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第三章气隙的电气强度 第一节气隙的击穿时间第二节气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节大气条件对气隙击穿电压的影响第四节较均匀 不均匀电场气隙的击穿电压第五节提高气隙击穿电压的方法 3 1气隙的击穿时间 完成气隙击穿的三个必备条件 1 足够大的电场强度或足够高的电压 2 在气隙中存在能引起电子崩并导致流柱和主放电的有效电子 3 需要有一定的时间 让放电得以逐步发展并完成击穿 完成击穿所用时间都以微秒记 在直流和工频等持续电压下 时间不成问题 但冲击电压的有效作用时间也以微秒记 所以放电时间就成了重要因素了 放电的总时间tb由三部分组成 即 tb tl ts tf ts 统计时延 指从tl到气隙中出现第一个有效电子tf 放电形成时延 从出现有效电子到最终击穿 tlag ts tftlag 放电时延 第七节放电时间和冲击电压下的气隙击穿一 放电时间 3 2气隙的伏秒特性 一 电压波形 一 直流电压直流试验电压大都由交流整流而得 其波形必然有一定的脉动 通常所称的电压值是指平均值 直流电压的脉动幅值是最大值与最小值之差的 半 纹波系数为脉动幅值与平均值之比 国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3 二 工频交流电压工频交流试验电压应近似为正弦波 正负两半波相同 其峰值与有效值之比应在以内 频率一般在45 65Hz范围内 三 标准雷电冲击电压波用来模拟电力系统中的雷电过电压波 采用非周期性双指数波 如图T1 视在波前时间 T2 视在半峰值时间 Um 冲击电压峰值 国际电工委员会 IEC 和我国国家标准规定为 T1 1 2 s 容许偏差 30 T2 50 s 容许偏差 20 通常写成1 2 50 s 并可在前面加上正 负号表示极性 四 标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波 如图 IEC标准和我国国家标准规定为 T1 1 2 s 容许偏差 30 Tc 2 5 s 可写成1 2 2 5 s 标准雷电冲击电压波标准雷电截波 五 标准操作冲击电压波用来等效模拟电力系统中操作过电压波 一般也用非周期性双指数波 IEC标准和我国标准规定为 见下左图 波前时间Tcr 250 s 容许偏差 20 半峰值时间T2 2500 s 容许偏差 60 可写成250 2500 s冲击波 当在试验中上述波形不能满足要求时 推荐采用100 2500 s和500 2500 s冲击波 此外还建议采用一种衰减震荡波 下右图 第一个半波的持续时间在2000 3000 s之间 极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80 标准操作冲击电压波 二 伏秒特性 气隙的伏秒特性 在同一波形 不同幅值的冲击电压作用下 气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系 称为该气隙的伏秒特性 伏秒特性曲线 表示该气隙伏秒特性的曲线 称为伏秒特性曲线 50 冲击击穿电压 U50 指某气隙被击穿的概率为50 的冲击电压峰值 冲击系数 U50 与静态击穿电压Us之比称为冲击系数 均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小 冲击系数 1 极不均匀电场中由于放电时延较长 冲击系数 均大于1 一 伏秒特性曲线的制作 保持一定的冲击电压波形不变 而逐级升高电压 以电压为纵坐标 时间为横坐标 电压较低时 击穿一般发生在波尾 取该电压的峰值与击穿时刻 得到相应的点 电压较高时 击穿一般发生在波头 取击穿时刻的电压值及该时刻 得到相应的点 把这些相应的点连成一条曲线 就是该气隙在该电压波形下的 伏秒特性曲线 实际上伏秒特性具有统计分散性 是一个以上下包线为界的带状区域 工程上 通常取 50 伏秒特性曲线 来表征一个气隙的冲击击穿特性 二 伏秒特性曲线的应用在保护设备和被保护设备的绝缘配合上具有重要的意义 是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据 举例 如果一个电压同时作用在两个并联的气隙S1和S2上 其中一个气隙先被击穿了 则电压被短接截断 另一个气隙就不会再被击穿了 这个原则如用于保护装置和被保护设备 那就是前者保护了后备 设前者的伏秒特性以S2记之 后者的以S1记之 如图3 2 6情况 三 气隙击穿电压的概率分布 不论是在何种电压作用下 气隙的击穿电压都有一定的分散性 即 击穿概率分布特性 研究表明 气隙击穿的几率分布接近正态分布 通常可以用U50 和变异系数Z来表示 用作绝缘的气隙 人们所关心的不仅是其U50 击穿电压 更重要的是其耐受电压即能确保耐受而不被击穿的电压 100 的耐受电压是很难测的 要做无穷次的实验 工程实际中常用对应于很高耐受几率 例如99 以上 的电压作为耐受电压 前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性均对应于标准大气条件和正常的海拔高度 由于大气的压力 温度 湿度等条件都会影响空气的密度 电子自由行程长度 碰撞电离及附着过程 所以也必然会影响气隙的击穿电压 海拔高度的影响与此类似 随着高度的增加 空气的压力和密度均会下降 正由于此 在不同的大气条件和海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较 我国的国家标准所规定的标准大气条件为 压力p0 101 3kpa 760mmHG 温度t0 20 或T0 293K 绝对湿度hc 11g m3 3 3大气条件对气隙击穿电压的影响 在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0之间可以通过相应的校正因数进行如下换算 式中Kd 空气密度校正因数 Kh 湿度校正因数 空气的密度与压力和温度有关 空气的相对密度 式中p 气压 kPa T 温度 K 在大气条件下 气隙的击穿电压随 的增大而提高 当 处于0 95 1 05的范围内时 气隙的击穿电压几乎与 成正比 即此时的空气密度校正因数Kd 因而 U U0 气隙不长 例如不超过1m 时 上式能足够精确的使用于各种电场形式和各种电压类型下近似的工程估算 一 对空气密度的校正 研究表明 对更长空气间隙来说 击穿电压与大气的关系并不是一种简单的线形关系 而是随电极形状 电压类型和气隙长度而变化的复杂关系 Kd如下式计算 式中指数m n与电极形状 气隙长度 电压类型及极性有关 值在0 4 1 0的范围内变化 具体取值可参考有关国家标准的规定 大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子 这对气体的放电过程起着抑制作用 可见大气的湿度越大 气隙的击穿电压也会增高 在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 因而湿度影响不太明显 可以忽略不计 例如用球隙测量高电压时 只要按空气相对密度校正其击穿电压就可以了 而不必考虑湿度的影响 在极不均匀电场中 湿度影响就很明显了 可用下面的湿度校正因数来校正 Kh k 式中因数k与绝对温度和电压类型有关 而指数 之值取决于电极形状 气隙长度 电压类型及其极性 具体值亦可参考有关国家标准 二 对湿度的校正 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Kn 即U KaUp 2 9 式中H 安装点的海拔高度 m 三 对海拔的校正 3 4气隙的击穿电压 一 较均匀电场气隙的击穿电压1 在均匀电场中 电场是对称的 故击穿电压与电压极性无关 由于间隙各处的场强大致相等 不可能出现持续的局部放电 故起始放电电压就等于气隙的击穿电压 不同电压波形作用下 击穿电压实际上相同 且分散性很小 对于空气 可以用以下的经验公式表示 KV peak 式中 空气的相对密度S 气隙的距离 cm 2 稍不均匀电场稍不均匀电场的结构形式有多种多样 常遇到的较典型的电场结构形式有 球 球 球 板 圆柱 板 两同轴圆筒 两平行圆柱 两垂直圆柱等 对这些较简单的 有规则的 较典型的电场 有相应的计算击穿电压的经验公式或曲线 而用时 可参阅有关的手册和资料 3 影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素 电场结构 大气条件 还有邻近效应等 二 不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场的特征 各处场强差别很大 在所加电压小于整个间隙击穿电压时 可能出现局部的持续的放电 由于持续的局部放电的存在 空间电荷的积累对击穿电压的影响很大 导致显著的极性效应 对很不均匀电场 只要宏观上保持原有的电场布局和气隙最小距离不变 则电极的具体形状 尺寸和结构的改变 对击穿电压的影响不大 预先对几种典型的电场的气隙 如棒 棒或线 线 棒 板或线 板作出击穿电压和气隙距离的关系曲线 在工程上遇到的各种不均匀电场 其击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计 一 直流电压作用下 总结 二 工频电压作用下 表示中等距离空气间隙的工频击穿电压曲线 图3 5 2棒 棒和棒和板空气间隙的工频击穿电压与间隙距离的关系 结论 击穿总是发生在棒极为正半波时 结论 气隙较大时 S大于2 5m 击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向 特别是棒 板气隙 其饱和趋向更明显 三 雷电冲击电压作用下实验表明 导线 平板气隙的U50 与棒 板气隙的十分接近 不论正 负极性 在缺乏线 板击穿电压的具体数据的时候 可以用棒 板的击穿数据来估计 图3 5 4 另外 棒 棒和棒 板的击穿电压曲线是各种不均匀电场气隙击穿电压曲线的上下包络线 这点对设计很有用 图3 5 4气隙的冲击击穿电压与距离的关系 四 操作冲击电压作用下1 波形的影响 一般均指 正极性 情况 图3 5 8不同性质电压作用下棒 板气隙的击穿电压与气隙距离的关系 2 饱和现象 长气隙在操作电压作用下呈现显著的 饱和现象 图3 5 9棒 棒和棒 板间隙的操作冲击击穿电压 3 分散性大 五 叠加性电压作用下工程实际中 作用在气隙上的电压常常是由不同性质电压叠加的 而不是单一性质的 注意 同一气隙对叠加性电压的 耐受程度与对单一性电影的耐受程度是不同的 当工作电压是稳态直流时 两者的差异更显著 3 5提高气隙击穿电压的方法 一 改善电场分布一般说来 电场分布越均匀 气隙的击穿电压就越高 故如能适当地改进电极形状 增大电极的曲率半径 改善电场分布 就能提高气隙的击穿电压 不仅要注意改善高压电极的形状以降低该电极旁边的局部场强 还要注意改善接地电极和中间电极的形状 以降低该电极旁边的局部场强 常用办法 增大电极的曲率半径 简称屏蔽 二 采用高度真空从气体撞击游离的理论可知 将气隙抽成高度的真空能抑制撞击游离的发展 提高气隙的击穿电压 注意 高真空中 击穿机理发生了变化 撞击电离的机制不起主要作用 而击穿与强场发射有关 应用 真空断路器中用作绝缘和灭弧 三 增高气压增高气体的压力可以减小电子的平均自由行程 阻碍撞击游离的发展 从而提高气隙的击穿电压 在一定的气压范围内 增高气压对提高气隙的击穿电压是极为有效的 但是容器的密封比较困难 即使做到了密封 造价也比较昂贵 四 采用高耐电强度气体卤族元素的气体 六氟化硫 SF6 氟里昂 CCl2F2 等耐电强度比气体高的多 采用该气体或在其他气体中混入一定比例的这类气体 可以大大提高击穿电压 卤族物有高耐电强度的原因 卤族元素 尤其是F和CL 分子具有很强的电负性 易俘获电子形成负离子 使电离能力很强的电子数减少 且形成负离子以后 易与正离子相复合 这些气体的分子量较大 分子直径较大 使电子在其中的自由程缩短 不易积聚能量 从而减小了其撞击电离的能力 高耐电强度气体除了具有较高的耐电强度以外 还应具有较好的物理化学性能 才能在工程上得到广泛应用 如 液化温度要低 在大气压力下和常温下是液态的物质 不能采用 如CCL4在大气压力下和常温下是液态 有良好的化学稳定性 不易腐蚀其他材料 不易燃 不易爆 无毒 即使在放电的过程中也不易分解等 对环境无明显的负面影响 氟里昂对大气中的臭氧层有破坏作用 故不能采用 有实用的经济性 能大量的供应 SF6气体得到了广泛的应用 用于高压断路器 高压充气电缆 高压电容器等 以及用SF6绝缘的全封闭组合电器 五 SF6气体的应用SF6气体除了具有很高的电气强度以外 还具有优异的灭弧能力 利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧媒质制成的各种电力设备和封闭式组合电器具有一系列突出的优点 如大大节省占地面积和空间体积 运行安全可靠 简化安置维护等 发展前景十分广阔 第三章作业 1 什么叫间隙的伏秒特性曲线 它有什么作用 2 试举例提高气隙 气体间隙 击穿电压的各种方法 第四章固体 液体和组合绝缘的电气强度 第一节固体介质的击穿特性第二节液体电介质的击穿特性 4 1固体电介质的击穿特性 一 固体击穿理论电击穿理论 类似于气体电介质那样 由于电场的作用使电介质中的某些带电质点积聚的数量和移动的速度达到一定程度时 使电介质失去了绝缘的性能 形成导电通道 这样的击穿称为电击穿 热击穿理论 在电场的作用下 由于电介质损耗和泄漏等原因而使固体电介质内发的的热量大于散失的热量 使介质温度不断上升 最终造成介质本身的破坏 转化成导电通道 这样的击穿称为热击穿 电化学击穿理论 固体介质在长期工作电压的作用下 由于介质内部发生局部放电等原因 是绝缘劣化 电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿 在临近最终击穿阶段 可能因劣化处温度过高而以热击穿形式完成 也可以因劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成 二 影响固体介质击穿电压的主要因素 电压的作用时间温度电场均匀度和介质厚度电压频率受潮度的影响机械力的影响多层性的影响累积效应的影响 三 提高固体击穿电压的方法1 改进绝缘的设计 如采取合理的绝缘结构 使各部分绝缘的耐电强度能与共所承担的场强有适当的配合 改善电极形状及表面光洁度 尽可能使电场分布均匀 把边缘效应减到最小 改善电极与绝缘体的接触状态 消除接触处的气隙或使接触处的气隙不承受电位差 2 改进制造工艺 尽可能地清除固体电介质中残留的杂质 气泡 水分等 使固体介质尽可能做得均匀致密 这可以通过精选材料 改善工艺 真空干燥 加强浸渍等方法来实现 3 改善运行条件 如注意防潮 防止尘污和各种有害气体的侵蚀 加强散热冷却 四 固体介质的老化老化 电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列物理变化 如固体介质软化或熔解 低分子化合物及增塑剂的挥发 和化学变化 如氧化 电解 电离 生成新物质 致使其电气 机械及其他性能逐渐劣化 1 环境老化 光氧老化 主要 臭氧老化 盐雾酸碱等污染性化学老化 2 电老化 电介质在电场的长时间作用下 会逐渐发生某些物理化学变化 例如电解 电离 氧化等 形成新的物质 逐渐使介质的物理 化学性能发生不可逆的劣化 最终寻致被击穿 这个过程称为电老化 3 热老化 在较高温度下 固体介质会逐渐热老化 热老化的主要过程为热裂解 氧化裂解 交联 以及低分子挥发物的进出 热老化的象征大多为介质失去弹性 变僵硬 变脆 发生龟裂 设备 绝缘寿命 与其 工作温度 之间的关系 蒙辛格热老化规则 该类设备绝缘的工作温度如提高10 或8 6 绝缘寿命便缩短到原来的一半 4 2液体电介质的击穿特性 一 击穿理论 一 电子碰撞电离理论当外电场足够强时 在阴极产生的强场发射或因肖特基效应发射的电子将被电场加速而具有足够的动能 在碰撞液体分子是可引起电离 使电子数加倍 形成电子崩 与此同时由碰撞电离产生的正离子将在阴极附近集结词性成空间电荷层 增强了阴极附近的电场 使阴极发生的电子数增多 当外加电压增大到一定程度时 电子崩电流回急剧增大 从而导致液体介质的击穿 二 气泡击穿理论 在交流电压下 串联介质中的电场分布是与介质的 r成反比的 由于气泡的 r最小 1 其电气强度又比液体介质低得多 所以气泡先发生电离 气泡电离后温度上升 体积膨胀 密度减小 这促使电离近一步发展 电离产生的带电离子撞击油分子 使它又分解出气体 导致气体通道扩大 如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥 击穿就可能在此通道中发生 又称为小桥理论 三 提高液体击穿电压的方法1 提高并保持油品质2 覆盖3 绝缘层4 极间障 二 影响液体击穿电压的因素1 液体本身的介质品质2 电压作用的时间3 电场情况4 温度5 压强 第四章作业 1 液体的热击穿的发生过程 电气设备绝缘试验概述 为了保证电气设备乃至整个电力系统的安全可靠运行 必须恰当的选择各种电气设备的绝缘 包括绝缘材料和绝缘结构 使之具有一定的电气强度 并且使绝缘在运行过程中保持良好的状态 但是由于种种原因 绝缘仍然是电力系统中的薄弱环节 绝缘故障通常是引发电力系统事故的首要原因 电介质理论仍远未完善 各种绝缘材料和绝缘结构的电气性能还不能仅依靠理论分析计算来解决问题 而必须同时借助于各种绝缘试验来检验和掌握绝缘的状态和性能 各种试验结果也往往成为绝缘设计的依据和基础 一 电气设备绝缘试验的必要性 绝缘试验按后果分可分为 非破坏性试验和破坏性试验 非破坏性试验主要检测绝缘除电气强度以外的其他电气性能 是在较低电压下或用其他不损伤绝缘的方法进行的 具有非破坏性的特性 破坏性试验则检测绝缘的电气强度 如耐压试验和击穿试验 具有破坏性的特征 所加的试验电压很高 以考验绝缘耐受各种过电压的能力 试验过程有可能给被试绝缘带来不可逆转的局部损伤或整体损坏 为了准确全面的掌握电气设备绝缘的状态和性能 这两类试验都是不可缺少的 为了避免不必要的损失 一般将破坏性耐压试验放到非破坏性试验合格通过之后再进行 二 电气设备绝缘试验的定义 三 电气设备绝缘试验的分类 绝缘试验 检查性试验 非破坏性试验 耐压试验 破坏性试验 1 工频高压试验2 直流高压试验3 冲击高压试验 1 绝缘电阻与吸收比的测量2 泄漏电流的测量3 介质损耗角正切的测量4 局部放电的测量 5 1测定绝缘电阻 绝缘电阻是反映绝缘性能的最基本的指标之一 通常用兆欧表来测量 绝缘电阻 电介质在加压无穷长时间测得的电阻称为绝缘电阻 一般情况下 R60接近于稳态绝缘电阻值 实际中常用R60代替之 即R60 R 1 兆欧表的原理电压线圈LV和电流线圈LA相互垂直地固定在同一转轴上 并处在同一个永久磁场中 仪表的指针也固定在此转轴上 转轴上没有装弹簧游丝 所以当线圈中没有电流时 指针可停在任一偏转角的位置 当测量某一试品Rx时 流过线圈LV和LA的电流使其产生两个相反方向的转动力矩 在两转矩差值的作用下 线圈带动指针旋转 直到两个转矩相互平衡时为止 即 或 2 兆欧表测量套管绝缘的接线 线路端子 L 接被试品的高压导体 接地端子 E 接被试品外壳或地 屏蔽端子 G 接被试品的屏蔽环或别的屏蔽电极 体积绝缘电阻的测量 按图5 1 2所示接线 在心柱出头附近的套管表面圈一金属屏蔽环极 就经由端子G直接流回发电机负极 通过体积绝缘电阻的漏导电流流经电流测量线圈 从而反映到指针的偏转中去 测量绝缘电阻能有效地发现下列缺陷 1 总体绝缘质量欠佳 2 绝缘受潮 3 两极间有贯穿性的导电通道 4 绝缘表面情况不良 比较有无屏蔽极时所测值即可知 测量绝缘电阻不能发现下列缺陷 1 绝缘中的局部缺陷 2 绝缘的老化 吸收比K 绝缘体在加电压60s与15s时分别所测得的绝缘电阻值的比值 称为吸收比 即作为相互比较的共同标准 如果绝缘良好 则比值应大于某一定值 极化指数P 绝缘体在加电压后10min和1min分别所测得的绝缘电阻值的比值 称之为极化指数 即极化指数P是用来反映大中型电气设备的绝缘状况 如绝缘良好 则此比值应不小于某一定值 5 2测定泄漏电流 泄漏电流的测量原理和绝缘电阻的测量原理一致 本试验是将直流高压加到被试品上 测量流经被试绝缘的泄漏电流 实际上也就是测量绝缘电阻 一 泄漏电流测量的特点 1 加在试品上的直流高压比兆欧表的工作电压高得多 能发现兆欧表所不能发现的某些缺陷 2 兆欧表刻度的非线性度很强 尤其在接近高量程段 刻度甚密 难以精确分辨 微安表的刻度则基本上是线性的 能精确读取 2 由于施加在试品上的直流高压是逐渐增大的 所以可以在升压过程从所测电流与电压关系的线性度 即可指示绝缘情况 如下图 曲线1 良好绝缘曲线2 受潮绝缘曲线3 有集中性缺陷的绝缘曲线4 有危险的集中性缺陷的绝缘 2 3 4 二 试验接线图 测量泄漏电流的两种测试电路 1 微安表接在被试品低压侧和大地之间 被试品的低压极不直接接地时 采用图5 2 1所示电路 为减小测量误差 应将测量系统和被试品低压极用屏蔽系统S全部屏蔽起来并接地 保护电阻R并联电容C 2 微安表接在高压侧 被试品的一