高电压技术ppt课件.ppt

3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 静态击穿电压U 长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压 击穿时间tb 从开始加压的瞬时起到气隙完全击穿为止总的时间称为击穿时间 1 升压时间t 电压从零升到静态击穿电压U 所需的时间 2 统计时延ts 从电压达到U 的瞬时起到气隙中形成第一个有效电子为止的时间 3 放电发展时间tf 从形成第一个有效电子的瞬时起到气隙完全被击穿为止的时间 4 t1 ts tft1 放电时延 3 2气隙的伏秒特性 一 电压波形1 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 2 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 3 雷电冲击电压 为了模拟雷电电压而制定的 标准的雷电冲击全波 非周期的双指数波1 2 50us 参数 视在波前时间视在半峰值时间峰值允许误差 截波 模拟雷电冲击波被某处放电而截断的波形 参数 视在波前时间截断时间截波峰值Uc 截断时间Uj 4 操作冲击电压 模拟电力系统中的操作过电压波250 2500us 参数 波前时间半峰值时间峰值允差 二 伏秒特性 1 概念气隙的伏秒特性 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 2 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 3 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 3 3大气条件对气隙击穿电压的影响 一 标准大气条件压强P 101 3KPa温度湿度 二 影响1 气隙的击穿电压随着大气密度或湿度的增加而升高 原因 大气密度升高而击穿电压升高 随着空气密度的增大 气体中自由电子的平均自由程缩短了 不易造成撞击电离 湿度的增加而击穿电压升高 水蒸汽是电负性气体 易俘获自由电子形成负离子 使自由电子的数量减少 阻碍了电离的发展 2 国标GB T16927 1 1997提出了大气校正因数Kt 1 2 式中U0为标准大气条件下 外绝缘破坏性放电电压值 Kd为空气密度校正因数 Kh为空气湿度校正因数 关于Kd和Kh值的求取教材56 57页有详细的说明 3 4电场在不同电压下的击穿电压 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 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 还有邻近效应和照射效应 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 板空气间隙的工频击穿电压与间隙距离的关系 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强场 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 4 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第三节组合绝缘 4 1固体电介质的击穿特性 一 固体击穿理论固体电介质的击穿有两种不同的性质 第一种是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 第二种是在电场的作用下 由于电介质损耗和泄漏等原因而使固体电介质内发出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 二 影响固体击穿电压的因素1 电压作用时间的影响 注意临界点 图4 1 1电工纸板的击穿电压与电压作用时间的关系 2 温度 临界温度是 热击穿和电击穿的分界点 电击穿 热击穿 图4 1 2瓷的击穿电压与温度的关系 均匀电场 交变电压 3 电场均匀度和介质厚度的影响 均匀电场 电击穿 击穿电压与厚度无关 不论电压的性质 电压作用的时间长短 热击穿 厚度越大 击穿电压越小 不均匀电场 电击穿和热击穿均随介质厚度的增大 击穿电压减小 4 电压频率的影响 电击穿领域 若电场均匀度不变 击穿电压与频率无关 热击穿领域 5 受潮度的影响 某些具有吸水性的固体介质 含水量升高 则击穿电压减小 6 机械力的影响 机械力使孔隙缩小 则击穿电压上升 机械力使致密的介质产生裂缝 如该固体介质放在气体中 则气体将充填到裂缝内 造成击穿电压下降 7 多层性的影响8 累积效应的影响 实验指出 不完全击穿具有累积效应 即介质的击穿电压随着过去承受过的不完全击穿次数的增加而降低 三 提高具体击穿电压的方法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 电老化主要有三种类型 即电离性老化 电导性老化和电解性老化 前两种主要在交流电压下产生 后一种主要在直流电压下产生 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 8 或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 击穿理论电击穿 热击穿 或 杂质击穿 小桥理论 小桥理论 液体中所含的杂质在电场力的作用下沿电力线排列形成杂质 小桥 由于组成此 小桥 的纤维及水分等的电导较大 使泄漏电流增大 发热增加 最终造成液体的击穿 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 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 四 液体介质的老化 一 变压器油的老化过程1 油老化的现象和特征 颜色逐渐深暗 从淡黄色变为棕褐色 从透明变为浑浊 粘度增大 闪燃点增高 灰分和水分增多 酸价增加 绝缘性能变坏 表现在电阻率降低 介质损耗增大 击穿电压降低 出现沉淀物 2 主要原因 绝缘油老化的主要机理是油的氧化 3 过程 新油在与空气接触的中逐渐吸收氧气 吸收的氧气将与油中的不饱和碳氢化合物起化学反应 形成饱和的化合物 这