而其伏秒特性到達(dá)變平點(diǎn)的時間也就較長。圖1-20均勻電場和不均勻電場氣隙的伏秒特性比較1－均勻電場；2－不均勻電場內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室伏秒特性的應(yīng)用Ｓ２對Ｓ1起保護(hù)作用在高幅值沖擊電壓作用下，Ｓ２不起保護(hù)作用內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室小結(jié)（本節(jié)完）放電時間的組成為：tb=t1+ts+tf

沖擊電壓波形的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波標(biāo)準(zhǔn)雷電截波標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波沖擊電壓下氣隙的擊穿特性采用擊穿百分比為50％時的電壓來表征氣隙的沖擊擊穿特性；伏秒特性表征氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時間的關(guān)系。內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室第4節(jié)較均勻電場氣隙的擊穿電壓

均勻電場中的擊穿電壓擊穿電壓與電壓極性無關(guān)直流、工頻擊穿電壓（峰值）以及50％沖擊擊穿電壓都相同，分散性很小內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室均勻電場中的擊穿電壓當(dāng)S不過于小時（S>1cm），均勻電場中空氣的電氣強(qiáng)度（峰值）大致等于30kV/cm內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室擊穿電壓的估算根據(jù)起始場強(qiáng)經(jīng)驗公式估算擊穿電壓ｆ：不均勻系數(shù)，決定于電極布置，可根據(jù)靜電場計算或電解槽等實驗方法求得當(dāng)Emax達(dá)到臨界值（30kV/cm幅值），間隙擊穿Ｅ0

實際上和電極布置有關(guān)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室第5節(jié)不均勻電場氣隙的擊穿電壓

1、影響擊穿電壓的主要因素是間隙距離2、選擇電場極不均勻的極端情況作為典型電極研究棒(尖)—板：電場分布不對稱棒(尖)—棒(尖)：電場分布對稱這兩種氣隙擊穿電壓是不均勻氣隙擊穿電壓曲線的上下包線，根據(jù)典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來估計絕緣距離3、直流、工頻及沖擊擊穿電壓間的差別比較明顯，分散性較大內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室直流電壓下的擊穿電壓極性效應(yīng)：棒—棒電極間的擊穿電壓介于極性不同的棒—板電極之間擊穿電壓與間隙距離接近正比，平均擊穿場強(qiáng)：正棒—負(fù)板：4.5kV/cm負(fù)棒—正板：l0kV/cm棒—棒：4.8~5.0kV/cm內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室工頻電壓下的擊穿電壓擊穿在棒的極性為正、電壓達(dá)到幅值時發(fā)生間隙距離小于2.5cm，擊穿電壓和距離近似直線關(guān)系平均擊穿場強(qiáng)(幅值)：棒—棒間隙為5.36kV/cm，棒—板間隙為4.8kV/cm“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d＝1m，5kV/cmd＝l０m，2kV/cm內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室雷電沖擊電壓下空氣的擊穿電壓雷電沖擊50％擊穿電壓在多次施加電壓（波形1.2/50μs）中，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，工程上以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性在極不均勻電場，由于放電時延較長，雷電沖擊50％擊穿電壓比工頻擊穿電壓高，即雷電沖擊系數(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%內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室在圖所示范圍內(nèi)擊穿電壓和間隙距離呈直線關(guān)系棒—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)內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室操作沖擊電壓下空氣的擊穿電壓極不均勻電場中的操作沖擊50％擊穿有許多特點(diǎn)極性效應(yīng)正極性下50％擊穿電壓比負(fù)極性下低，所以也更危險電場分布的影響“鄰近效應(yīng)”：接地物體靠近放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“飽和”現(xiàn)象：和工頻電壓下類似，棒—板間隙更嚴(yán)重分散性大：波前時間在數(shù)十到數(shù)百微秒之間，U50的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為5％；波前時間超過1000μs以后，可達(dá)8％內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室波形的影響波前時間在一定的范圍內(nèi)，U50具有最小值，即臨界擊穿電壓（對應(yīng)臨界波前時間）。呈現(xiàn)出“Ｕ形曲線”放電時延和空間電荷(形成及遷移)這兩個因素的影響所造成的對應(yīng)極小值的波前時間隨著間隙距離加大而增加，對7m以下的間隙，在50～200μs之間工頻擊穿電壓比臨界波前操作沖擊擊穿電壓（操作沖擊系數(shù)小于1）P64圖3-5-8內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室50％擊穿電壓極小值的經(jīng)驗公式對于1～20m的長間隙計算結(jié)果和試驗結(jié)果很好地符合內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室第6節(jié)提高氣體間隙擊穿電壓的措施

兩個途徑：1、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2、利用其它方法來削弱氣體中的電離過程內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室1、改進(jìn)電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圾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)體內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室2、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D＝20、16mm時，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，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)”內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室3、極不均勻電場中屏障的采用

隨著屏障位置不同，擊穿電壓發(fā)生很大的變化，尖電極的極性不同，屏障的影響也有別原理是屏障積聚空間電荷，改善電場分布在電場極不均勻的氣隙中，放入薄片固體絕緣材料（例如紙或紙板），在一定條件下，可以顯著提高氣隙的擊穿電壓內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室尖電極為正極性屏障離尖電極過近，屏障效應(yīng)將減弱尖電極為負(fù)極性屏障離尖電極過近，仍有相當(dāng)?shù)钠两敌?yīng)屏障離開尖電極一定距離，設(shè)置屏障反而降低間隙的擊穿電壓內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室工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。雷電沖擊電壓下屏陣的作用尖電極具有正極性時，設(shè)置屏障可顯著提高間隙的擊穿電壓負(fù)極性時設(shè)置屏障后，間隙的擊穿電壓和沒有屏障時相差不多內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室4.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1/5～1/8，提高壓力至1～1.5MPa，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)備中已得到采用高壓空氣斷路器、高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室較均勻電場中的擊穿電壓在小于1MPa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)和氣壓成正比。從1MPa開始，實驗結(jié)果和巴申定律的分歧就逐漸明顯了。增加呈飽和趨勢電極表面狀態(tài)對擊穿電壓的影響比常壓下顯著強(qiáng)場發(fā)射：106V/cm精細(xì)的拋光、老練處理內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室較均勻電場中的擊穿電壓電極面積的影響隨氣壓的增高越顯著面積效應(yīng)：在不影響電場分布的情況下，電極面積愈大，氣隙的擊穿電壓愈低，面積增大到很大時，擊穿電壓趨于穩(wěn)定值在設(shè)計電極面積較大、工作在高氣壓下的設(shè)備，不能將小面積時的測試結(jié)果簡單推廣到大面積的工程應(yīng)用內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室不均勻電場中的擊穿電壓

提高氣壓后，間隙的擊穿電壓將高于大氣壓力下的數(shù)值，但其提高程度不如均勻電場電場均勻程度對擊穿電壓的影響比在常壓下要顯著得多，電場均勻程度下降，擊穿電壓將劇烈降低在設(shè)計充有高氣壓氣體的電氣設(shè)備，應(yīng)盡量提高其電場的均勻度內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室不均勻電場中的擊穿電壓

在增大氣壓的過程中，擊穿電壓的變化有特殊性教材p72，圖3-6-14原因：電暈放電產(chǎn)生的空間電荷能使電極附近的電場均勻化，氣壓的增大使電暈圈的發(fā)展受到抑制大曲率電極為正極性時顯著、持續(xù)作用電壓時顯著內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室5、高真空的采用

采用高度真空可以提高氣隙的擊穿電壓，變化規(guī)律如圖原因：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內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室5、高真空的采用

高真空中擊穿機(jī)理發(fā)生了改變距離較小時，陰極強(qiáng)場放射密切有關(guān)距離較大時，擊穿是由“全電壓效應(yīng)”引起的分散性很大：電極材料、電極表面的光潔度及清潔度僅某些特殊領(lǐng)域，如真空斷路器中用作滅弧和絕緣，普遍應(yīng)用內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室6、高電氣強(qiáng)度氣體的采用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)度氣體內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室鹵化物氣體電氣強(qiáng)度高的原因含有鹵族元素，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子和這些氣體的分子相遇時，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內(nèi)蒙古科技大學(xué)電氣教研室對高電氣強(qiáng)度氣體的要求

液化溫度要低采用高電氣強(qiáng)度氣體時，常常同時提高壓力，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哂辛己玫幕瘜W(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經(jīng)濟(jì)上應(yīng)當(dāng)合理，價格便宜，能大量供應(yīng)