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1、武汉华中华能高电压科技发展有限公司 www.china- 027-86839376武汉华中华能高电压科技发展有限公司高电压技术讲义（中）1.3 气隙在各种电压下的击穿特性一、标准波形为了检验绝缘耐受雷电冲击电压的能力，在实验室中可以利用冲击电压发生器产生冲击高压，以模拟雷电放电引起的过电压。为了使得到结果可以相互比较，需规定标准波形。1.2us/50us。T1 说明雷电流上升的陡度,反映电磁感应的强烈程度.就是说 T1 越小，di/dt 就越大（KA/s 的值越大） ，那么瞬间雷电流就越大，经公式 H0 = i0/(2Sa)(A/m) 计算出的雷电磁场强度就越大，那么就说它的电磁感应强。T2
2、说明雷电所含的电荷数量,反映雷电的能量这个就简单了。从 T2 时间画一条直线。那么波形曲线下的阴影的面积通过积分计算，就可算出电荷量和能量。T2 时间越长，则阴影的面积越大，那么电荷量和能量就越大。二、放电时延气隙在冲击电压作用下击穿所需的全部时间为：t = t1 + ts + tft1 为升压时间，ts 为统计时延，tf 为放电形成时延50%冲击放电电压在持续电压作用下，当气体状态不变时，一定距离的间隙，其击穿电压具有确定的数值，当间隙上所加的电压达到其击穿电压时间隙就击穿了。在冲击电压作用下，单独用一个电压来描述间隙的击穿就不合理了。U50%的含义是在该电压作用下，放电的概率为 50%。三
3、、伏秒特性：在同一波形、不同幅值的冲击电压作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线称为间隙的伏秒特性曲线。工程上常用它来表征间隙在冲击电压下的击穿特性。1、曲线的作出2、曲线的配合：保护设备的伏秒特性应完全位于被保护设备的伏秒特性的下面。间隙的伏秒特性形状与极间电场分布有关。对于均匀或梢不均匀电场，由于击穿时的平均场强较高，放电发展较快，放电时延短，所以间隙的伏秒特性曲线比较平坦，而且分散性也较小，仅在放电时间极短时，略显上翘。也就是说，在均匀电场中靠提高电压来缩短击穿所需时间是很难的。因为均匀电场的伏秒特性很平，其 50%冲击击穿电压和静态击穿电压是相一致，所以在实践中常常利用电场
4、比较均匀的球间隙作为测量静态电压和冲击电压的通用仪表。 对于极不均匀电场中的间隙，其平均击穿场强较低，放电形成时延 tf 受电压的影响大，较长且分散性也大，其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时，便随时间 t 之减小而明显上翘，曲线比较陡。即使在电压作用时间较长（击穿发生在波尾）时，冲击击穿电压也高于武汉华中华能高电压科技发展有限公司 www.china- 027-86839376静态击穿电压。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1.5 大气条件对气隙击穿电压的影响结论：温度升高、气隙的击穿电压下降；湿度升高、气隙的击穿电压升高；海拔高度升高、气隙的击穿电压降低；气
5、压升高、气隙的击穿电压升高。湿度对气隙击穿电压的影响与电场的形式有关，均匀电场和稍不均匀电场中湿度的影响比较小，极不均匀电场中湿度的影响比较大，其原因是均匀电场中击穿场强较高，电子运动速度较大，水分子不易吸附电子，所以湿度的影响较小；在极不均匀电场中，平均击穿场较低，放电形成时延较长，所以湿度的影响就比较明显。1.6 提高气隙击穿电压的方法措施一、改进电极形状1、改进电极形状，增大电极曲率半径。采用屏蔽罩以增大电极的曲率半径是一种常用的方法，一些高压设备的高压出现端都加装屏蔽罩以降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕起始电压。此外、在超高压线路绝缘子串上安装保护金具、超高压线路上采用扩径导线等
6、都是根据屏蔽原理改善电场分布提高电晕起始电压的具体应用。2、去除电极表面及边缘的毛刺和棱角，消除电场局部增强的现象。 措施二、利用空间电荷改善电场分布在极不均匀电场中，由于气隙击穿前先发生电晕放电，因此在一定条件下，可以利用放电自身产生的空间电荷来改善电场分布。例如采用细线，如“线-板” 、 “线-线”结构在一定的距离范围内有可能提高气隙的击穿电压。这是因为：当导线直径很小时，周围容易形成比较均匀的电晕层，电晕放电形成的空间电荷调整和改善了电场分布，从而提高了击穿电压。当气隙距离超过一定值，细线也将产生刷形放电，或导线直径较大因其表面不够光滑将产生局部电晕和刷形放电，破坏了比较均匀的电晕层，此
7、后其击穿电压也将下降。措施三、极不均匀电场中采用屏障改善电场分布。1、在直流电压下，击穿电压随着屏障位置的不同有很大的变化。最有利的地方在 x/l=0.2处,针正板负间隙击穿电压可提高 2-3 倍，但针负板正间隙击穿电压仅提高 0.2 倍。2、极间障能够提高气隙的击穿电压不是靠它自身分压，而是利用空间电荷对电场分布的改善实现的。3、交流电压作用下，屏障作用同在直流电压下针正板负间隙。措施四、削弱或抑制游离过程。1、采用高气压：空气在常压下的电气强度约为 30kV/cm，如果压缩空气，使气压大大超过 0.1MPa，它的电气强度就能显著提高。实用中许多场合应用高气压的气体作为高电气强度的介质（压缩
8、空气断路器、标准电容器等设备的内绝缘） 。 从图中可见： 2.8MPa 的空气具有极高的击穿电压，但此时对电气设备外壳的密封性能和机械强度要求很高，因此目前广泛应用 SF6，为得到同样的电气强度，只需 0.7MPa 的气压就可.2、采用强电负性气体（高电气强度）：目前、得到工程应用的强电负性气体惟有六氟化硫及其混合气体。 SF6 的电气强度约为空气的 2.5 倍，其灭弧能力则为空气的 100 倍以上。SF6 所以具有较高的电气强度是因为它具有电负性、游离能高、分子量大。但应该注意到： SF6 优异的绝缘性能只有在均匀电场中才能充分发挥，因此设计 SF6 气体作为绝缘的各种电气设备时，应尽量使气
9、隙的电场均匀化。3、高真空的采用。依据巴申特性曲线，采用高真空将会得出击穿电压极高甚至趋于无限大武汉华中华能高电压科技发展有限公司 www.china- 027-86839376的结论。试验也表明极间距离较小时高真空的击穿电压很高，其值超过了压缩气体；但极间距离较大时击穿电压提高缓慢，明显低于压缩气体间隙的击穿电压。1.7 沿面放电一、问题提出电力系统中，电气设备的带电部分总要用固体绝缘材料来支撑或悬挂。绝大多数情况下，这些固体绝缘是处于空气中的。如输电线路的悬式绝缘子、隔离开关的支柱绝缘子等。当这些绝缘子的极间电压超过一定值时，常常在固体电介质和空气的交界面上出现放电现象，这种沿着固体电介质
10、表面的气体发生的放电称为沿面放电。当沿面放电发展成贯通两极的放电时，称为闪络。研究表明：在相同的放电距离下，沿面闪络电压比纯气隙的击穿电压低得多，可见一个绝缘装置的实际耐压能力是取决于它的沿面闪络电压的。因此，在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平是，其沿面闪络电压起着决定性作用。应该注意的是，不仅要研究表面干燥、清洁时的沿面放电，而且要研究表面潮湿、污染时的沿面放电，因为它们的放电机理有很大的不同，甚至可能在工作电压下发生闪络，对电力系统的安全运行构成威胁，因而日益受到重视。由于污闪引起的事故每年都会有。二、均匀电场中沿面放电的形成1、用电介质表面不是理想光滑来分析：在交流电场或冲击电压作用
11、下，两种不同材料的电介质配合使用时、介电常数小的分担的电压低。虽然电瓷表面是光滑的，但毕竟不是理想的光滑，夸张地说是凸凹不平的，这样在电瓷表面就形成了固体与气体的串联。在交流或冲击电压的作用下，多层串联电介质中的电场分布与介质的介电常数成反比，空气的介电常数远小于固体介质的介电常数，所以气体分担的电压远比固体的要高，而气体的绝缘强度又比固体的低，所以很容易发生局部放电。2、解释方法二：固体介质与电极表面没有完全密合接触而存在微小气隙，或介质表面有裂纹。由于空气的介电常数总比固体的低，这些微小气隙中的场强将比平均场强大得多，从而引起局部放电。放电产生的带电质点从气隙中逸出，带电质点到达介质表面后
12、，畸变原有的电场，从而降低了沿面闪络电压。在实际绝缘结构中常将电极与介质接触面仔细研磨，使两者紧密接触，以消除气隙，或在介质端面上喷涂金属，将气隙短路，使沿面闪络电压提高。3、解释方法三：固体电介质表面吸收水分而形成水膜时，一方面水膜中的离子在电场作用下向两极移动，逐渐在两电极附近积聚电荷，并使电介质表面电场分布不均匀，电极附近电场场强增加，因而降低了闪落电压；另一方面水的电导比较大，水膜上分担的压降低，而与之串联的空气上分担的电压要高，也容易引起局部放电，而使闪络电压降低。介质表面的吸附水分的能力越大，闪络电压越低。有强垂直分量的极不均匀电场中沿面放电的形成1、放电发展过程在电压比较低时，在
13、法兰附近首先产生了电晕，随着外加电压的提高，电晕转化成刷形放电；外加电压进一步提高，刷形放电转化成滑闪；当电压达到某临界值时，滑闪沟通两极形成闪络。2、当套管上加上交流电压时，沿套管表面将有电流流武汉华中华能高电压科技发展有限公司 www.china- 027-86839376过，由于 R、C 的存在，沿套管表面的电流是不相等的，越靠近法兰处电流越大，单位距离上的压降也越大，电场也越强。当外加电压不足以使整个间隙击穿时，在法兰处产生了电晕，带电粒子被电力线的垂直分量压在电介质表面，纵向分量推动带电粒子定向运动，加大了带电粒子与电介质的摩擦而使温度升高，产生了热游离，使放电发展。3、特点：1）固
14、体介质的介电常数越大，固体介质的厚度越小，则电容越大，沿电介质表面的电压分布越不均匀，使沿面闪络电压越低；2）固体介质的体积电阻越小，沿面闪络电压越低；3）电压变化速度越快，频率高，分流作用也就越大，电压分布越不均匀，闪络电压越低；4）表面电阻在一定范围内适当减小，可使沿面的最大电场强度降低，从而提高闪络电压。如何提高沿面闪络电压1、增大沿面距离电介质表面采用带有瓷裙的结构，瓷裙下面还带棱。在系统中为防止污闪，对耐张绝缘子串来说，可通过增加串中片数达到目的；而对悬垂串来说，在增加片数有困难时可换用每片爬距较大的耐污型绝缘子或改用 V 形串固定导线，或推行用一种复合材料制成环状薄片，将其嵌入绝缘
15、子铁帽下部的防污闪新技术，加装了薄片后既增大了泄漏距离，又改善了绝缘子表面电场分布，对于抑制帽沿根部电晕的产生、防务和提高闪络电压很有效。2、采用半导体釉和硅橡胶绝缘子防污闪半导体釉绝缘子表面一直有一个比普通绝缘子表面泄漏电流为大的表面电导电流流过，使绝缘子表面温度比环境温度略高，因而污层不易吸潮，积污也比较少。此外，釉层电导还能缓解干区电场集中现象，使干区不易出现局部电弧，沿整个绝缘子传的电压分布都比较均匀。但这种材料比较容易被腐蚀和老化，影响了其推广。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，它由承受外力负荷的芯棒和保护芯棒免受大气环境侵袭的裙套以及金属连接附件组成复合结构绝缘子
16、，玻璃钢芯棒采用玻璃纤维束经树脂浸渍后通过引拔模加热固化而成，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、憎水性强、耐污性能好，在不同温度下性质稳定。绝缘子串上的电位分布1、不同电压等级使用绝缘子的片数一般 35kV 线路用 3 片，110 kV 线路用 7-9 片， 220kV 线路用 13-15 片，330 kV 线路用19-21 片，500kV 线路用 25-28 片。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。绝缘子的起晕电压为 2022kV，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？2、分析：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
