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1、大气环境与电气外绝缘,重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室,1、绪论 2、地貌、气候与空气污染 3、大气参数对电气外绝缘放电的影响 4、淋雨状态下的沿面放电 5、污秽绝缘的沿面放电 6、恶劣大气环境中的沿面放电 7、复杂大气环境中电气外绝缘的选择,内容提要,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,大气参数对电气绝缘放电产生影响的是气压、温度和湿度三个主要参数。气压的高低主要取决于海拔高度;气温的高低不仅与海拔高度有关，而且也与纬度、地表水陆分布、地形、地貌、气流等条件有关,在一定地区范围内，仍随海拔高度增加而降低，且基本呈线性关系；影响绝对湿度的因素十分复
2、杂，与海拔高度、纬度、大气中水分的凝结、蒸发、降水量等都有关，各个地区的绝对湿度与海拔高度大致呈指数规律下降。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,考虑到相对空气密度随海拔高度升高而减小，常将气压和气温以相对空气密度来表征，而把绝对湿度仍作为一个单独的参数。同时，从大量的研究结果分析，虽然气温的下降会使放电电压有所提高，但气压和绝对湿度的下降会使放电电压降低，三个大气参数总的效应是使放电电压随海拔高度增加而下降。因此，大多数国家和国际电工委员会(IEC)目前都推荐用相对空气密度和绝对湿度两个参数来表征大气条件对电气外绝缘放电电压的影响。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,为了将不同大气条件下
3、的试验结果校正到统一的大气条件下进行比较，IEC和国内外都规定了标准参考大气条件：,温度t0=20； 气压p0=101.3kPa； 绝对湿度ha=11g/m3。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,3.1相对空气密度与电气外绝缘放电电压的关系,我们把试验条件下的密度与标准状态下密度之比称为空气的相对密度，即,p 为试验时的气压，kPa； p0为标准气压，101.3kPa； t 为试验时气温，； t0 为标准参考大气条件气温，20。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,若用海拔高度与气温来综合反映相对空气密度的变化，经验公式为:,a 为空气温度梯度，取0.0065/m； T0 为标准气温，T0=
4、293； H 为海拔高度,m。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,相对空气密度与放电过程的关系 巴申定律指出，当气压低、d很小、温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压力p和电极间距离d的函数，即,考虑到温度（以绝对温度T表示）变化时，则有：,相对空气密度与气压和温度相关，则巴申定律的普遍形式为,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,不均匀电场中的放电过程与相对空气密
5、度之间的关系比较复杂,日本原田等人从高、低海拔试验点完成的相对空气密度对空气间隙和绝缘子串的雷电及操作冲击50%闪络电压影响的研究中提出了相似理论:：当相对空气密度 、绝对湿度 时的间隙距离为d的50%放电电压U50与相对空气的密度为 、绝对湿度 时的间隙距离为 的50%的闪络电压相等。该理论实际上是考虑了相对空气密度、绝对湿度和比湿之间的关系，认为若比湿和相对空气密度与间隙距离d的乘积都保持不变，则间隙的50%放电电压也将保持不变。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,意大利的A.Pigimi等利用0.5m的棒一板短间隙研究了空气密度对冲击电压下空气的间隙放电机理的影响，在此基础上，对长空气
6、间隙放电过程受空气密度的影响进行了分析： 在短间隙、大气压力约低于68.65kPa时，由于低气压下扩散干扰妨碍了完整流注外形的建立，呈现扩散和分支型的发光现象；在接近击穿电压时，间隙空间或板极上也开始出现发光现象，并对放电的发展起着重要作用；施加电压的棒极上的扩散或分支状发光流注随电压升高而增长，直到U50之前，是一种电晕稳定过程； 在68.65kPa107.87kPa 压力内，流注在无任何明显的先导传播前就到达板极，且流注的延伸是相当有规律的，放电过程主要由流注支配，即：在正极性冲击电压下放电受正流注支配。U50与压力p可维持线性关系U50+3.059p；反之，当包含有负流注时，保持的是一个
7、非线性关系U50150+4.33p，式中：U50+为正极性冲击放电电压，kV；U50-为负极性冲击放电电压，kV；p为气压，kPa。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,对现有长空气间隙放电过程受空气密度影响的试验结果分析表明：当放电主要受正流注支配时，空气密度的影响变小，但有关这方面的研究结果远不如短间隙深入，还需要作大量的研究。,问题？,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,空气密度对放电电压的影响,对于均匀电场的空气间隙，直流、工频击穿电压(幅值)以及50%冲击击穿电压实际上大体相同，分散性也较小。气体击穿电压Ub (kV，幅值)、间隙距离d(cm)和空气相对密度 之间的经验公式为,对于非
8、均匀电场，工频和冲击放电电压Ub则随间隙距离的增大而与逐渐偏离线性正比关系，在间隙距离大于2m时更为明显。美国通用电气公司在海拔3202.5m和海平面进行了雷电和操作冲击波试验，发现空气相对密度对放电电压的影响与放电距离和布置方式有关：,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,式中指数m是放电距离d的函数。对于雷电冲击波时，m(d)=1；在操作冲击波下，放电距离d等于1.64m、2.45m、3.28m及4.10m时，m(d)对应于1.0、0.9、0.8、0.7。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,图2-1 在不同的 下棒-棒间隙50%冲击放电电压与间隙距离的关系,图2-2 在不同的 下棒-板间隙
9、的50%冲击放电电压与间隙距离的关系,图2-3 在不同的 下悬式绝缘子(X-4.5)串的50%冲击放电电压与片数的关系,图2-4 在不同的 下支柱绝缘子(110kV)的50%冲击放电电压与高度的关系,图2-5 在不同 下空气间隙和绝缘子的50%工频放电电压与间隙距离(a、b)或片数(c)及高度(d)的关系,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,近几年，不少研究者发现，相对空气密度与湿度对放电电压的影响是相互关联的，提出了一些新的看法。但由于目前发表的试验数据都是在试验电压等级较低、放电距离不长的条件下得到的，因此，这些新的论点尚待开展长间隙放电试验研究来讲一步论证。,3、大气参数对电气外绝缘放电
10、的影响,研究结果表明： 在湿度恒定时，任意电极结构的放电电压大致与 的m次方成正比，但放电距离大于2m时，放电电压则随放电距离的增大而与相对空气密度逐渐偏离线性关系； 相对空气密度对空气间隙和绝缘子放电电压的影响是大致相同的； 相对空气密度对放电电压的影响随绝缘长度的增加和绝缘对地的邻近效应的增大而减小； 电极形状和操作波波形没有明显影响，负极性操作冲击放电电压高于正极性放电电压；,当50%放电电压与放电距离呈线性关系时，放电电压的降低比例大于相对空气密度的降低，但呈饱和关系时，50%放电电压的降低率小于相对空气密度的降低； 高海拔下50%放电电压的标准偏差普遍稍小于低海拔区，可认为与低海拔大
11、致相同。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,空气的湿度可以用相对湿度、绝对湿度和比湿等来表征; 但在研究湿度对外绝缘放电电压的影响时，目前大多采用绝对湿度; 而在湿度对放电电压影响的校正时，则趋向于采用比湿。 尽管在试验研究时，常用相对空气密度和绝对湿度两个单独参数表示对放电电压的影响，而实际上两个参数并不是独立的。同时，还应当指出，当空气温度升高时，绝对湿度要升高,在试验研究(特别是自然湿度下)时往往忽略这个因素，导致试验数据出现偏差。虽然空气湿度对电气外绝缘放电电压影响的研究尚在进一步深入发展，但一般认为随海拔的升高，相对空气密度和绝对湿度、气温均下降，而湿度对放电电压的影响将变大。,3
12、.2空气湿度与电气外绝缘放电电压的关系,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,一、湿度对放电物理过程的影响,从汤逊理论可知，湿度对放电电压的影响决定于被水蒸气分子所吸附的电子数，即导致参与电离过程的电子数减少。,绝对湿度的增大使得电子碰撞水蒸气分子的次数增多，被水分子吸附的概率增大，则电子附着系数随绝对湿度的增加而增大。,电子附着系数 随 的增加而增大,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,电子电离系数 也随 的增加而增大,绝对湿度的增加使得水汽压力增大，在空气压力不变时干空气减少，即空气密度降低，电子碰撞空气分子引起电离的有效自由行程加长，因碰撞次数减少而降低电离概率与自由行程加长而增大电离概率
13、相比，后者占了主导地位。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,当E/p增加时，电子具有的能量增大， 则随E/p的增加而增大； 同时，随着绝对湿度的增大，由于电子碰撞空气分子的自由行程增长而带来的 增大却稍强于空气分子减少带来的 下降,在同一E/p下，绝对湿度大的 系数大于绝对湿度小的 系数。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,电子碰撞空气的能量随E/p的增加而增大，使碰撞时不易被水分子所吸附， 减小,电子碰撞水蒸气分子附着的次数 也随E/p的增大而增多,后者引起电子吸附概率的增大强于前者而引起电子吸着机率的减小，使也随E/p的增大而有所增加。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,空气绝对湿度
14、,/p /p,但/p值要增加得快一些,（ /p-/p）,电子崩内的电子数,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,海拔高度增高,压力p E/p,（ /p-/p）,电子崩内的电子数就相应增多,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,在不同的E/p下 和 与水蒸气分压力Pw的关系,在不同的水蒸气分压力Pw 下， /p 与E/p下的关系,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,当海拔高度升高时，大气压力、相对空气密度和绝对湿度下降电子崩内的电子数增加，流注通道的电子流增强，易于形成先导通道，外绝缘的放电电压必然有所降低。根据现有的大量试验结果分析后发现：正极性流注发展成击穿时，放电电压受湿度的影响最严重，负极性
15、流注时影响最小；当放电过程由正、负流注共同发展成击穿时，湿度对放电电压的影响比单一正流注时小。当由正流注发展成先导后间隙击穿时，因先导通道的平均电位梯度远小于正流注的，正流注在预放电中所占的比例小，放电电压受湿度的影响减弱；如果在间隙击穿之前没有明显的预放电现象(均匀场)，放电电压就基本上不受湿度的影响。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,湿度对空气间隙放电电压的影响,在均匀和稍不均匀电场中，空气间隙的放电电压取决于绝对湿度。放电电压随绝对湿度的增大而增加，但不存在预放电现象，其影响程度不大，忽略湿度影响在工程上是可以接受的。,结果表明，绝对湿度每增加1g/m3，直流放电电压约提高1.8%。
16、从图2-13也可看出，当绝对湿度从11g/m3增加到20g/m3时，耐电强度从0.257V/( )增加到了0.282V/( )。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,在极不均匀电场的情况下，空气间隙的放电电压随绝对湿度的增大而增高，并随电极形状、电压极性、波形、间隙距离及绝对湿度大小而变化。大量的试验研究结果表明：绝对湿度对空气间隙放电电压的影响和预放电的类型之间存在密切的关系，受湿度影响最明显的是正极性流注的预放电类型，即工频和正极性操作冲击电压下长空气棒-板间隙先导在预放电中 所占比例较大。,3、大气参数对电气外绝缘放电的影响,棒-板间隙在正极性雷电冲击电压下，或者1m以下棒-板间隙在工频或正极性操作冲击下，正极性流注贯穿正个间隙而导致击穿，湿度对放电电压的影响较大。 雷电冲击下的棒-棒间隙或工频或操作冲击下的1m 以下的棒-棒间隙，是由正-负流注共同作用导致的击穿，绝对湿度对放电电压的影响将因负流注的出现而减
