气体介质的电气强度

1.2气体介质的电气强度,实际工程应用中，击穿电压的确定方式如下：,参照一些典型电极的击穿电压来选择绝缘距离；根据实际电极布置情况，通过实验来确定。,空气间隙放电电压的影响因素如下：,电场情况电压形式大气条件,1.2.1持续作用电压下的击穿1.2.2雷电冲击电压下的击穿1.2.3操作冲击电压下空气的绝缘特性1.2.4大气条件对气体击穿的影响1.2.5提高气体击穿电压的措施,本节内容,返回,1.2.1持续作用电压下的击穿,实际中，大均匀电场间隙要求电极尺寸做得很大。因此，对于均匀场间隙，通常只有间隙长度不大时的击穿数据，如图1-11所示。,1、均匀电场中的击穿,图1-11均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值随间隙距离d的变化,电极布置对称，无击穿的极性效应；间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短；直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50冲击击穿电压相同；击穿电压的分散性很小。,均匀电场的击穿特性：,对于图1-11所示的击穿电压(峰值)实验曲线，可用以下经验公式表示：,式中间隙距离，cm；空气相对密度,从图1-11中可以得出，当在110cm范围内时，击穿强度（用电压峰值表示）约等于30kV/cm。,(1-34),2、稍不均匀电场中的击穿,稍不均匀电场的击穿特点：,击穿前无电晕；无明显的极性效应；直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50冲击击穿电压几乎一致。,稍不均匀电场的击穿电压通常可以根据起始场强经验公式进行估算,取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电解槽实验的方法求得。,对于稍不均匀场，当达临界场强时，达到击穿电压，从而,(1-35),(1-36),图1-12几种典型电极结构示意图1、同心球2、球平板3、球球4、同轴圆柱5、圆柱平板6、圆柱圆柱7、曲面平面8、曲面曲面,下面给出几种典型的电极结构:,图1-12几种典型电极结构示意图1、同心球2、球平板3、球球4、同轴圆柱5、圆柱平板6、圆柱圆柱7、曲面平面8、曲面曲面,球板电极,(1-40),(1-39),(1-38),(1-37),柱板电极,(1-43),(1-44),(1-42),(1-41),平行圆柱电极,(1-45),(1-46),(1-47),(1-48),同轴圆柱电极,(1-49),(1-50),(1-51),(1-52),同心球电极,(1-53),(1-56),(1-55),(1-54),球球电极,(1-57),(1-58),(1-59),(1-60),另外，对于某些不太好根据经验公式求的电场结构，也可以用30kV/cm进行大致估算，则间隙击穿电压为,(1-61),3、极不均匀电场中的击穿,极不均匀场的击穿特性：,电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱；极间距离对击穿电压的影响增大；在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非常明显；,工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。,返回,当间隙距离不大时，击穿电压基本上与间隙距离呈线性上升的关系；当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性增加，呈现出饱和现象。,1.2.2雷电冲击电压下的击穿,大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘会产生重大威胁。因此在电力系统中，一方面应采取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气设备能耐受一定水平的雷电过电压。,雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压，在这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿不同的特点。,1、雷电冲击电压的标准波形,按雷电发展的方向可分为：,雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。,下行雷在雷云中产生并向大地发展；上行雷由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。,下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：,先导过程主放电过程余光放电过程,先导过程：延续约几毫秒，以远级发展、高电导、高温的、具有极高电位的先导通道将雷云到大地之间的气隙击穿。沿先导通道分布着电荷，其数量达几库仑。,主放电过程：当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响，沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百微秒的冲击电流。,余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为A，延续时间约为几毫秒。,上述3个阶段组成下行负雷的第一个分量。,余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐渐衰减的，约为A，延续时间约为几毫秒。,通常，雷电放电并未结束，随后还有几个(甚至十几个)后续分量。每个后续分量也是由重新使雷电通道充电的先导阶段、使通道放电的主放电阶段和余光放电阶段组成。各分量中的最大电流和电流增长最大陡度是造成被击物体上的过电压、电动力、电磁脉冲和爆破力的主要因素。而在余光阶段中流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素。,图1-13标准雷电冲击电压波形波前时间半峰值时间-冲击电压峰值,图1-13表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波前和波长时间的方法(波长指冲击波衰减至半峰值的时间)。,图1-13标准雷电冲击电压波形波前时间半峰值时间冲击电压峰值,图中O为原点，P点为波峰。国际上都用图示的方法求得名义零点（即图中虚线所示，连接P点与0.3倍峰值点作虚线交横轴、于点）,目前国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是：,对于不同极性的标准雷电波形可表示为+或-。,2、放电延时,完成气隙击穿的三个必备条件：,最低静态击穿电压；在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿。,图1-14冲击击穿所需时间的示意图,图1-14冲击击穿所需时间的示意图,气隙在持续电压下的击穿电压为，为所加电压从0上升到的时间；从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延；,图1-14冲击击穿所需时间的示意图,tf出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf。,放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值有关，总的趋势是越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短。,tb和tf都具有统计性,3、50击穿电压,在工程实际中广泛采用击穿百分比为50时的电压（U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50冲击击穿电压。,U50%与静态击穿电压的比值称为冲击系数：,均匀和稍不均匀电场下，;极不均匀电场中,，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取3。,(1-64),4、伏秒特性,冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。如图1-15所示：,图1-15伏秒特性绘制方法,实际的伏秒特性曲线如图1-16所示，是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。,图1-1650伏秒特性示意图（虚线表示没有被试间隙时的波形）,1-0伏秒特性2100伏秒特性350伏秒特性450冲击击穿电压50冲击击穿电压（静态击穿电压）,返回,1.2.3操作冲击电压下空气的绝缘特性,电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，称为操作过电压。,目前的试验标准规定，对额定电压在300kV以上的高压电气设备要进行操作冲击电压试验。这说明操作冲击电压下的击穿只对长间隙才有重要意义。,1、操作冲击电压波形,操作过电压波形是随着电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大变化的。,IEC推荐了2502500us的操作冲击电压标准波形，我国国家标准也采用了这个标准波形。,如图1-17所示，波形特征参数为：波前时间250us，允许误差为土20；半峰值时间2500us，允许误差为土60；峰值允许误差土3；90蜂值以上持续时间未作规定。,图1-17操作冲击电压全波图中0点为实际零点，u为电压值，图中u1.0处为电压u峰值,电压值持续处于0.9倍电压峰值以上时间波前时间半峰值时间,2.操作冲击放电电压的特点,U形曲线极性效应饱和现象分散性大邻近效应,返回,1.2.4大气条件对气体击穿的影响,湿度校正因数空气密度校正因数海拔高度的影响,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。,海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均下降。,压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；温度：t0=20摄氏度或T0=293K；绝对湿度：hc=11g/m3。,国标规定的大气条件：,正由于此，在不同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。,上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外绝缘的沿面闪络电压。,：空气密度校正因数：湿度校正因数,实验条件下的气隙击穿电压与标准大气条件下的击穿电压之间关系：,(1-66),在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。,下面分别讨论各个校正因数的取值：,湿度校正因数,正如在“负离子的形成”一段中所介绍的那样，大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制作用，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较大，电子的运动速度较快，不易被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显，可以忽略不计。例如用球隙测量高电压时，只需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，湿度的影响就很明显了，这时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：,式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关，而指数之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。,(1-68),返回,空气密度校正因数,空气密度与压力和温度有关。空气的相对密度：,(1-67),式中试验条件下的气压，Pa；试验条件下的气温，；，标准状态下的气压和气温,在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。,因而：,（1-69）,返回,海拔高度的影响,我国幅员辽阔，有不少电力设施(特别是输电线路)位于高海拔地区。随着海拔高度的增大，空气变得逐渐稀薄，大气压力和相对密度减小，因而空气的电气强度也将降低。,海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络电压的影响可利用一些经验公式求得。,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乘以海拔校正因数足即：,式中H安装地点海拔高度，m。,(1-70),返回,1.2.5提高气体击穿电压的措施,电极形状的改进空间电荷对原电场的畸变作用极不均匀场中屏障的采用提高气体压力的作用高真空和高电气强度气体SF6的采用,为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些，为此就应采取措施来提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径：,改善气隙中的电场分布，使之均匀；设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。,1、电极形状的改进,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改善电极边缘使电极具有最佳外形,2、空间电荷对原电场的畸变作用,极不均匀电场气隙被击穿前先出现电晕放电。在一定条件下，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。,3、极不均匀场中屏障的采用,在极不均匀场的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料(如纸或纸板)，在一定条件下可以显著地提高间隙的击穿电压。,屏障的作用在于屏障表面上积聚的空间电荷，使屏障与板电极间形成较均匀的电场，从而使整个间隙的击穿电压提高。,工频电压下，在尖板电极中设置屏障可以显著提高击穿电压，因为工频电压下击穿总是发生在尖电极为正极性的半周内。,雷电冲击电压下，屏障也可提高正尖板间隙的击穿电压，但是幅度比稳态电压下要小一些。,4、提高气体压力的作用,在常压下空气的电气强度比较低，约为30kV/cm。即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限。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。,如果把空气压缩，使气压大大超过0.1MPa，它的电气强度能得到显著提高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。,如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（如SF6）代替空气，那就能获得更好的效果。,5、高真空和高电气强度气体SF6的采用,采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程，从而显著提高气隙的击穿电压。,在电力设备中，实际采用高真空作为绝缘媒质的情况还不多，主要因为在各种设备的绝缘结构中大都还要采用各种固体或液体介质，它们在真空中都会逐渐释出气体，使高真空难以长期保持。,有一些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。采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入