第2章 氣體介質(zhì)的電氣強度

田付強副教授牽引供電研究所Email:fqtian@辦公室：電氣樓808辦公電話604手機電壓技術(shù)第一篇電介質(zhì)的電氣強度第一章氣體放電的基本物理過程第二章氣體介質(zhì)的電氣強度第三章液體和固體介質(zhì)的電氣特性2/44

第一節(jié)均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿場強1第二節(jié)極不均勻電場氣隙擊穿特性23第三節(jié)大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正4第四節(jié)提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法第二章氣體介質(zhì)的電氣強度5第五節(jié)六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備3/44氣體放電的物理過程：氣體中帶電質(zhì)點的產(chǎn)生、湯遜放電、流注放電、電暈放電、沿面放電（微觀特性）工程上，要用擊穿特性表示（擊穿場強，擊穿電壓）（宏觀特性）本章引言4/442.1均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性一、均勻電場氣隙的擊穿特性5/44分散性?。褐绷?、交流、50%沖擊擊穿電壓基本相同均勻電場中空氣的電氣強度大致為：30kV(峰值)/cm(d=1~10cm)

經(jīng)驗公式為：

d：間隙距離(cm)；δ：空氣相對密度(1)均勻電場中氣隙擊穿特性的特點6/44典型的稍不均勻電場：球隙、同軸圓筒、氣體絕緣組合電器中的分相封閉母線筒二、稍不均勻電場中的擊穿電壓7/44稍不均勻電場中的擊穿電壓(以球隙為例)8/44工程上的極不均勻電場氣隙，均可以用兩類極端的模型表示，實際的工程應(yīng)用可依據(jù)這兩類電場類型的測量值進(jìn)行推算：

棒-棒電極（完全對稱結(jié)構(gòu)）

棒-板電極（完全不對稱結(jié)構(gòu)）

2.2極不均勻電場氣隙的擊穿特性棒-棒電極棒-板電極一、常見的極不均勻電場氣隙9/44顯著特征：極性效應(yīng)平均擊穿場強：正極性棒-板間隙：7.5kV/cm負(fù)極性棒-板間隙：20kV/cm棒-棒間隙：11.5kV/cm1.稍短間隙二、直流電壓擊穿特性10/44顯著特征：極性效應(yīng)平均擊穿場強：正極性棒-板間隙：4.5kV/cm負(fù)極性棒-板間隙：10kV/cm正極性棒-棒間隙：4.8kV/cm2.較長間隙11/44特點棒-板間隙擊穿總是在棒的極性為正時擊穿。擊穿電壓與距離近似成直線關(guān)系，大間隙下?lián)舸╇妷河酗柡挖厔荩ㄒ姾箜摚┢骄鶕舸﹫鰪姲?棒間隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板間隙：3.35kV(有效值)/cm

三、工頻交流電壓擊穿特性1.稍短間隙(<1m)棒-棒棒-板12/442.長間隙(>1m)飽和特性13/44四、雷電沖擊電壓1.標(biāo)準(zhǔn)雷電波的定義14/44特點：棒-板間隙沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)；正棒擊穿電壓比負(fù)棒低得多。2、棒-棒間隙也有不大的極性效應(yīng)，這是由于大地的影響，使不接地的那個電極附近電場增強。2.稍短間隙(<1m)15/443.長間隙(>1m)四、操作沖擊電壓1.標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波的定義18/442.擊穿特性19/4420/44操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點50%的操作沖擊電壓依賴于沖擊電壓的上升時間Tcr。50%的操作沖擊電壓并非介于雷電沖擊電壓和工頻交流擊穿電壓之間。它遠(yuǎn)低于雷電沖擊電壓，甚至在某些上升時間范圍內(nèi)，還低于工頻交流擊穿電壓。飽和特性分散性更大（可以理解為伏秒特性帶寬更寬）。21/44遠(yuǎn)距離特高壓輸電高海拔地區(qū)的高緯度地區(qū)沿海地區(qū)大氣壓力、溫度、濕度條件影響電子自由程空氣密度碰撞電離及附著過程2.3大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正1.為何要校正2.校正方法22/44適用于短氣隙(<1m)適用于長氣隙情況式中的m是與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有關(guān)的值，應(yīng)用時可查閱國家標(biāo)準(zhǔn)。3.對空氣密度的校正23/44大氣中的水分可以吸附電子形成負(fù)離子，抑制放電的發(fā)生。均勻電場或稍不均勻電場：濕度對這類電場的影響不大。極不均勻電場：濕度對這類電場的影響較大。需用濕度校正因數(shù)加以修正。k與絕對濕度和電壓類型有關(guān)ω與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性有關(guān)4.對空氣濕度的校正24/44

我國幅員遼闊，運行于高海拔地區(qū)的電力設(shè)施不占少數(shù)。特別是近年來的西部開發(fā)和青藏鐵路的建設(shè)，大量的電氣設(shè)備涌入西部的高海拔地區(qū)。1000m<H<4000m5.對海拔高度的校正25/44電力設(shè)備對氣隙絕緣的要求絕緣安全：氣隙盡可能大。設(shè)備尺寸：經(jīng)濟(jì)性，實用性——氣隙盡量小一些。如何調(diào)和上述矛盾：思路/途徑/原則改善氣隙中的電場分布，使之盡量均勻；設(shè)法削弱或抑制氣體介質(zhì)的電離過程。提高氣體電氣強度的主要方法改進(jìn)電極形狀以改善電場分布利用空間電荷改善電場分布采用介質(zhì)阻擋方法采用高氣壓的方法采用高電氣強度氣體采用高真空2.4提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法26/44思路：電場均勻—擊穿場強高—通過改善電極形狀均勻電場方法：增大電極的曲率半徑，消除電極表面毛刺，尖角；通常采用屏蔽的方法來增大電極的曲率半徑，即在棒極的端部加裝一只直徑適當(dāng)?shù)慕饘偾颉嵗捍笮驮囼炘O(shè)備出線端的球形電極；超高壓線路絕緣子串上的均壓環(huán)；超高壓線路上采用的擴徑導(dǎo)線；1.改進(jìn)電極形狀以改善電場分布Uc為加裝屏蔽罩后的起始電壓；Ugmax為設(shè)備對地最大電壓；R為球屏蔽罩的半徑；Ec為球屏蔽罩的電暈起始場強。27/44細(xì)線效應(yīng)：當(dāng)架空線路的導(dǎo)線直徑減小到一定程度時，對應(yīng)間隙的工頻擊穿場強反而會增大。其原因就是電暈產(chǎn)生的空間電荷改善了電場。利用空間電荷效應(yīng)改善電場在應(yīng)用中難度較大，因為空間電荷的密度、位置等均不易控制。電暈空間電荷改善電場2.利用空間電荷改善電場分布28/44目的：阻礙帶電粒子的運動，積聚空間電荷并改善電場分布。3.采用介質(zhì)阻擋方法29/44安裝距離：正極性直流擊穿電壓可提高2-3倍負(fù)極性直流擊穿電壓可提高約10%因此，對改善工頻交流擊穿電壓很有效對于均勻電場作用不大屏蔽材料：絕緣介質(zhì)，玻璃、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯放置位置：放在電極之間，其表面與電力線垂直。30/44原理：減小電子的平均自由行程，抑制電離過程的發(fā)生。4.采用高氣壓的方法31/44原理：鹵族元素具有很強的電負(fù)性，由其化合成的氣體通常具有很強的俘獲電子能力，進(jìn)而可以抑制放電。氣體：六氟化硫、氟里昂—高電氣強度氣體六氟化硫是目前電氣工程領(lǐng)域除空氣外應(yīng)用最多的絕緣氣體。5.采用高電氣強度氣體32/44原理：分子間距大，碰撞電離難。6.采用高真空33/44簡介六氟化硫氣體在20世紀(jì)60年代開始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧介質(zhì)。首先應(yīng)用于斷路器，之后不斷發(fā)展，已成為除空氣外應(yīng)用最廣泛的介質(zhì)。2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備34/441.六氟化硫氣體的性能無色、無味、無毒的優(yōu)良?xì)怏w，分解溫度高約800K。其電氣強度是空氣耐電強度的2.3~2.5倍,其原因為：分子量大（為146），密度大（相同條件下，是空氣的5倍），屬重氣體。具有電負(fù)性（親和勢約為4.10eV），易俘獲電子，減少了引起電離的電子數(shù)。因此具有較好的滅弧性能（空氣的100倍）。35/44電負(fù)性氣體的有效電子碰撞電離系數(shù)為：

(1)均勻和稍不均勻電場中SF6的擊穿

在分析電負(fù)性氣體的碰撞電離和放電過程時，除考慮電子碰撞電離的α過程，還要考慮電負(fù)性氣體吸附電子的η過程。

η定義為：一個電子沿電場方向運動1cm的行程中，發(fā)生的電子附著次數(shù)的平均值。

2.六氟化硫氣體的擊穿特性均勻電場中電子崩的增長規(guī)律：36/44SF6在均勻場強下的擊穿電壓為：工業(yè)上pd>1Mpa.mm，上式近似的?。簆：氣壓Mpa，

d：極間距離，mm則100kPa時的擊穿場強約為88.5kV/cm，是空氣的3倍。37/44(2)極不均勻電場中SF6的擊穿影響因素：粗糙度：毛刺、凸起、電極導(dǎo)電微粒表面電荷38/44(1)液化問題SF6高壓斷路器工作氣壓0.7MPa；GIS工作氣壓0.45MPa。-20℃-40℃3.六氟化硫理化特性方面的若干問題SF4:無色，有刺激氣味，與水作用生成HF，有毒;S2F10:無色、易揮發(fā)、劇毒;SOF2：無色，有刺激性，有毒。SO2F2：無色，無味，有毒;SOF4：無色、有刺激性氣味，有毒。SF2：化學(xué)性能不穩(wěn)定，有毒。(2)毒性分解物在GIS中放入吸附劑（如活性氧化鋁等），吸附有毒物質(zhì)和水39/44GIS中對微水含量要求十分嚴(yán)格，超標(biāo)的水分與SF6分解物反應(yīng)，容易生成氫氟酸，腐蝕電極和固體介質(zhì)。含水量一般要求在100ppm以內(nèi)。(3)含水量(4)六氟化硫混合氣體常見的廉價氣體，如氮氣、二氧化碳、空氣等，混入很少量的六氟化硫，即可提高其擊穿電壓。解決高寒地區(qū)的SF6氣體液化問題。40/44(1)封閉式氣體絕緣組合電器(GIS)組成：GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘、互感器、避雷器、母線和出線終端等部件組合而成，全部封閉在充SF6氣體的金屬外殼中。GIS的優(yōu)點：占地少——適合我國國情；運行安全可靠，外殼接地，不會誤傷運行人員；防污能力強—不受風(fēng)霜雨雪的侵襲；安裝簡便、檢修周期長。4.SF6氣體絕緣電氣設(shè)備41/44GIC的優(yōu)點：電容小——GIC的電容只有充油電纜的1/4左右，故容抗大，容性電流小，傳輸距離長；介質(zhì)損耗??；導(dǎo)體截面積大，傳輸容量大；能夠用于大落差的場合。(2)氣體絕緣管道輸電線(GIC)(3)氣體絕緣變壓器(GIT)GIT的優(yōu)點：GIT是防暴型變壓器，非常適合于城市高層建筑的供電和用于地下礦井等有防火防爆要求的場合；氣體傳遞振動能力小于液體，GIT的噪聲??；氣體介質(zhì)不會老化，簡化了維護(hù)進(jìn)程；42/44本章主要知識點均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性均勻電場氣隙中，空氣的平均擊穿場強；稍不均勻電場氣隙中（球隙），空氣的擊穿特性；極不均勻電場氣隙的擊穿特性直流、交流、沖擊（雷電/操作）下氣隙擊穿的基本特性；極性效應(yīng)；飽和特性；大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正空氣密度、濕度、海拔高度校正的原因及方法；提高氣體介質(zhì)電氣強度