《城市軌道交通電氣設(shè)備測試（第2版）》 課件2.2氣體電介質(zhì)絕緣及應(yīng)用

《絕緣材料特性》氣體電介質(zhì)絕緣及應(yīng)用目錄01內(nèi)絕緣定義02氣體絕緣03伏-秒特性04提高氣隙擊穿電壓的措施05氣體絕緣材料的應(yīng)用01內(nèi)絕緣定義

高壓開關(guān)設(shè)備的內(nèi)絕緣一般指以油、壓縮空氣、真空、SF6等為絕緣介質(zhì)的絕緣部分。內(nèi)絕緣的電氣強(qiáng)度由介質(zhì)中間隙的擊穿強(qiáng)度或沿介質(zhì)中固體絕緣表面的閃絡(luò)強(qiáng)度所決定，內(nèi)絕緣的主要特點(diǎn)是它的電氣強(qiáng)度與大氣條件基本無關(guān)。內(nèi)絕緣定義02氣體絕緣2.1SF6氣體特性氣體絕緣

SF6氣體是主要的絕緣氣體。純凈的SF6氣體無色、無味、無臭、不燃，在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，屬惰性氣體。其氣體密度是空氣密度的5.1倍。GIS（GasInsulatedSubstation）的中文全稱是六氟化硫氣體（SF6）絕緣金屬全封閉組合電器，將高壓電器元件密封在充有SF6絕緣介質(zhì)的接地金屬筒中。如圖2-3所示為GIS氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備。圖2-3GIS氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備氣體絕緣氣體絕緣

SF6氣體在0.29MPa壓力時(shí)，絕緣強(qiáng)度與變壓器油相當(dāng)，滅弧能力是空氣的100倍。在1.2MPa時(shí)液化，為此SF6斷路器中都不采用過高壓力，使其保持氣態(tài)，使設(shè)備的制造和運(yùn)行得以簡化，絕緣性能佳，所以SF6作氣體絕緣的設(shè)備，壓力是一個(gè)重要的指標(biāo)，也是設(shè)備巡檢的必備項(xiàng)目。

SF6氣體有很強(qiáng)的電負(fù)性（SF6＋e－＝），而正負(fù)離子容易復(fù)合成中性質(zhì)點(diǎn)或原子，這是一般氣體所沒有的，則SF6氣體較其他氣體有更強(qiáng)的滅弧性能。在高寒地區(qū)要求，在工程應(yīng)用SF6-N2混合氣體，通常其混合比為50%∶50%左右，其液化溫度能滿足高寒地區(qū)要求，絕緣強(qiáng)度約為純SF6的85%。氣體絕緣2.2SF6安全問題

在斷路器和GIS操作過程中，由于電弧、電暈、火花放電和局部放電、高溫等因素影響下，SF6氣體會(huì)進(jìn)行分解，它的分解物遇到水分后會(huì)變成腐蝕性電解質(zhì)。尤其是有些高毒性分解物，如SF4、S2F2、S2F10、SOF2、HF和SO2，它們會(huì)刺激皮膚、眼睛、黏膜，如果吸入量大，還會(huì)引起頭暈和肺水腫，甚至致人死亡。

如果懷疑發(fā)生中毒現(xiàn)象，應(yīng)組織人員立即撤離現(xiàn)場，開啟通風(fēng)系統(tǒng)，保持空氣流通，發(fā)生設(shè)備防爆膜破裂事故時(shí)，應(yīng)停電處理，并用汽油或丙酮擦拭干凈。觀察中毒者，如有嘔吐應(yīng)使其側(cè)位，避免嘔吐物吸入，造成窒息。皮膚、眼部污染時(shí)，應(yīng)立即用清水沖洗，換衣服。氣體絕緣2.3操作與維護(hù)規(guī)范

SF6電氣設(shè)備安裝與主控制室隔離，防止泄漏氣體進(jìn)入主控室。設(shè)備安裝室內(nèi)應(yīng)有良好的排風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)孔應(yīng)設(shè)在室內(nèi)下部，底部應(yīng)設(shè)SF6氣體泄漏報(bào)警器和氧量儀。工作人員不得單獨(dú)或隨意進(jìn)入GIS室，因工作需要必須進(jìn)入時(shí)應(yīng)先排風(fēng)20

min，不準(zhǔn)在設(shè)備防爆膜附近停留。工作人員在進(jìn)入電纜溝或低位區(qū)前，必須測量氧氣含量，若氧氣含量低于18%時(shí)，不得進(jìn)行工作。氣體采樣及處理滲漏時(shí)，工作人員要穿戴防護(hù)用品，并在通風(fēng)條件下進(jìn)行。03伏-秒特性3.1電氣設(shè)備絕緣測試伏-秒特性

對于電氣設(shè)備絕緣，常用伏-秒特性進(jìn)行設(shè)備絕緣配合和設(shè)備選擇。

伏-秒特性是指在同一沖擊電壓波形下，擊穿電壓值與放電時(shí)延（或電壓作用時(shí)間）有關(guān)的特性。

用試驗(yàn)確定間隙伏-秒特性的方法：保持沖擊電壓的波形不變，逐漸升高電壓使間隙發(fā)生擊穿，并根據(jù)示波圖記錄擊穿電壓U與擊穿時(shí)間t。如圖2-4所示為擊穿電壓U與擊穿時(shí)間t的關(guān)系，如圖2-5所示為伏秒特性帶狀比例值。伏-秒特性圖2-4擊穿電壓U與擊穿時(shí)間t關(guān)系圖2-5伏-秒特性帶狀比例值3.2伏秒特性曲線分析伏-秒特性

電氣設(shè)備絕緣的伏-秒特性應(yīng)用在于設(shè)備絕緣配合時(shí)，要求被保護(hù)設(shè)備①伏-秒曲線應(yīng)整體平滑在保護(hù)設(shè)備②伏-秒曲線之上，如圖2-6所示為被保護(hù)設(shè)備的變壓器與和保護(hù)設(shè)備避雷器的伏-秒特性配合關(guān)系。（a）正確配合（b）不正確配合圖2-6被保護(hù)設(shè)備的變壓器①與和保護(hù)設(shè)備避雷器②的伏-秒特性配合關(guān)系04提高氣隙擊穿電壓的措施4.1氣體放電的構(gòu)成提高氣隙擊穿電壓的措施LOREMAMETAMETAMETAMET氣體放電電弧放電電暈放電火花放電輝光放電提高氣隙擊穿電壓的措施

輝光放電是外加電壓增加到一定值時(shí)，通過氣體的電流明顯增加，整個(gè)氣體間隙空間發(fā)光現(xiàn)象，如霓虹管中的放電屬于輝光放電。

電暈放電是在不均勻電場中，當(dāng)電壓升高到一定值后，在電極尖端附近會(huì)出現(xiàn)暗藍(lán)色暈光所形成的局部放電，其本質(zhì)為極不均勻電場所特有的一種自持放電形式。發(fā)生電暈放電時(shí)，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小，發(fā)生電暈時(shí)在電極周圍可以看到光亮，并伴有咝咝聲，如圖2-7所示為電暈放電。限制電暈放電常用措施采用分裂導(dǎo)線法和安裝均壓罩、均壓環(huán)等。如圖2-8所示為避雷器頂部安裝均壓環(huán)。提高氣隙擊穿電壓的措施圖2-7電暈放電圖2-8均壓環(huán)提高氣隙擊穿電壓的措施

火花放電發(fā)生在氣體間隙的兩極，當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，氣體中突然產(chǎn)生明亮的樹枝狀放電火花，當(dāng)電源功率不大時(shí)，這種樹枝狀火花會(huì)瞬時(shí)熄滅，接著又突然的產(chǎn)生。火花放電的特征是具有收細(xì)的通道形式，并且放電過程不穩(wěn)定。

電弧放電是當(dāng)電源功率足夠大時(shí)，氣體發(fā)生火花放電后，樹枝狀放電火花立即發(fā)展至對面電極，出現(xiàn)非常明亮的連續(xù)弧光，形成電弧放電。電弧通道和電極的溫度都很高，電流密度極大，電路具有短路的特征。

根據(jù)湯森放電理論和流注放電理論，氣體作為高壓裝置的絕緣材料，其介電強(qiáng)度與電場分布、電壓波形、電極形狀等有關(guān)，因此通過改善電場分布和電極形狀等措施，可以提高氣隙擊穿電壓，從而提高絕緣水平。4.2提高擊穿電壓措施提高氣隙擊穿電壓的措施4.2.1改變電極形狀

例如采用屏蔽罩、擴(kuò)徑導(dǎo)線等增大電極曲率半徑，或改善電極邊緣形狀以消除邊緣效應(yīng)。如圖2-9所示長空氣間隙的交流擊穿電壓。圖2-9長空氣間隙的交流擊穿電壓提高氣隙擊穿電壓的措施4.2.2利用空間電荷對原電場的畸變作用

例如，利用電暈放電產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻場間隙中電場分布，從而提高間隙的擊穿電壓。4.2.3在極不均勻電場中使用屏障

屏障靠近尖電極或板電極時(shí)，屏障效應(yīng)消失，正、負(fù)極性下出現(xiàn)很大差別。如圖2-10所示為正尖-板間隙中屏障的影響。（a）（b）圖2-10正尖-板間隙中屏障的影響提高氣隙擊穿電壓的措施

屏障應(yīng)靠近尖電極，使比較均勻的電場區(qū)擴(kuò)大。但離尖電極過近時(shí)，屏障上空間電荷的分布將變得不均勻而使屏障效應(yīng)減弱，因此屏障有一最佳位置。如圖2-11所示為直流電壓下尖-板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系。圖2-11直流電壓下尖-板空氣間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系提高氣隙擊穿電壓的措施4.2.4采用高真空

一般說來，空氣中，兩個(gè)金屬電極之間，在施加高電壓后，空氣很容易擊穿，空氣極易電離，形成放電通道，而真空中，沒有或很少有氣體分子，擊穿強(qiáng)度大大提高，這樣很小的距離就有比較高的絕緣強(qiáng)度，使得電器的觸頭間隙可以較小，行程減小，開關(guān)的性能會(huì)提高，結(jié)構(gòu)會(huì)簡單。擊穿電壓和間隙存在一定的線性關(guān)系，還與觸頭材料的熔點(diǎn)、密度、比熱容等有關(guān)，真空開關(guān)的斷流能力可以大大提高。05氣體絕緣材料的應(yīng)用氣體絕緣材料的應(yīng)用5.1GIS組件

GIS組成元件一般包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、母線、避雷器、電纜終端等，按電站主接線的要求，依次連接和組裝成一個(gè)整體。5.2SF6氣體的電氣性能

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，所以SF6不僅用來制作單臺(tái)電氣設(shè)備（如SF6斷路器、避雷器、電容器等），而且發(fā)展成了各種組合設(shè)備，將整套送變電設(shè)備組成一體，密封后充以SF6氣體，如全封閉組合電器、氣體絕緣變電所、充氣輸電管道等。

這些SF6組合設(shè)備具有很多優(yōu)點(diǎn)，可大大節(jié)省占地面積、簡化運(yùn)行維護(hù)。例如，廣州地鐵安裝的110

kV開關(guān)柜是德國西門子8DN9緊湊型戶內(nèi)GIS，它采用SF6斷路器、液壓操作機(jī)構(gòu)，除母線為