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1、高电压技术,高电压工程系 何正浩 ,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,2,1.6.1 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,3,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,4,1.6.2 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
2、击穿 极性效应,5,1.6.2 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,6,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 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 。,7,1.6.3 极不均匀电场,波形影响大，分散性大，极性效应明显,8,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4.85.0kV /cm； 最低：正棒负板，平
3、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,9,（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-棒间隙的击穿电压比棒-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”。,10,“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,11,(三) 雷电冲击50%击穿电压
4、,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）,12,(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。）,13,1.7 大气条件对气隙击穿
5、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,14,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。,15,P：气压，kPa；t：温度，度,一、空气相对密度的影响,0.951.05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,16,在大气条件下，空气间隙的击穿电压随的增大而升
6、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；指数的值取决于电极形状、间隙距离、电压种类及其极性,17,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,18,三、对海拔高度的校正,随着海拔增高，空气密度减小，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U与平原地区外绝缘的Up的关系为,19,1.8 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,20,(一）改进电极形状,增大电极曲率半径 改善
7、电极边缘,21,一、改善电场分布,(一）改进电极形状,使电极具有最佳外形,22,（二） 利用空间电荷畸变电场,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,23,（三） 极不均匀电场中采用屏障,24,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23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
8、。 最高提高0.2倍,25,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,26,（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,27,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,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。,28,二、 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,29,（一） 采用高气压,基本原理：气压提高减小动能减小U提高,30,12.8MPa 50.1MPa
9、,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的原因： 1） 具有很强的电负性，负离子既削弱电离， 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。,31,（二） 采用强电负性气体,卤化物气体电气强度高,32,（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,33,（二） 采用强电负性
10、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。,34,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,35,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；,36,SF6的液化特性,1） 一般不会液化,37,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
11、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。,38,SF6混合气体的特性,SF6N2混合气体中的与E/p 1纯N2； 2SF6含量为10%； 3SF6含量为25%； 4SF6含量为50%； 5纯SF6,39,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,40,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,
