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1、气体介质的电气强度主要内容n空气间隙的放电时间n冲击电压波形的标准化n伏秒特性和击穿电压的概率分布n均匀与稍不均匀电场间隙的击穿特性n大气条件对间隙击穿特性的影响n提高气体介质电气强度的方法影响空气间隙放电电压的因素主要有:电场情况:均匀、稍不均匀、极不均匀电压形式:直流电压、交流电压、雷电冲击电 压、操作冲击电压大气条件:气压、温度、湿度一、空气间隙的放电时间 n最低静态击穿电压U0 n击穿时间tb 升压时间t0 、统计时延ts 、 放电发展时间tf 、放电时延 tl n短间隙(1厘米以下)tf 1cm),均匀电场中空 气的电气强度(峰值)大致等于30kV/cm n稍不均匀电场中的击穿电压1
2、. 不能形成稳定的电晕放电2. 电场不对称时,极性效应不很明显 3. 直流、工频下的击穿电压(幅值)以及50冲 击击穿电压都相同,击穿电压的分散性也不大4. 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 球球间隙,球板间隙,同轴圆柱间隙 球球间隙当dD/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dD/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 电场最强的电极为负极性时 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 n影响击穿电压的主要因素是间隙
3、距离n选择电场极不均匀的极端情况典型电极来研究棒(尖)板 :电场分布不对称 棒(尖)棒(尖) :电场分布对称 n根据典型电极的击穿电压数据来估计绝缘距离 n直流、工频及冲击击穿电压间的差别比较明显 ,分散性较大,且极性效应显著 五、极不均匀电场间隙的击穿特 性1. 直流电压下的击穿电压n极性效应:尖尖电极 间的击穿电压介于极性 不同的尖板电极之间n 棒板间隙:棒具有正 极性时,平均击穿场强 约为4.5kV/cm;棒具有 负极性时约为l0kV/cmn棒棒间隙的平均击穿 场强约为4.85.0kV/cm 2. 工频电压下的击穿电压 n击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 n除了起始部分外,击穿电压
4、和距离近似直线关系 n棒棒间隙的平均击穿场强约为5.36kV/cm(幅值),棒 板间隙的约为4.8kV/cm(幅值) n“饱和现象” :距离加大,平均击穿场强明显降低,棒 板间隙尤为严重d1m, 5 kV/cmdlm,2 kV/cm雷电u 在图所示 范 围内击穿 电压和间隙距 离呈直线关系由于放电时延较长,通常冲击系数大于l,击穿 电压的分散性也大一些,其标准偏差可取为 3% 棒板间隙有明显的极性效应,棒棒间隙也 有不大的极性效应n操作 极不均匀电场中的操作击穿有许多特点特点u极性效应 极不均匀电场中同样有极性效应。正极性下50击穿电 压比负极性下低,所以也更危险 u电场分布的影响 “邻近效应
5、” :接地物体靠近放电间隙会显著降低其正极 性击穿电压,但能多少提高一些负极性击穿电压 电极形状对间隙的击穿电压也有很大影响 3.波形的影响 n在一定的波前时间范围 内,U50 甚至会比工频击 穿电压低 ,呈现出 “ 形曲线” n对应于极小值的波前时 间随着间隙距离加大而 增加,对7m以下的间隙 ,大致在50200s之间n放电时延和空间电荷(形 成及迁移)这两类不同因 素的影响所造成的 n分散性大 对于波前时间在数十到数百微秒的操作冲击电压,极不 均匀电场间隙50击穿电压的标准偏差约为5;波 前时间超过1000s以后,可达8左右(工频及雷电 冲击电压下均约为3) n“饱和”现象 和工频电压下类
6、似,极不均匀电场中操作冲击50击穿 电压和间隙距离的关系具有明显的“饱和”特征(雷电 冲击50击穿电压和距离大致呈线性关系 ) 六、大气条件对间隙击穿特性的 影响u空气密度u湿度u海拔高度五、提高气体间隙击穿电压的 措施两个途径:一、改善电场分布,使之尽量均匀改进电极形状利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程 (一)改进电极形状以改善电场分布 增大电极曲率半径 减 小表面场强。如变压器 套管端部加球形屏蔽罩 ;采用扩径导线等改善电极边缘 电极边 缘做成弧形;尽量使其 与某等位面相近使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金 属扁球;墒洞边缘做成 近似垂接线旋转体(二)
7、利用空间电荷畸变电场的作用 n 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,提高击穿电压 n直径D20mm及16mm时 ,击穿电压曲线的直线部 分和尖一板间隙相近n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”(三)极不均匀电场中屏障的采用 n在电场极不均匀的空气 间隙中,放入薄片固体 绝缘材料(例如纸或纸 板),在一定条件下, 可以显著提高间隙的击 穿电压 n原理是屏障积聚空间电 荷,改善电场分布 n随着屏障位置不同,击 穿电压发生了很大的变 化,尖电极的极性不同 ,屏障的影响也有别 n
8、尖电极为正极性 屏障离尖电极过近,屏 障效应将随之而减弱 n尖电极为负极性 屏障离开尖电极一定距 离,设置屏障反而将 降低间隙的击穿电压 屏障离尖电极过近,仍 有相当的屏降效应 n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。n雷电冲击电压下屏障的作用尖电极具有正极性时,设置屏障可显著提高间 隙的击穿电压负极性时设置屏障后,间隙的击穿电压和没有 屏障时相差不多(四)高气压的采用 n减小电子的平均自由行程,削弱电离过程例:大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的 1/51/8,提高压力至11.5MPa,空气的电气强度和 一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等 的电气强度相接近
9、n压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气 设备中已得到采用如:高压空气断路器、高压标准电容器等n均匀电场中的击穿电压在一定的压力范围内,击 穿场强的提高遵循巴 申定律,并且击穿场 强大致和气压成正比 大约从1MPa开始,实验 结果和巴申定律的分 歧就逐渐明显了 n不均匀电场中的击穿电压不均匀电场中提高气压后,间隙的击穿电压 也将高于大气压强下的数值在高气压下,电场均匀程度对击穿电压的影 响比在大气压力下要显著得多,电场均匀 程度下降,击穿电压将剧烈降低(五)高真空的采用n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 n高真空中击穿机理发生了改变距离较小时,间隙的 击穿和阴极的强场
10、放射密切有关分散性很大:电极材 料、电极表面的光 洁度及清洁度 n含卤族元素的气体化合物,如六氟化硫(SF6)、氟 利昂(CCl2F2)等,其电气强度比空气的要高很多。 称为高电气强度气体 (六)高电气强度气体的采用n 卤化物气体电气强度高的原因 1由于含有卤族元素,气体具有很强的电负性,气体 分子容易和电子结合成为负离子,削弱电子的碰撞电 离能力,同时又加强复合过程气体的分子量比较大,分子直径较大,电子在其 中的自由行程缩短,不易积聚能量,从而减少其碰撞 电离能力电子和这些气体的分子相遇时,还易于引起分子 发生极化等过程,增加能量损失,从而减弱其碰撞电 离能力n对高电气强度气体的要求1液化温
11、度要低,采用高电气强度气体时,常常同 时提高压力,以便更大程度的提高间隙的击穿电压 ,缩小设备的体积和重量。所以这些气体的液化温 度要低,以便在较低的运行温度下,还能施加相当 的压力2应具有良好的化学稳定性,不易腐蚀设备中的其 它材料,无毒,不会爆炸,不易燃烧,即使在放电 过程中也不易分解等3经济上应当合理,价格便宜,能大量供应 n目前工程上已得到采用的是六氟化硫(SF6)。SF6 除了其电气强度很高以外,还具有优良的灭弧性能 ,很适合用于高压断路器中nSF6已不仅用来制作单台电气设备(如SF6断路器、 避雷器、电容器等),而且发展成了各种组合设备 ,即将整套送变电设备组成一体,密封后充以SF6 气体,如全封闭组合电器、气体绝缘变电所、充气 输电管道等。这些SF6组合设备具有很多优点,如 可大大节省占地面积、简化运行维护等等nSF6的特性1物理化学特性2绝缘特性电离和离解特性电场和压力特性极性效应时间特性