气体介质的电气强度.ppt

气体介质的电气强度,主要内容,空气间隙的放电时间 冲击电压波形的标准化 伏秒特性和击穿电压的概率分布 均匀与稍不均匀电场间隙的击穿特性 大气条件对间隙击穿特性的影响 提高气体介质电气强度的方法,影响空气间隙放电电压的因素主要有： 电场情况：均匀、稍不均匀、极不均匀 电压形式：直流电压、交流电压、雷电冲击电压 、操作冲击电压 大气条件：气压、温度、湿度,一、空气间隙的放电时间,最低静态击穿电压U0 击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、放电发展时间tf 、放电时延 tl 短间隙(1厘米以下) tfts ，平均统计时延 较长的间隙中 tl主要决定于tf 间隙上外施电压增加，放电发展时间也会减小,持续作用电压 直流电压、工频电压 与电压的变化速度相比，放电发展所需时间可以忽略不计 。当气体状态不变时，一定距离的间隙的击穿电压具有确定的数值，当间隙上的电压升高达到击穿电压时，间隙击穿 非持续作用电压 操作过电压、雷电过电压 持续时间极短（以微秒计），放电发展所需时间不能忽略不计，间隙的击穿特性具有新的特点,二、冲击电压波形的标准化,雷电冲击电压标准波形 Tl1.2s（30%） T250s（20%）,二、冲击电压波形的标准化,雷电冲击截波电压标准波形 Tl1.2s（30%） T225s,操作冲击电压标准波形,推荐波形为2502500 s 波前时间允差（30%） 半峰值时间允差（60%）,二、冲击电压波形的标准化,三、伏秒特性和击穿电压的概率分布,50%冲击击穿电压 击穿电压的分散性 求50%冲击击穿电压的方法 冲击系数 空气间隙的伏秒特性,伏秒特性,以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性 在间隙上缓慢地施加直流电压，达到静态击穿电压U0后，间隙中开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间 = tl，在此时间内电压 上升 击穿完成时间隙上的电压 应为U0+U,伏秒特性的制订方法 工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性 伏秒特性用实验方法求取 放电时间具有分散性，实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域,伏秒特性的用途,间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布 伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义,对1 起保护作用,在高幅值冲击电压作用下， 不起保护作用,四、均匀与稍不均匀电场间隙的击穿特性,均匀电场中的击穿电压 1. 直流、工频击穿电压（峰值）以及50冲击击穿电压都相同。击穿电压的分散性较小,2. 均匀电场中空气的击穿电压(峰值)，相应的经验公式为 式中 d 间隙距离，（cm） 空气相对密度 当d不过于小时（d 1cm），均匀电场中空气的电气强度（峰值）大致等于30kV/cm,稍不均匀电场中的击穿电压 1. 不能形成稳定的电晕放电 2. 电场不对称时，极性效应不很明显 3. 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大 4. 击穿电压和电场均匀程度关系极大，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高 球球间隙，球板间隙，同轴圆柱间隙,球球间隙,当dD/4，电场相当均匀，直流电压、工频电压及冲击电压作用下，击穿电压都相同 当dD/4，大地对电场的畸变作用使间隙电场分布不对称，Ub有极性效应 电场最强的电极为负极性时的击穿电压略低于正极性时的数值 同一间隙距离下，球电极直径越大，由于电场均匀程度增加，击穿电压也越高,影响击穿电压的主要因素是间隙距离 选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究 棒(尖)板 ：电场分布不对称 棒(尖)棒(尖) ：电场分布对称 根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离 直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性较大，且极性效应显著,五、极不均匀电场间隙的击穿特性,1. 直流电压下的击穿电压,极性效应：尖尖电极间的击穿电压介于极性不同的尖板电极之间 棒板间隙：棒具有正极性时，平均击穿场强约为4.5kV/cm；棒具有负极性时约为l0kV/cm 棒棒间隙的平均击穿场强约为4.85.0kV/cm,2. 工频电压下的击穿电压,击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系 棒棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值)，棒板间隙的约为4.8kV/cm(幅值) “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 d1m， 5 kV/cm dlm，2 kV/cm,雷电,在图所示范 围内击穿电压和间隙距离呈直线关系,由于放电时延较长，通常冲击系数大于l，击穿电压的分散性也大一些，其标准偏差可取为3% 棒板间隙有明显的极性效应，棒棒间隙也有不大的极性效应,操作,极不均匀电场中的操作击穿有许多特点,特点,极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电压比负极性下低，所以也更危险 电场分布的影响 “邻近效应” ：接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响,3.波形的影响,在一定的波前时间范围内，U50 甚至会比工频击穿电压低 ，呈现出 “形曲线” 对应于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，大致在50200s之间 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,分散性大 对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压，极不均匀电场间隙50击穿电压的标准偏差约为5；波前时间超过1000s以后，可达8左右（工频及雷电冲击电压下均约为3） “饱和”现象 和工频电压下类似，极不均匀电场中操作冲击50击穿电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征（雷电冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系 ）,六、大气条件对间隙击穿特性的影响,空气密度 湿度 海拔高度,五、提高气体间隙击穿电压的措施,两个途径： 一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程,(一）改进电极形状以改善电场分布,增大电极曲率半径 减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等 改善电极边缘 电极边缘做成弧形；尽量使其与某等位面相近 使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属扁球；墒洞边缘做成近似垂接线旋转体,（二）利用空间电荷畸变电场的作用,极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生的空间电荷改善电场分布，提高击穿电压 直径D20mm及16mm时，击穿电压曲线的直线部分和尖一板间隙相近 导线直径减为3mm以至0.5mm时，击穿电压曲线的直线部分陡度大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近 “细线效应”,（三）极不均匀电场中屏障的采用,在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高间隙的击穿电压 原理是屏障积聚空间电荷，改善电场分布 随着屏障位置不同，击穿电压发生了很大的变化，尖电极的极性不同，屏障的影响也有别,尖电极为正极性 屏障离尖电极过近，屏障效应将随之而减弱 尖电极为负极性 屏障离开尖电极一定距离，设置屏障反而将降低间隙的击穿电压 屏障离尖电极过近，仍有相当的屏降效应,工频电压下屏障的作用 设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。 雷电冲击电压下屏障的作用 尖电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间隙的击穿电压 负极性时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有屏障时相差不多,（四）高气压的采用,减小电子的平均自由行程，削弱电离过程 例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/51/8，提高压力至11.5MPa，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到采用 如：高压空气断路器、高压标准电容器等,均匀电场中的击穿电压,在一定的压力范围内，击穿场强的提高遵循巴申定律，并且击穿场强大致和气压成正比 大约从1MPa开始，实验结果和巴申定律的分歧就逐渐明显了,不均匀电场中的击穿电压 不均匀电场中提高气压后，间隙的击穿电压也将高于大气压强下的数值 在高气压下，电场均匀程度对击穿电压的影响比在大气压力下要显著得多，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低,（五）高真空的采用,削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压 高真空中击穿机理发生了改变,距离较小时，间隙的击穿和阴极的强场放射密切有关 分散性很大：电极材料、电极表面的光洁度及清洁度,含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气的要高很多。称为高电气强度气体,（六）高电气强度气体的采用,卤化物气体电气强度高的原因 1由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电离能力，同时又加强复合过程 气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞电离能力 电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力,对高电气强度气体的要求 1液化温度要低，采用高电气强度气体时，常常同时提高压力，以便更大程度的提高间隙的击穿电压，缩小设备的体积和重量。所以这些气体的液化温度要低，以便在较低的运行温度下，还能施加相当的压力 2应具有良好的化学稳定性，不易腐蚀设备中的其它材料，无毒，不会爆炸，不易燃烧，即使在放电过程中也不易分解等 3经济上应当合理，价格便宜，能大量供应,目前工程上已得到采用的是六氟化硫（SF6）。SF6除了其电气强度很高