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 tslc@ 13871018672,1.6 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,δ＝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δ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ω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，λ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：1000mH4000m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,,1－2.8MPa 5－0.1MPa,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/p 1－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 沿面放电,湿闪电压 闪络途径： 1 AB－BCA’：闪络电压下降到40%-50% 2 AB－BA’：下降不多 3 AB－水流：湿闪电压降到很低值。

1.9.5 绝缘子污染状态下 的沿面放电,污闪电压 发展过程： 积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极 防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能,污秽滑闪示意图,。