华科高电压5+气体电介质的绝缘特性（四）.ppt

高电压技术 高电压工程系刘春tslc1 6电场形式 电压波形与击穿电压的关系 电场形式均匀场稍不均匀场极不均匀场电压波形持续作用电压 直流工频冲击电压 雷电冲击操作冲击 1 6 1均匀电场 分散性小直流击穿电压 工频击穿电压 50 冲击击穿电压均匀电场中空气的击穿电压经验公式 d 间隙距离 cm 空气相对密度 均匀电场 标准大气状态条件 稳态电压作用时 空气间隙的击穿电压峰值Ub与极间距离的关系 1 6 2稍不均匀电场 分散性小直流击穿电压 工频击穿电压 50 冲击击穿电压三者基本相等击穿电压与电场的均匀度相关 越均匀 击穿电压越高出现电晕 即会发展为击穿极性效应 1 6 2稍不均匀电场 极性效应 不接地时 无极性效应 但通常会接地 此时有极性效应 当d D 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d D 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 1 6 3极不均匀电场 波形影响大 分散性大 极性效应明显 极性效应 最高 负棒正板 平均击穿场强约为10kV cm次高 棒棒 平均击穿场强约为4 8 5 0kV cm最低 正棒负板 平均击穿场强约为4 5kV cm 一 直流击穿电压 棒 棒 和 棒 板 空气气隙的直流击穿特性 棒 棒 和 棒 板 长间隙的直流击穿特性 二 工频击穿电压 在棒 板间隙中 击穿总是在棒为正的半周期内 电压达到幅值附近时发生工频击穿电压稍低于直流电压下的击穿电压 这是由于前半周期留下的空间电荷对棒极前方的电场有所加强的缘故 棒 棒间隙的击穿电压棒 板间隙的要高一些 这是由于棒 棒的电场更均匀一些 击穿电压具有 饱和现象 棒 棒 和 棒 板 长气隙的工频击穿特性1 棒 棒2 棒 板 在d2m 击穿电压与气隙距离的关系出现 饱和 趋势 三 雷电冲击50 击穿电压 高于稳态击穿电压 直流击穿电压或工频击穿电压幅值 分散性较大 其标准偏差可取3 击穿通常发生在波尾 和间隙距离大致呈线性关系 即无饱和趋势 因为作用时间短 间隙距离加大后 需要提高先导发展速度才能完成放电 因此击穿电压提高 四 操作冲击50 击穿电压 击穿通常发生在波头部分 击穿电压与波头时间呈现出U形曲线 放电时延和空间电荷共同作用的结果 饱和 效应 形成先导后 放电易于发展 邻近效应 电场分布情况对操作冲击50 击穿电压影响很大 当接地物体靠近放电间隙时 会显著减低正极性击穿电压 稍微提高负极性击穿电压 1 7大气条件对气隙击穿特性的影响 标准大气条件 气压P0 101 3kPa 温度t0 20 绝对湿度f0 11g m3 非标准大气条件要换算到标准大气条件 反映空气密度 一 空气相对密度的影响 气压P增大时 带电粒子的平均自由行程减小 因此在运动中积累的动能就小 击穿电压升高温度T增大时 空气相对密度减小 平均自由行程增大 击穿电压降低 P 气压 kPa t 温度 度 一 空气相对密度的影响 0 95 1 05范围内变动时 间隙的击穿电压与相对密度成正比 实际试验或运行条件下 当 与1相差较大时 须用空气密度校正系数Kd对击穿电压U进行校正 在大气条件下 空气间隙的击穿电压随 的增大而升高 二 湿度的影响 湿度增加 电离能力下降 对放电过程起到抑制作用 湿度越大 间隙的击穿电压也会越高 k是绝对湿度和电压种类的函数 指数 的值取决于电极形状 间隙距离 电压种类及其极性 湿度矫正系数 非标准湿度情况下的击穿电压的换算公式 综合气压 温度 湿度的影响 三 对海拔高度的校正 随着海拔增高 空气密度减小 增大 电离能力增大 间隙的击穿电压降低 我国的国家标准规定 1000m H 4000m地区的电力设施外绝缘实验电压U与平原地区外绝缘的Up的关系为 1 8提高气体间隙击穿电压的措施 两条途径 一 改善电场分布二 削弱气体中的电离过程 一 改进电极形状 增大电极曲率半径改善电极边缘 一 改善电场分布 一 改进电极形状 使电极具有最佳外形 二 利用空间电荷改善电场分布 细线效应D增大后 局部毛刺点的强烈电离 产生刷状放电细线效应只对稳态电压有作用 对雷电波没有作用 三 极不均匀电场中采用屏障 直流电压作用下尖 板的击穿电压和屏障的关系 三 极不均匀电场中采用屏障 DC 棒电极为正极性时正离子聚集在屏障上 并沿表面均匀分布 削弱了正棒头部的强电场在x d 0 2时击穿电压的提高最显著 约为2 3倍 棒电极为负极性时总趋势同与正棒下的屏蔽效应 当屏蔽层离开电极一定距离后 吸附的负离子将加强板前电场 使击穿电压低于无屏蔽的情况 最高提高0 2倍 在中间一段范围内 带屏蔽的击穿电压 不论极性 与均匀电场下的击穿电压接近 三 极不均匀电场中采用屏障 DC 三 极不均匀电场中采用屏障 工频 工频作用下尖 板的击穿电压与屏蔽层位置的关系 工频下 击穿在正半波发生 因此 屏蔽层也可显著提高击穿电压 三 极不均匀电场中采用屏障 总结 屏蔽层插入电晕电极侧 可提高击穿电压 屏蔽层仅对持续作用电压 DC 工频 有效而对雷电波作用很小 二 削弱或抑制电离过程 采用高气压采用强电负性气体采用高真空 一 采用高气压 基本原理 气压提高 减小 动能减小 U提高 1 2 8MPa5 0 1MPa 当气压在10个大气压下时 击穿电压随气压增大线性增加 再提高P 会饱和压缩空气可用于内绝缘 如断路器 高压标准电容等 二 采用强电负性气体 卤化物气体电气强度高 1个大气压 二 采用强电负性气体 卤化物气体电气强度高的原因 1 具有很强的电负性 负离子即削弱电离 又加强复合 2 分子量大 分子直径大 电子的 减小 3 电离过程伴随离解过程 需要更多能量 二 采用强电负性气体 选用卤化物的原则 1液化温度要低 2应具有良好的化学稳定性 3经济上应当合理 价格便宜 能大量供应目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体 第31 二 采用强电负性气体 SF6 SF6的绝缘性能1 强电负性 电气强度高2 对电场均匀度敏感SF6的性能只有在均匀电场中才能充分发挥 在极不均匀场中 击穿电压下降很快 在极不均匀电场中 气压与击穿电压紧密相关 SF6的绝缘性能 针 球气隙中的SF6气体 针极曲率半径1mm 球半径50mm 极间距30mm 在不同类型电压下的击穿电压与压力的关系 空间电荷的作用 使得工频高于雷电随着气压的提高 空间电荷作用减小 因此Ub下降 SF6的绝缘性能 影响绝缘性能的因素 电场均匀度 气压 电极表面缺陷 导电微粒 SF6的液化特性 1 一般不会液化 SF6的液化特性 2 纯净的SF6无毒 但分解物有毒 有腐蚀性电子碰撞 热辐射 光辐射会导致SF6分解如电弧 局放 火花放电等3 水分的危害水分会与气体分解物形成氢氟酸 腐蚀材料 引起凝露 降低表面闪络电压 解决办法 用吸附剂吸附分解物和水分 SF6混合气体的特性 SF6 N2混合气体中的与E p1 纯N2 2 SF6含量为10 3 SF6含量为25 4 SF6含量为50 5 纯SF6 混合气体 N2 CO2 空气与SF6混合降低液化温度降低对电场的敏感度 三 采用高真空 气隙击穿电压与真空压力的关系 接近真空阶段 碰撞电离的几率太小 Ub提高高真空阶段 小距离时 强场发射 金属气化大距离时 全电压效应真空中的Ub与电极材料 表面光洁度 清洁度有关 1 9沿面放电 沿空气与固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电 研究意义 一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面放电电压决定 研究范围 表面干燥 清洁时的沿面放电电压表面潮湿 污秽时的沿面放电电压 1 9沿面放电 沿面放电的几种典型电场分布形式 均匀电场 强垂直分量 弱垂直分量 1 9 1均匀电场中的沿面放电 在平行平板中放置瓷柱 虽然瓷柱不影响电场分布 但放电总发生在瓷柱表面 且击穿电压比纯空气低很多 1 9 1均匀电场中的沿面放电 机理分析 1 固体介质与电极接触不良 空气间隙发生局放 形成的带电粒子沿介质表面移动 在连接处涂导电粉末或者导电胶2 潮气形成水膜 其中的离子在电场下运动 造成沿面电压分布不均 畸变电场 憎水性材料3 在瓷柱表面的凸凹处 发生电场畸变 产生空气间隙击穿 带电粒子分布在固体表面 畸变原有电场 降低了闪络电压 4 固体表面电阻不均 造成泄漏电流的压降分布不均 使电场畸变 降低沿面闪络电压 1 9 1均匀电场中的沿面放电 1 9 2极不均匀场具有强垂直分量的沿面放电 沿套管表面的放电 电晕放电 细丝状的辉光放电 滑闪放电 1 9 2极不均匀场具有强垂直分量的沿面放电 第一阶段 由于接地法兰附近电力线密集 首先出现电晕 第二阶段 随着电压升高 出现平行的许多火花细线 具有辉光放电的特征 第三阶段 电压继续升高 带电粒子的运动造成介质表面局部发热 引起气体热电离 出现树枝状火花 位置不固定 称为滑闪放电 第四阶段 电压再升高 滑闪贯通两级 形成沿面闪络 1 9 2极不均匀场具有强垂直分量的沿面放电 滑闪放电在交流和冲击下表现明显 随电压增加 滑闪长度增长变快 因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显 玻璃管壁变薄 滑闪电压降低 1 9 3极不均匀场具有弱垂直分量的沿面放电 没有热电离和明显的滑闪放电 介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大 沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大 实验表明 这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加 1 9 3极不均匀场具有弱垂直分量的沿面放电 三种情况比较 均匀场中的沿面闪络电压最高 有垂直分量的沿面放电电压低得多 具有强垂直分量的沿面放电电压很低 因为出现了热电离和滑闪放电 提高沿面放电电压的方法 以套管型结构为例 也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为 略去了介质的体积电阻 提高沿面放电电压的方法 链性等值回路的方程 边界条件 提高沿面放电电压的方法 定性来看 电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流 措施 1减小比电容C0可加大瓷套外径 壁厚 或减小介电常数2减小电场较强处的表面电阻 可涂半导体釉 半导体漆等 采用电容式套管 充油式套管 比电容C0的意义 介质单位高度上的表面对导杆的电容 1 9 4固体介质表面有水膜时的沿面