第3章 气体间隙的击穿强度

.,第3章气体间隙的击穿强度,3.1稳态电压下的击穿3.2雷电冲击电压下的击穿3.3操作冲击电压下的击穿3.4大气密度和湿度对击穿的影响3.5SF6气体间隙中的击穿3.6提高气体间隙击穿电压的措施,.,气体击穿电压与电场分布有关均匀、稍不均匀、极不均匀气体击穿电压与电压形式有关直流、交流、雷电冲击、操作冲击气体击穿电压与气体种类有关空气、电负性气体气体击穿电压与气体状态有关气体的气压、温度、湿度、海拔高度,影响气体间隙击穿电压的主要因素,.,气体放电理论可以解释规律，不能准确计算间隙击穿电压。,怎么办呢？,试验数据,.,3.1稳态电压下的击穿,稳态电压：直流与工频电压均为持续作用的电压，这类电压随时间的变化率很小，在放电发展所需时间内（以微秒计），外施电压的变化可忽略不计的电压。,.,3.1.1均匀电场中的击穿,均匀场工程实践中非常少见！为什么呢？,静电电压表,式中d间隙距离，cm；空气相对密度。,均匀电场中空气的击穿场强（峰值）为30kV/cm。,.,在均匀电场中，从自持放电开始到间隙完全击穿的放电时延可以忽略不计，因此相同间隙的直流击穿电压与工频击穿电压（幅值）都相同，且击穿电压的分散性也较小。均匀电场中空气间隙的击穿电压经验公式为：,（kV）,图稳态电压作用时空气间隙的击穿电压的峰值Ub与极间距离d的关系,均匀电场的击穿特点是击穿前无电晕，无极性效应，直流、交流、正负冲击电压的击穿电压是相同的，均可用此经验公式计算。,Ub随着d的增大而显著增加；Eb基本不变，但随着d过大，电场的均匀强度减弱，则Eb会稍稍下降。在d=110cm的范围内，其击穿场强约30kV/cm。,.,.,特点：（1）均匀电场中电极布置对称，击穿无极性效应；（2）均匀场间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短，其直流击穿电压、工频击穿电压峰值、50%冲击击穿电压相同；（3）击穿电压的分散性很小。,.,特点,击穿前不能形成稳定的电晕放电；电场不对称时，有极性效应，不很明显；直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50冲击击穿电压相同，分散性不大；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。,典型电极球球间隙、球板间隙、圆柱板、同轴圆柱间隙,3.1.2稍不均匀电场中的击穿,.,加拿大魁北克省水电局研究所高电压试验室尺寸826751.2m3,（1）球间隙（eg：高压实验室中的测量球隙）,.,11,若两球对称布置，其中任何一球都不接地，测量对地对称的直流电压时，无极性效应，但通常是一球接地使用，如图1.12所示，由于大地的影响，电场分布不对称，因而有极性效应。,.,12,图3-3一球接地时，直径为D的球隙的击穿电压Ub与间隙距离d的关系,当d1，冲击击穿电压的分散性也较大。,.,因为U50%只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性。同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50%是不同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。,.,图为标准雷电冲击电压下棒板及棒棒间隙的U50%和距离的关系。,1.正棒-板2.正棒-棒(接地)3.负棒-棒(接地)4.负棒-板,棒板间隙具有明显的极性效应，棒棒间隙也具有不大的极性效应。这是由于大地的影响，使不接地的棒极附近电场增强的缘故。,U50%与间隙距离间保持良好的线性关系。,.,一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压，而且还必须有充分的电压作用时间。,对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击穿电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共同表示。,同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值较高但持续时间较短，可能反而不被击穿。,伏秒特性,.,伏秒特性对某一冲击电压波形，间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。,用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变（T1/T2一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿，并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。,.,伏秒特性的制定方法（用实验方法求取）,保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值,电压较低，放电时间长，击穿发生在波尾（图中1、2）,电压较高，放电时间短，击穿发生在波头（图中3）,将1、2、3点连接完成伏秒特性曲线,纵坐标：冲击电压幅值,横坐标：放电时间,纵坐标：冲击电压瞬时值,横坐标：放电时间,.,放电时延具有分散性,.,电场均匀程度对曲线的影响,均匀或稍不均匀电场形状：曲线较为平坦；原因：由于击穿时平均场强较高，流注发展较快，放电时延很短。,极不均匀电场形状：曲线较陡；原因：由于击穿时平均场强较低，而且流注总是从强场区向弱场区发展，放电速度受到电场分布影响，所以放电时延长。,.,伏秒特性曲线主要用来比较不同设备绝缘的冲击击穿特性。,如果一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1和S2上，其中一个气隙先击穿，则电压波被短接截断，另一个就不会再击穿。,S2始终处于S1的下方，在任何电压波形下，S2都比S1的先被击穿。这个原则如用于保护装置和被保护设备，则就是S2保护了S1。,.,若两间隙伏秒特性曲线相交，则在时延较短的区域S1先被击穿，在时延较长的区域S2先被击穿，在两曲线交叉区域，可能是S1先被击穿，也可能是S2先被击穿。因此S2不能可靠保护S1。,总结：为了使被保护设备得到可靠的保护，被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线。,具有较陡伏秒特性曲线的保护设备不容易与具有平伏秒特性的被保护设备配合。所以不能用保护间隙、管型避雷器来保护变压器。,伏秒特性的正确配合,.,1、放电时间的组成为：td=t1+ts+tf2、标准雷电冲击电压波形：1.2/50s3、冲击电压下气隙的击穿特性（1）采用击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击穿特性；（2）伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。,小结：,.,3.3操作冲击电压下的击穿,电力系统的输电线及电气设备具有电感和电容性，由于系统运行状态的突变，导致电感和电容元件间的电磁能转换，引起振荡性的过渡过程。该过程会在某些电气设备和电网上造成很高的电压，远远超过正常运行的电压，称为操作过电压。操作过电压的幅值、波形与电力系统的电压等级有关。过渡过程的振荡基值等于系统运行电压，电压等级越高，操作过电压幅值也越高。这与雷电过电压不同，后者取决于接地电阻，与系统电压等级无关。,.,操作过电压波形随电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大的变化。为了模拟操作过电压，需要规定标准波形。,1、操作冲击电压的标准波形,IEC标准：T1/T2=250(20)/2500(60)s,附加推荐：100/2500s或500/2500s,.,衰减震荡操作冲击波,参数：波前时间：Tcr=10001500s（反应上升速度）极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%,另外建议一种衰减振荡波,.,操作冲击电压的作用时间：介于工频电压与雷电冲击电压之间。在均匀场和稍不均匀场中,操作冲击U50%、雷电冲击U50%、直流放电电压和工频放电电压等幅值几乎相同，分散性不大。在极不均匀场中,操作冲击表现出许多新的特点：U形曲线；极性效应；饱和现象；分散性大。,2、操作冲击50击穿电压的特点,.,棒-板气隙的操作冲击击穿电压,（1）U形曲线,曲线呈U形，波前时间在某一区域内，气隙的50%击穿电压具有极小值，称为临界击穿电压，与此相应波前时间称为临界波前时间。间隙距离d增大时，临界波前时间随之增大。d1MPa.mm,（气压较低）,.,P0.2MPa,偏离巴申曲线,可能与电极表面状况有关！,.,（1）由图中可见击穿场强并不与气压成正比，而是增加得少一些。,（2）在稍不均匀电场中，极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀电场中的情况是相反的，此时负极性下的击穿电压反而比正极性时低10左右。冲击系数很小，雷电冲击时约为1.25，操作冲击时更小，只有1.051.1。,.,3.5.2极不均匀电场中的击穿,（1）气压升高击穿电压并不总是增加，出现了驼峰现象（0.1-0.2MPa),电场越不均匀驼峰现象越明显。,（2）在出现击穿驼峰的气压范围内，雷电冲击击穿电压明显低于稳态击穿电压。,原因很复杂，可能与空间电荷的运动有关，出现电晕与先导放电。在驼峰区，冲击电压下击穿基本由先导放电引起。,.,电场不均匀程度对SF6击穿电压的影响远比对空气的影响大,异常情况工频击穿电压随气压的变化，曲线存在“驼峰”（0.1-0.2MPa工作气压下）；“驼峰”区雷电冲击电压明显低于静态击穿电压。,注意：SF6只用于均匀或稍不均匀电场，不能用于极不均匀电场。,.,与均匀电场中的击穿电压相比，SF6在极不均匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。SF6优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分的发挥。,电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大。,在设计以SF6气体作为绝缘的各种电气设备时，应尽可能使气隙中的电场均匀化，采用屏蔽等措施以消除一切尖角处的极不均匀电场，使SF6优异的绝缘性能得到充分的利用。,.,3.5.3影响击穿场强的因素,（1）电极表面缺陷,表面缺陷几个微米至几十个微米对空气的击穿场强影响不大，但对SF6影响非常大。实际工程中电极表面粗糙度系数只有0.7左右。,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。,实际击穿场强与理论击穿场强的比值,.,Emin,.,（2）导电微粒的影响,固定导电微粒（毛刺）；,极不均匀场击穿特性,跳动，需要深入研究，交、直流不一样,自由导电微粒（金属碎屑）,.,.,(3)固体介质表面状态,固体介质表面污秽、凝露,放电电压就大大降低,.,3.5.4快速暂态过电压下的击穿,GIS中开关操作会产生快速暂态过电压（VeryFastTransientOvervoltage,VFTOorVFT),由隔离开关操作引起的快速暂态过电压实例,VFTO中振荡频率的分布,.,稍不均匀场：波前陡，击穿电压高,极不均匀场：波前陡，击穿电压低,VFT击穿电压极低,.,3.6提高气隙击穿电压的措施,改善电场分布,消弱电离过程,改善电场分布，使之尽量均匀（内因）利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）,.,改善电场分布的措施,电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：,增大电极的曲率半径消除电极表面的毛刺消除电极表面尖角,.,增大电极曲率半径如变压器套管端部加球形屏蔽罩、采用扩径导线等（截面相同，半径增大）。,（1）改变电极形状例如采用屏蔽罩、扩径导线等增大电极曲率半径，或改善电极边缘形状以消除边缘效应。,.,改善电极边缘电极边缘做成弧形，以消除边缘效应，同时电极表面尽量避免毛刺、棱角以消除电场局部增强的现象。,.,使电极具有最佳外形如穿墙高压引线上加金属扁球，墙洞边缘做成近似垂链线旋转体。,.,长空气间隙的交流击穿电压,.,.,（2）利用空间电荷对原电场的畸变作用,由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放电，所以在一定条件下，还可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。,.,利用空间电荷畸变电场,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，使电场均匀度提高，从而提高击穿电压；直径D20、16mm时，击穿电压曲线的直线部分和棒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”,当导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿电压会随导线直径的减小而提高，出现所谓“细线效应”。,.,此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。,1D=0.5mm2D=3mm3D=16mm4D=20mm虚线棒-板电极间隙点划线均匀场间隙,导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系,.,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。,（3）极不均匀电场中屏障的使用,.,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。,.,在电场极不均匀的气隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高气隙的击穿电压。,屏障作用的原理,x,棒极附近产生电晕，产生带电粒子,正离子沿电场向负极板运动,正离子遇到固体绝缘材料被拦截下来,均匀的排列在固体绝缘材料的左侧,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。,.,对负棒-板间隙，屏障的作用效果某些部分与正棒-板相似,但是有许多不同的地方，说明如下：当屏障较靠近板极处，间隙击穿电压反而降低。因为无屏障时，负离子扩散于空间，部分消失于电极，影响电场分布的主要是正离子，它削弱了前方的电场。但是设置屏障后，屏障上聚集大量的负离子影响了电场分布，加强了前方电场。因此屏障较远离棒极后，设置的屏障反而减低了间隙的击穿电压。当屏障离棒极过近时，仍然具有屏障作用。因为电子速度高，可以穿透屏障，从而屏障上无法聚集大量负电荷，而屏障另一边由电离造成的正电荷被屏障阻挡，使屏障带正电，因此屏障和板极间的电场被削弱，当屏障紧靠棒极时，仍具有屏蔽效应.,.,影响屏障气隙的击穿电压的因素：屏障位置及棒电极的极性,当棒为正极性屏障在间隙的任何位置都会增加击穿电压值。当时最有利；当棒为负极性屏障离棒极很近时，有一定的屏障效果；屏障离开棒电极一定距离，设置屏障反而降低间隙的击穿电压,.,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棒电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间隙的击穿电压棒极性为负时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有屏障时相差不多,.,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。,.,高气压的采用,采用改善电场分布，来提高击穿电压的方法，其平均击穿场强仍然均匀电场中大气压下空气的电气强度(约30kV/cm)，这个数值并不高，可见常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。,提高气体压力，减小电子的平均自由行程，可以削弱气体中的电离过程，提高击穿电压。,均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系,12.8MPa的空气20.7MPa的SF63高真空4变压器油50.1MPa的SF66大气,.,图131为不同气压的空气和SF6气体、电瓷、变压器油、高真空等的电气强度比较。从图上可以看出：28MPa的压缩空气具有很高的击穿电压。,1-空气，气压为2.8MPa5-电瓷2-SF6，0.7Mpa6-SF6,0.1Mpa3-高真空7-空气,0.1Mpa4-变压器油,.,但采用高气压会对电气设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求，往往难以实现。如果用SF6来代替空气，为了达到同样的电气强度，只要采用07MPa左右的气压就够了。,1-空气，气压为2.8MPa5-电瓷2-SF6，0.7Mpa6-SF6,0.1Mpa3-高真空7-空气,0.1Mpa4-变压器油,.,采用高气压时，下面因素的影响应给予注意：,（1）电场均匀度的影响,在高气压下，电场均匀度对击穿电压的影响比在大气压力下显著的多。电场均匀度下降，击穿电压降剧烈降低。所以采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀。,（2）电极表面状态的影响,在高气压下，气隙的击穿电压与电极表面的粗糙度有很大的关系。湿度、表面污物等因素在高气压下对气隙击穿电压的影响比常压下显著。,高气压下，应尽可能采用均匀电场，电极表面应光洁，气体要滤去尘埃和水分。,.,采用高气压方法的缺点:(1)到达一定限度后，设备密封困难，成本大大提高。(2)提高到10个大气压后，再提高气压，效果大大下降。(3)空气中的氧在高气压下因击穿时的火花可能引起绝缘材料的燃烧。,强电负性气体的应用,.,许多含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来代替空气，可以大大提高间隙的击穿电压，缩小设备尺寸，降低工作气压。高电气强度气体仅仅满足电气强度高是不够的，还必须同时满足以下条件：,液化温度要低，这样才能同时采用高气压；良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；生产不太困难，价格不过于昂贵。,.,SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，因此SF6及其混合气体被广泛用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管以及全封闭组合电器中。SF6等气体电气强度高的原因：,由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性。即气体分子容易与电子结合形成负离子，从而削弱了电子的碰撞电离能力，同时也加强了复合过程。气体分子量及分子直径较大，使电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少了碰撞电离的能力。,.,在电弧或局部放电的高温作用下，SF6会产生热电离，变成硫和氟原子，它们可与电极材料或固体绝缘材料分解释放出的氧气作用，生成低氟化合物。当气体中有水分时，这些低氟化合物会与水发生反应，生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸等。SF6气体只适合在均匀电场或稍不均匀电场中使用。,缺点：价高、液化温度不够低，对电场的不均匀度太敏感。,措施：常用SF6-N2混合气体。,.,高真空的采用,间隙距离对击穿的影响：规律：击穿场强随间距的增加而降低。原因：随着间隙距离及击穿电压的增大，电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差，积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致击穿。,击穿机理：强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。,采用高度真空可以提高气隙的击穿电压的原因：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。,.,在完全相同的实验条件下，击穿电压随电极材料熔点的提高而增大，因为强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。,.,电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响,对电极采取冷却措施具有与提高电极材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。,.,电力设备中目前还很少采用高真空作为绝缘，因为电力设备的绝缘结构中总会使用固体绝缘材料，这些固体绝缘材料会逐渐释放出吸附的气体，使真空无法保持。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用。真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力，所以用于配电网中的真空断路器还是很合适的。,真空断路器,.,小结：,球形屏蔽极可以显著改善电场分布，提高气隙的击穿电压；在气隙中放置形状和位置合适、能阻挡带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，可明显提高气隙击穿电压；高气压和高电气强度气体相结合是一种有效的气体绝缘形式