提高气体间隙击穿电压的措施

三 采用屏障 由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙空间的产生 运动和分布密切有关 所以在气隙中放置形状和位置合适 能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障 也是提高气体介质电气强度的一种有效方法 屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷 这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小 从而使整个气隙的电场分布均匀化 屏障用绝缘材料制成 但它本身的绝缘性能无关紧要 重要的是它的密封性 拦住带电粒子的能力 它一般安装在电晕间隙中 其表面与电力线垂直 如图 虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强度反而增大了 但其电场形状变得更象两块平板电极之间的均匀电场 所以整个气隙的电气强度得到了提高 有屏障气隙的击穿电压与该屏障的安装位置有很大的关系 以 棒一板 气隙为例 最有利的屏障位置在x 1 5 1 6 d处 这时该气隙的电气强度在正极性直流时约可增加为2 3倍 但当棒为负极性时 即使屏障放在最有利的位置 也只能略微提高气隙的击穿电压 例如20 而在大多数位置上 反而使击穿电压有不同程度的降低 在冲击电压下 屏障的作用要小一些 因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少 显然 屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了 三 影响击穿场强的其它因素 气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论击穿场强 这是因为有许多影响因素会使它的击穿场强下降 此处仅介绍其中两种主要影响因素 即电极表面缺陷和导电微粒 可以看出 GIS的工作气压越高 则Ra对Eb的影响越大 因而对电极表面加工的技术要求也越高 电极表面粗糙度大时 表面突起处的局部电场强度要比气隙的平均电场强度大得多 因而可在宏观上平均场强尚未达到临界值时就诱发击穿 除了表面粗糙度外 电极表面还会有其它零星的随机缺陷 电极表面积越大 这类缺陷出现的概率也越大 所以电极表面积越大 SF6气体的击穿场强越低 这一现象被称为 面积效应 2 导电微粒 设备中的导电微粒有两大类 即固定微粒和自由微粒 前者的作用与电极表面缺陷相似 而后者因会在极间跳动而对SF6气体的绝缘性能产生更大的不利影响 吸附分解物和吸附水分 常用的吸附剂有 活性氧化铝和分子筛通常对于不存在电弧和火花的场合 吸附剂的放置量不小于SF6气体重量的10 约隔五年更换一次 对于存在电弧和火花的场合 吸附剂的放置量和更换周期应按电弧强度和频度等因素决定 3 含水量 水分是SF6气体中危害最大的杂质 因为 水分会影响气体的分解物与HF形成氢氟酸 引起材料的腐蚀与导致机械故障低温时引起固体介质表面凝露 使闪络电压急剧降低 控制气体含水量的措施 避免在高湿度气体条件下进行装配工作 安装前所有部件都要经过干燥处理 保证良好的密封 否则会使设备内的SF6气体泄漏到大气中去 而大气中的水气也会渗入设备内 五 六氟化硫混合气体 SF6气体价格较高液化温度不够低对电气不均匀度太敏感 目前国内外都在研究SF6混合气体 以期在某些场合用SF6混合气体来代替SF6气体 目前已获工业应用的是SF6 N2混合气体 主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧材料 采用的混合比通常为50 50 或60 40 六 气体绝缘电气设备 一 封闭式气体绝缘组合电器 GIS GIS由断路器 隔离开关 接地刀闸 互感器 避雷器 母线 连线和出线终端等部件组合而成 全部封闭在SF6金属外壳中 与传统的敞开式配电装置相比 GIS具有下列突出优点 第六章输电线路防雷 输电线路是电力系统的动脉 由于线路很长 地处旷野 容易遭受雷击 因此电力系统的雷害事故多发生在线路上 内容提要 1 输电线路雷害的方式有那些 2 输电线路中感应雷过电压是怎样形成的 3 输电线路的耐雷水平有多高 4 线路的雷击跳闸率是多少 5 输电线路的防雷措施有哪些 引言 输电线路中雷害的方式有两种 一种是雷击于线路引起的直击雷过电压 另一种是由于电磁感应引起的感应雷过电压 输电线路防雷性能的好坏用耐雷水平和雷击跳闸率来描述 耐雷水平是指雷击线路时 线路绝缘不发生冲击闪络所能承受的最大雷电流幅值 雷击跳闸率是指每100km长的线路每年由于雷击引起的跳闸次数 6 4输电线防雷措施 1 架设避雷线 2 降低接地电阻 3 架设耦合地线 4 采用不平衡绝缘 5 装设自动重合闸 6 采用消弧线圈接地方式 7 装设管型避雷器 8 加强绝缘 我国线路防雷现状及技术综述 一 电力系统的电压等级是如何划分的 依据是什么 电晕 电能污染 资料 1kV 0 4kV 0 22kV 36V 高压 低压 普通高压1 250kV HV 超高压250 1000kV EHV 特高压1000kV及以上 UHV 电压等级划分的级差为2 3倍 二 为什么采用高电压 电力系统输送的电能P正比于电压的平方 U2 反比于系统阻抗Z 而系统阻抗Z正比于线路长度L 所以P正比于U2 反比于L 所以采用高电压是大功率远距离输电的要求 要实现大功率远距离输电唯一可行的措施就是采用高电压 作为二次能源 输送电能要较输送一次能源经济 快捷 安全 方便 清洁 6倍多 6倍 输电电压等级与输送自然功率 以220kV输送自然功率132MW为基准 例 用青壳纸和电缆纸作绝缘的10 5kV 10MW的发电机 改用粉云母纸作绝缘 其他条件不变时 发电机容量就提高到12 5MW 可见绝缘限制了设备的容量 2 绝缘限制了设备的寿命 3 绝缘限制了电力系统的投资 1 因为绝缘限制了设备的温升 限制了温升也就限制了设备的容量 体积和重量 高电压下的绝缘问题 因为在电力系统三大技术材料 导电材料 导磁材料和绝缘材料 中绝缘的影响力最大 三 要采用高电压首先要解决的技术问题是什么 四 如何解决绝缘问题 1 寻找和研制新型的绝缘材料 例 由于瓷吹避雷器使作用在被保护设备上的残压降低 使原设计额定电压为400kV的输变电系统升压为500kV的系统 而绝缘被破坏的最主要原因就是电力系统过电压 2 限制作用在绝缘上的过电压 五 高电压技术课程讲授的两个问题 绝缘问题和过电压问题是本课程的两大内容 一 补充的基本概念1 放电 在电场的作用下由于游离使流过电介质电流增大的现象 2 击穿 电介质在电场作用下丧失其绝缘性能 形成沟通两极的放电 3 击穿电压 使电介质失去其绝缘性能所需要的最低 临界 外加电压 4 击穿场强 在均匀电场中 使电介质失去其绝缘性能所需要的最低 临界 外加电场强度 5 绝缘强度 电介质不失去其绝缘性能所能承受的最高 临界 外加电场强度 6 绝缘水平 电气设备出厂时保证承受的试验电压 三 伏安特性曲线 伏安特性曲线 电介质在电场作用下 流过电介质的电流与外加电压的关系曲线 B U UA A I 0 UB UC C O A段 电流随着电压的升高而增大 但此时电流很小 饱和电流密度为10 19A cm2的数量级 电阻率达1022 m 空气处于良好的绝缘状态 流过间隙的电流为泄漏电流 B点以后 电流为微安级 C点以后 流过间隙的电流急剧加大 由于回路中串联了保护电阻 此时放电管两端的电压略有下降 2 伏安特性曲线 四 汤逊理论 20世纪初 汤逊从均匀电场 低气压 低于26 66kpa cm 短间隙气隙的气体放电实验出发 总结出较系统的气体放电理论 汤逊理论的实质是电子崩理论 汤逊理论 六 汤逊理论的适用范围 汤逊理论适用于低气压 短间隙 均匀电场 间隙的划分 2cm以下的为短间隙 2 100cm为一般间隙 100cm及以上的为长间隙 汤逊理论解释不了一般间隙 标准大气压下气隙的放电 1 按汤逊理论计算的击穿电压比实际值高 2 按汤逊理论计算的击穿所需时间比实际值长 3 一般间隙的击穿电压与阴极材料无关 4 放电形状不同 二 极性效应 1 极性效应 不对称极不均匀电场中曲率半径小的电极所带电荷极性对击穿电压的影响 引出 同一个针对板的不对称极不均匀电场 极间距离为4cm 当针极为正时 击穿电压是35kV 当针极为负时 击穿电压是80kV 而针对针的对称极不均匀电场 极间距离是4cm时 击穿电压为45kV 为什么会有这么大的区别 2 分析 针极为正 板极为负 针极附近产生的电晕 带电粒子定向运动 正离子向板极运动 由于速度慢 就在针极附近形成电荷积累区 使未游离区的电场强度增大 而导致击穿电压降低 试验数据 1 均匀电场的击穿场强为30kV cm 极不均匀电场的平均击穿场强为5kV cm 随着间隙距离的增大 击穿电压随着增大 但击穿场强是随着降低的 因为击穿电压的增加速度没有距离增加的速度快 2 在极不均匀电场的情况下 不管棒 板间隙或是不同直径的球 板间隙 击穿电压和距离的关系曲线都比较接近 就是说 在极不均匀电场中 击穿电压主要决定于间隙距离 而与电极形状的关系不大 因此在工程实践中常用棒 板或棒 棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考 3 在工频电压作用下 棒 板间隙的击穿总是发生在棒的极性为正 电压达幅值时 并且其击穿电压 幅值 和直流电压下的正棒 负板的击穿电压相近 棒 棒间隙的平均击穿场强为3 8kV 有效值 cm或5 36kV 幅值 cm 棒 板间隙稍低一些 约为3 35kV 有效值 cm或4 8kV 幅值 cm 以330kV线路用19片绝缘子为例 相电压为209 5kV 如果每片绝缘子分担的电压相等 则每片绝缘子分担的电压约为11kV 盘式绝缘子的起晕电压为22 25kV 按理说330kV线路绝缘子上不应该发生电晕 但事实上 330kV线路在正常设计和运行时就有电晕 为什么 五 绝缘子串上的电位分布 其原因是绝缘子上的电位分布是不均匀的 第一片绝缘子上分担的电压为11 5 相电压 即24 1kV 已经超过起晕电压 为什么电压分布是不均匀的呢 五 绝缘子串上的电位分布 电容 任意两点之间有电位差 又存在中间介质的话就可以等效出电容 通常绝缘子的等效电容为50 70pF 绝缘子与铁塔之间的等效电容为4 5pF 五 绝缘子串上的电位分布 由于导线与绝缘子铁脚之间也存在电位差 同样存在着杂散电容 此电容一般为0 5 1pF 七 绝缘子污染状态下的沿面放电 污闪 环境应力 雨 露 雪 雾 风等气候条件和工业粉尘 废气 自然盐碱 灰尘 鸟粪等污秽物的污染 闪络形成 毛毛雨 雾 露等不利天气时 污层将被水分湿润 电导增大 工作电压下泄漏电流增大 绝缘子表面上不断延伸发展局部电弧 称为爬电 一旦达到某一临界长度时 自动贯穿两极 形成沿面闪络 污闪可分为积污 受潮 干区形成 局部电弧的出现和发展 积污地点 城市 农村 化工厂 火电厂 冶炼厂等重污染地区 污层受潮条件 多雾 常下毛毛雨 易凝露地区 长期干旱 污闪事故后果大于雷击事故后果 因为雷击仅发生在一点 可实现自动重合闸 停电短 影响小 污闪一般为一片地区 难实现自动重合闸 停电长 影响大 污闪事故的对策 一 调整爬距 增大泄漏比距 爬电比距指外绝缘 相 地 之间的爬电距离与系统最高工作 线 电压之比 二 定期或不定期的清扫 带电水冲洗 三 涂料 常用有机硅油 有机硅脂 地蜡等 涂后效果好 但价格贵 寿命短 近年采用的室温硫化硅橡胶涂料 憎水性强 寿命长 四 半导体釉绝缘子 五 新型合成绝缘子 有机硅橡胶合成绝缘子的防污性能比普通绝缘子要好得多 它是由承受外力负荷的芯棒 内绝缘 和保护芯棒免受大气环境侵袭的伞套 外绝缘 以及金属连接附件组成复合结构绝缘子 玻璃钢芯棒是用玻璃纤维束经树脂浸渍后通过引拔模加热固化而成 具有极高的抗张强度 至目前为止 硅橡胶仍是最理想的伞套材料 它的电气强度高 憎水性强 耐污性能好 在不同温度下性质稳定 新型复合绝缘子具有一系列瓷质绝缘子无可比拟的优点 首先它的防污闪性能优良 运行中不需要清扫 其次重量轻 体积小 抗拉强度高 抗弯强度高 制造工艺简单 汤逊理论与流注理论的异同 在1米以上的长间隙中 流注放电的间歇式发展 要用热游离提供的更多带电粒子形成等离子区的先导放电去解释 短 一般 长间隙中的气体放电的过程 短间隙 电子崩一般间隙 电子崩 流注 主放电长间隙 电子崩 流注 先导 主放电气体间隙的放电 取决于碰撞游离数的多少 碰撞游离数等于碰撞次数与游离率的乘积 碰撞次数取决于气体分子数的多少 因气压和温度的改变要改变气体的密度 故其影响气体间隙的击穿电压 在不均匀电场中放电是逐段向前发展的 空气湿度加大 水分子易俘获电子 减少了碰撞游离因子 故其击穿电压提高 分子的分子结构不同 其游离能大小不同 分子的直径加大 使电子的自由行程减小 其碰撞次数虽增加但累积的动能减小 使碰撞游离概率减小得更多 故其放电电压提高 均匀电场中 各点的电场强度相等 电场强度低于气体的绝缘强度时不存在电晕放电 能充分发挥间隙中全部气体的绝缘性能 故其放电电压最高 不均匀电场 以其不对称 极不均匀电场的棒板电场和对称的极不均匀电场的棒棒电极电场为例 棒端电场强度最高 间隙中大部分的电场强度虽低于气体的绝缘强度 但最高电场强度若超过了气体的绝缘强度 则发生电晕放电 棒极带正电荷时 空间正电荷会增加未游离区的场强 使游离易于发展 故其击穿电压最低 而棒带负电荷时 空间正电荷使未游离区的场强降低 阻碍游离发展 其击穿电压就高得多 故不对称电场具有极性效应 由于点火电子的出现和碰撞游离的发展都需要时间 故电压作用时间是气体放电的三要素之一 放电时间是统计时延及放电形成时延之和 统计时延的长短与外界游离因素的作用等相关 具有统计性 故放电时间不是固定的 可以提前或滞后 放电时间