_雷电操作下气体间隙的击大气对击穿电压的影响课件

高电压技术高电压技术 李 化 第1篇 电介质的电气特性 1 气体电介质的绝缘特性 2 3 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.1 雷电冲击电压标准波形 3 u 非周期性双指数衰减波（标准） u 参数： 示在波头时间： T1=1.2 s30% 示在波尾时间： T2=50 s20% 标准波形通用写法 1.2/50 s 雷电冲击危害设备绝缘；eg，输电线路落雷，闪络；侵入波过电压等 冲击电压发生器产生冲击电压模拟雷电引起的过电压 4 概念 u 静态击穿电压长时间作用（持续电压作用下）在气隙上能 使气隙击穿的电压； p 仅为必要条件，要使间隙击穿，必须使该电压持续作用一 段时间 u 击穿时间（放电时间）从开始加压的瞬间起到气隙完全被 击穿的时间。 n 试验研究表明：对空气间隙施加冲击电压，要使间隙击穿不仅需要足 够高的电压，有引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子， 需要电 压作用一定的时间让放电得以发展才能发生击穿。 n 冲击电压作用时间很短，因此其击穿电压与冲击电压随时间的变化规 律有关。 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.2 放电时延 5 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.2 放电时延-构成 5 tst1tf tlag tb U u t Us u第一阶段 升压时间t1（0Us静态击穿电压 ）：击穿过程可能并未开始 p对于持续电压（直流、工频 电压）：此阶段电压升到Us ，气隙即被击穿； p非持续电压下（雷电、操作 冲击电压）：由于t1非常短， 即使电压升到Us ，气隙不立 即击穿。-无有效电子 p自由电子的出现需要时间 p电子-负离子 p电离终止 6 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.2 放电时延-构成 tst1tf tlag tb U u t Us u 第二阶段 统计时延ts（Us 出现第一个有 效电子）：击穿过程开始，具有 统计性 p 由于有效电子的出现是一个 随机事件，取决于很多偶然 因素，所以ts具有分散性。 pts每次都不一样，要确定ts就 要记录多个时间值进行统计 ，故称为统计时延。 pts（平均值）的影响因素：电 极材料、外加电压、光照射 、电场情况。 7 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.2 放电时延-构成 tst1tf tlag tb U u t Us u 第三阶段 放电形成时延tf（出现第一个有 效电子气隙被击穿 ）：具有统 计性 p 对于汤逊理论：过程+过程 气隙被击穿； p 对于流注理论：电子碰撞电 离+流注的形成气隙被击穿 ptf的影响因素：间隙长度、电 场均匀度、外加电压； 8 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.2 放电时延-构成 放电时间构成的总结 tst1tf tlag tb U u t Us u 总放电时间tb tbt1 + ts + tf（统计性） u 放电时延tlag tlag= ts + tf （统计性） 9 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.2 放电时延 u 间隙距离越短，电场越均匀，tf越小，tstf ，放电 时延主要取决于统计时延ts 提高外施电压 人工光源照射 u 较长的间隙，不均匀电场，局部场强很高，出现有 效电子的概率增加，统计时延较小。放电时延主要 取决于放电形成时延tf ，且电场越不均匀则tf越长， 提高外施电压 10 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.3 雷电冲击50%击穿电压（U50%） u 50%冲击击穿电压击穿百分比为50%的击穿电压。 p 由于放电时延和放电时间均具有统计分散性，多次重复施 加电压时可能有几次击穿而另几次没击穿。随着电压的提 高，发生击穿的百分比将越来越大。 p 工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压U50% 来表 征气隙的冲击击穿特性。在实际中施加10次电压有46次 击穿，就可认为这一电压为气隙的U50% 冲击击穿电压。 11 1. 雷电冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 u 击穿电压分散性小， U50% 和Us(静态击穿电压）相差很小； p 冲击系数 p 均匀电场、稍不均匀电场： 1 2. 雷电冲击电压下极不均匀电场的击穿特性 u 放电形成时延tlag比较长； u 击穿电压分散性大，标准偏差取3%， U50% 和Us相差很大； p 极不均匀电场： 1 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.3 雷电冲击50%击穿电压（U50%） 12 u 极性效应：棒板更为明显； u 雷电冲击50击穿电压较工频击穿电压的峰值要高。 【作用 时间短，当间隙距离加大后，需要提高先导发展速度才能完 成放电，因而导致击穿电压提高】 u 雷电冲击50% 击穿电压和间隙距离大致呈线性关系。 图125 “棒棒”和“棒板”长空气间隙的雷电冲击U50%和极间距离d的关系 1正极性“棒板”；2正极性“棒棒”；3负极性“棒棒”；4负极性“棒板” 13 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.4 伏秒特性 p 考虑放电时延的必要性 放电电压与电压作用时间有很大关系，仅靠50%击穿电压 来表征间隙的击穿特性是不全面的，击穿特性用击穿时的 电压和时间两个参量来表示。 用间隙上出现的电压最大值和 间隙击穿时间的关系曲线来表 示间隙的冲击绝缘特性，此曲 线称间隙的伏秒特性。 14 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.4 伏秒特性 14 保持冲击电压波形不变， 逐渐提高冲击电压的峰值 电压较低，放电时 间长，击穿发生在 波尾（图中1） 电压较高，放电时 间短，击穿发生在 波头（图中2、3） 将1、2、3点连接完成伏秒特 性曲线 纵坐标：冲击 电压幅值 横坐标：放电 时间 纵坐标：冲击 电压瞬时值 横坐标：放电 时间 15 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.4 伏秒特性 n 间隙伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。 n 在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高， 放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线较平坦； n 在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长 ，伏秒特性曲线较为陡峭。当间隙较长时，击穿通常发 生在波尾。 16 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.4 伏秒特性 u 实际曲线 由于放电时间具有分散 性，于是每一级电压下 可得一系列放电时间， 所以实际上伏秒特性是 以上、下包线为界的带 状区域。 p注意：工程上，常采用将平 均放电时间各点相连所得的 平均伏秒特性或 50% 伏秒特 性曲线来表征一个气隙的冲 击击穿电压。 图127 伏秒特性带与50%伏秒特性 1上包络线， 250%伏秒特性，3下包络线， 4U50% 17 1.5 1.5 雷电冲击雷电冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.5.4 伏秒特性 u 主要用于比较不同设备绝缘的冲击特性，即用于绝缘配合。 S1 被保护设备的伏秒特性曲线 S2 保护设备的伏秒特性曲线 u 总结： 为了使被保护设备得到可靠的保 护，被保护设备绝缘的伏秒特性 曲线的下包线必须始终高于保护 设备的伏秒特性曲线的上包线。 1 气体电介质的绝缘特性 18 1919 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 电力系统中存在电容和电感，进行操作或 者发生事故时会引起震荡过程，造成很高的过 电压，成为操作过电压。 绝缘设计：早期用工频放电电压乘以系数 方法来确定操作冲击电压；但随着电网电压等 级的提高，操作过电压下的绝缘问题突出，在 此基础上开展试验研究，发现了新的特点和现 象。这些特点对超高压和特高压输电线路及配 电装置空气间隙的距离确定具有重要意义。 2020 非周期性双指数衰减波 u 参数： 波前时间：T1=250 s20% （反应上升速度） 半峰值时间：T2=2500 s60% （反应下降速度） 标准波形通用写法 250/2500 s 非周期双指数冲击波 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.1 操作冲击电压标准波形 2121 衰减震荡波 n 衰减震荡操作冲击波 u 参数： 波前时间：T1=10001500 s （反映上升速度） 极性相反的第二个半波的峰值 约为第一个半波峰值的80% 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.1 操作冲击电压标准波形 22 1. 操作冲击电压下均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 u 与雷电冲击50%击穿电压、工频击穿电压（峰值）相同， 且分散性小 u 击穿发生在峰值 2. 操作冲击电压下极不均匀电场的击穿特性 图2-12 极性效应 p 正极性下50击穿电 压比负极性下低 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.2 操作冲击50%击穿电压 23 波形的影响 p“U形曲线”是放电时延 和空间电荷(形成及迁移) 这两类不同因素的影响所 造成的。 p对应极小值的波前时间随 着间隙距离加大而增加。 对7m以下的间隙，在50 200s这段时间内，击穿 最易发生。 图130 “棒板”间隙正极性操作冲击U50%与 波头时间T1的关系 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.2 操作冲击50%击穿电压 实验表明，非振荡操作冲击电压下的闪络电 压随波前时间的增加而减小，约在100 s- 500 s范围内达到最低值，而半峰时间对闪 络电压影响较小，因为闪络几乎总是发生在 波峰之前或在波峰处。 24 波形的影响“U形曲线” p左半支：当波前时间从临界值 逐渐减小时，留给放电发展的 时间缩短了，相当于放电时延 减小了，必然要求有更高的电 压才能击穿。 p右半支：留给放电发展的时间 已经足够长，棒极附近同号的 空间电荷有时间被驱赶到离棒 极较远的地方，使空间电荷不 再集中在棒极附近，使得空间 电荷造成的附加电场减弱，不 利于放电进一步发展。 图130 “棒板”间隙正极性操作冲击U50%与 波头时间T1的关系 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.2 操作冲击50%击穿电压 25 50击穿电压极小值的经 验公式 u 当间隙距离为115m时，“ 棒板”间隙的正极性操作 冲击U形曲线底部的最小击 穿电压U50%（min）: （MV） 图131 “棒板”间隙的不同类型电压作用下的实验曲线 1在不同T1值下得出的U50（min）；2+250/2500s操作冲击电压； 3工频交流电压；4+1.2/50s雷电冲击电压 u在一定波前时间范围内，U50%甚至会比工频击穿电压低，呈现 出“U形曲线”。故对于220kV的超高压输电系统和电力设备，应 按操作过电压的电气特性进行绝缘设计。 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.2 操作冲击50%击穿电压 26 饱和现象 p随着气隙长度增加， “饱和”现象十分明显。电气强度 最差的“棒板”间隙饱和现象最为严重。 分散性大 p由于空间电荷的形成、扩散和放电时延具有很大的统计 性，所以操作冲击电压作用下间隙的击穿电压的分散性 比雷电冲击电压下大得多，在极不均匀电场中的相对标 准偏差可达5%8%。 1.6 1.6 操作冲击操作冲击作用下气体间隙的击穿作用下气体间隙的击穿 1.6.2 操作冲击50%击穿电压 1 气体电介质的绝缘特性 27 p （稍）不均匀场中击穿电压的极性效应 p 饱和效应 28 课程回顾课程回顾- -1.4 1.4 气体间隙的稳态击穿电压气体间隙的稳态击穿电压 稍不均匀电场中，电 晕起始电压就是其击 穿电压，所以起晕电 压较低的负极性下击 穿电压略低于正极性 下的数值 p工频击穿电压具有“饱和 现象”：距离加大，平均击 穿场强明显降低，棒板间 隙尤为严重 正棒负板tf ，放电时延主要取决于统计时延ts 提高外施电压 人工光源照射 u较长的间隙，不均匀电场，局部场强很高，出现有效电子的概率增加，统计时延 较小。放电时延主要取决于放电形成时延tf ，且电场越不均匀则tf越长， 提高外施电压 n 标准波形:250/2500s p U形曲线的成因 30 课程回顾课程回顾- -1.61.6操作冲击操作冲击作用下气体间隙的作用下气体间隙的击穿击穿 u 参数： 波前时间：T1=250 s20% （ 反应上升速度） 半峰值时间：T2=2500 s60% （反应下降速度） 标准波形通用写法 250/2500 s p“U形曲线”是放电时延和空 间电荷(形成及迁移)这两类不同 因素的影响所造成的。 p对于220kV的超高压输电系统 和电力设备，应按操作过电压的 电气特性进行绝缘设计 1 气体电介质的绝缘特性 31 32 u 我国的国家标准规定的标准大气条件： p 压力：P0=101.3KPa（760mmHg） p 温度：t0=20或T0=293K p 绝对湿度：h0=11g/m3(每立方米水蒸气11克） 1.7 1.7 大气条件对间隙击穿电压的影响大气条件对间隙击穿电压的影响 n 空气间隙和电气设备外部绝缘的击穿电压会受 到气压、温度、湿度等大气条件的影响 n 在不同大气条件下的击穿电压必须换算到标准 大气条件下才能进行比较。 33 式中： P气压，kPa； t温度， 。 （一）空气密度的影响 u 空气的密度与压力和温度有关 1. 空气的相对密度 2. 大气条件下，气隙的击穿电压随的增高而提高。 密度增加 单位体积内粒子 数目增多 虽然自由电子碰撞次数多，但 自由行程短，碰撞有效性差 电离数很低击穿电压高 34 n 实验表明，空气间隙的击穿电压Ub和标准大气条件下的 击穿电压Ubs的关系为： （1）工频交流电压、正极性操作冲击电压波， （1 li 6），式中li为绝缘的长度（对绝缘子即串的净长，对空气间 隙即间距），单位为m；对其他的li，n1。 （2）正极性雷电冲击电压，n1。 n 当空气相对密度在0.951.05范围内变动时，间隙的击 穿电压与近似成正比，即实验或运行条件下的击穿电 压 （一）空气密度的影响 35 （二）湿度的影响 大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高 p 大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，对气体 的放电过程起着抑制作用 均匀和稍不均匀电场中，湿度影响不太明显 p 均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强 度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获 极不均匀电场中，湿度影响很明显 p 极不均匀电场中，放电开始时，电场强度比较低，出现电 晕放电，这时电子运动速度较慢，容易被水分子俘获 对工频交流电压， H=1+0.0125（11-h） 对对雷电电及操作冲击电压击电压 ，H=1+0.009(11-h) 。 36 综合气压、温度、湿度的影响，在试验或运行条件下的间隙击穿 电压Ub和标准大气条件下的击穿电压Ubs可以进行如下换算 上式既适用于空气间隙的击穿电压，也适用于外绝缘的沿面 闪络电压。当实际试验条件不同于标准大气条件时，应将 试验标准中规定的标准大气条件下的试验电压值换算成实 际的试验电压值。 37 （三）海拔高度的影响 1. 海拔高度越大，气隙的击穿电压越低 u 海拔越高空气越稀薄大气压力和相对密度越小击穿电 压降低 2. 我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m 、但不 超过4000m 处的电力设施外绝缘，其外绝缘试验电压U 应为平原地区外绝缘的试验电压Up 乘以海拔校正因数Ka U = Ka Up H为电为电 力设备设备 安装地点的海拔高度，m，Ha:1000-4000 38 在标准大气条件下，某距离为在标准大气条件下，某距离为4m4m的棒的棒- -极间隙的极间隙的