气体间隙的击穿强PPT学习教案.pptx

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1、会计学 1气体(qt)间隙的击穿强第一页，共80 页。电场情况(qngkung)均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场影响(yngxing)气体间隙击穿电压的主要因素：高电压工程(gngchng)基础 电压形式稳态电压（直流电压与交流电压）、雷电冲击电压、操作冲击电压 大气条件气压、温度、湿度第 1 页/共 80 页第二页，共80 页。一、稳态电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿三、操作冲击电压下的击穿四、大气密度和湿度对击穿的影响五、提高气体间隙(jin x)击穿电压的措施高电压(diny)工程基础第三章 气体(qt)间隙的击穿强度第 2 页/共 80 页第三页，共80 页。高电压工程(gng

2、chng)基础稳态电压（持续(chx)电压）指直流电压或工频交流电压。3.1 稳态电压(diny)下的击穿特点：电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小，故放电发展所需的时间可以忽略不计，只要作用于间隙的电压达到击穿电压，间隙就会发生击穿。第 3 页/共 80 页第四页，共80 页。高电压(diny)工程基础直流电压：交流(jioli)电压：直流中所含的脉动分量的脉动系数(xsh)不大于3%。（脉动系数(xsh)是指脉动幅值与直流电压的平均值之比）直流电压的大小指直流电压的平均值。波形接近于正弦波，正、负两半波相同，峰值与有效值之比为，偏差不超过第 4 页/共 80 页第五页，共80 页。

3、高电压工程(gngchng)基础1、均匀电场(din chng)中的击穿 因电极布置对称，所以击穿电压无极性效应。因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于(dngy)击穿电压。不论何种电压（直流、交流、正负50%冲击电压）作用，其击穿电压（峰值）都相同，且分散性很小。第 5 页/共 80 页第六页，共80 页。高电压(diny)工程基础1、均匀(jnyn)电场中的击穿均匀(jnyn)电场中空气间隙的击穿电压（峰值）可根据下面经验公式求得：式中 d 间隙距离，cm；空气相对密度。均匀电场中空气的击穿场强（峰值）为30kV/cm。第 6 页/共 80 页第七页，共80 页。高电

4、压工程(gngchng)基础2、稍不均匀(jnyn)电场中的击穿稍不均匀电场中各处的场强差异不大，间隙中任何一处若出现自持放电，必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍不均匀的电场，任何一处自持放电的条件(tiojin)，就是整个间隙击穿的条件(tiojin)。电场不对称时，击穿电压有极性效应，但不显著。击穿前有电晕发生，但不稳定，一出现电晕，立即导致整个间隙击穿。间隙距离一般不是很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不大。第 7 页/共 80 页第八页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础2、稍不均匀电场(din chng)中的击穿

5、稍不均匀电场(din chng)的击穿电压与电场(din chng)均匀度关系极大，没有能够概括各种电极结构的统一的经验公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取类似的进行结构估算。（补充）电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。第 8 页/共 80 页第九页，共80 页。高电压(diny)工程基础（1）球间隙（eg：高压(goy)实验室中的测量球隙）a.dD/4 时，电场不均匀程度增大，击穿场强下降，出现极性效应；c.球隙测压器的工作范围dD/2；否则因放电分散性增大，不能保证测量的精度。2、稍不均匀电场中的击穿第

6、9 页/共 80 页第十页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（2）同轴圆柱电极（eg：高压标准电容器、单芯电缆(dinln)、GIS分相母线）（1）r/R0.1时，稍不均匀电场，击穿前不出现电晕，且由图可见，当r/R 0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘(juyun)设计时尽量将r/R选取0.250.4的范围内）。2、稍不均匀电场中的击穿第 10 页/共 80 页第十一页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（3）其他(qt)形状的电极布置 球状电极的电场不均匀系数大于相同半径(bnjng)的圆柱电极；间隙距离增大时，电场不均匀系数也增大。2、稍不均匀电场中的击

7、穿第 1 1 页/共 80 页第十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础3、极不均匀(jnyn)电场中的击穿 由于存在局部强场区，故间隙击穿前有稳定的电晕放电，间隙的起始放电电压小于击穿电压。对电极形状不对称的极不均匀电场(din chng)，有明显的极性效应。因间隙距离长，放电发展所需时间长，故外加电压的波形对击穿电压的影响大，击穿电压的分散性大。第 12 页/共 80 页第十三页，共80 页。高电压(diny)工程基础电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱（由于(yuy)电场已经极不均匀），间隙距离对击穿电压的影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况，棒板和棒棒作为典型电极结构，它们的击

8、穿电压具有代表性。在工程遇到很多极不均匀电场时，可以根据这些典型电极的击穿电压数据(shj)做简单的估算。极不均匀电场的击穿电压的特点：第 13 页/共 80 页第十四页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（1）直流电压作用的击穿(j chun)电压棒板、棒棒间隙的直流击穿电压(diny)与间隙距离的关系曲线正棒负板间隙的击穿电压最低，负棒正板间隙的击穿电压最高，棒棒间隙的击穿电压介于两者之间。第 14 页/共 80 页第十五页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（2）工频交流(jioli)电压作用的击穿电压由于棒板间隙的击穿总是(zn sh)发生在棒级为正时的半个周期且电

9、压达幅值时，故其击穿电压（峰值）和直流下正棒负板时的击穿电压相近。在电气设备上，应尽量采用棒-棒类对称型的电极结构，而避免棒-板类不对称的电极结构。棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压（有效值）第 15 页/共 80 页第十六页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础1、均匀电场的击穿特点击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压（峰值）都相同。2、稍不均匀电场的击穿特点击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击穿电压几乎一致。3、极不均匀电场的击穿特点击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形(b xn)对击穿电压影响很大。小 结：第 16 页/共 80 页第十七

10、页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础3.2 雷电冲击电压(diny)下的击穿1、冲击电压的标准(biozhn)波形标准雷电波的波形：T1=1.2s30，T2=50s20对于不同极性：+1.2/50s或-1.2/50s操作冲击波的波形：T1=250s20，T2=2500s60对于不同极性：+250/2500s或-250/2500s 波前时间 半峰值时间 第 17 页/共 80 页第十八页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础 足够(zgu)大的电场强度或足够(zgu)高的电压 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子 需要一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿完

11、成(wn chng)气隙击穿的三个必备条件：2、放电时延第 18 页/共 80 页第十九页，共80 页。高电压(diny)工程基础 直流电压、工频交流等持续作用(zuyng)的电压，可以满足上述三个条件；当所加电压为变化速度很快，作用(zuyng)时间很短的冲击电压时，因有效作用(zuyng)时间短（以微秒计），此时放电时间就变成一个重要因素。完成击穿所需放电(fng din)时间很短的（微秒级）：静态击穿电压：稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。击穿时间：间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的时间，也称为全部放电时间。第 19 页/共 80 页第二十页，共80 页。高电压(diny)工

12、程基础升压时间 t1：电压(diny)从零升到静态击穿电压(diny)所需的时间 统计时延 ts：从外施电压达到 Uo 时起，到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效(yuxio)电子为止，所需的时间。放电形成时延 t f：从出现第一个有效自由电子时起，到放电过程完成所需时间，即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间击穿时间：td=t1+ts+tf 放电时延：tl=ts+tf第 20 页/共 80 页第二十一页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础电场较均匀时，由于平均(pngjn)场强很高，放电发展速度快，放电时延近似等于统计时延。对于极不均匀电场，由于局部场强高（出现有效电子

13、的概率增加），而平均(pngjn)场强较低（放电发展速度慢），放电时延主要取决于放电形成时延。放电时延还与外加电压大小有关，总的趋势是总电压越高，放电过程发展的越快，放电时延越短。放电(fng din)时延与电场均匀度有关：第 21 页/共 80 页第二十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础放电时延服从统计规律，因此(ync)冲击击穿电压具有一定的分散性。工程上常用50%冲击击穿电压U50%表示间隙的冲击击穿特性。3、50击穿电压(diny)及冲击系数U50%间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。冲击击穿电压的放电概率一般认为服从高斯分布：第 22 页/共 80 页第二十三页，共80

14、 页。高电压工程(gngchng)基础 确定间隙的U50%的方法(fngf):保持标准波形不变，逐级升高电压幅值，每级电压值加10次，直到每10次中有4-6次击穿，则此电压可作为该间隙大致的U50%。每级加压次数越多，所得的U50%越准确。U50%与静态击穿电压U0的比值(bzh)称为冲击系数。均匀和稍不均匀电场下，1；极不均匀电场中，1，冲击击穿电压的分散性也较大。第 23 页/共 80 页第二十四页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础因为U50%只是(zhsh)在一定波形下对应于某个固定击穿时间的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲

15、击击穿特性。同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50%是不同的，如无特别说明，一般指用标准波形做出的。第 24 页/共 80 页第二十五页，共80 页。高电压(diny)工程基础图为标准雷电冲击电压下棒板及棒棒间隙的U50%和距离(jl)的关系。1.正棒-板 2.正棒-棒(接地(jid)3.负棒-棒(接地(jid)4.负棒-板棒板间隙具有明显的极性效应，棒棒间隙也具有不大的极性效应。这是由于大地的影响，使不接地的棒极附近电场增强的缘故。U50%与间隙距离间保持良好的线性关系。第 25 页/共 80 页第二十六页，共80 页。高电压(diny)工程基础一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压

16、，而且还必须(bx)有充分的电压作用时间。4、伏秒特性(txng)对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击穿电压值表示，而必须用电压峰值和延续时间两者共同表示。同一个气隙，冲击电压的峰值较低但延续时间较长，在此电压作用下，可能被击穿；冲击电压的峰值较高但持续时间较短，可能反而不被击穿。第 26 页/共 80 页第二十七页，共80 页。高电压(diny)工程基础伏秒特性对某一冲击电压波形(b xn)，间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。用实验确定间隙伏秒特性的方法：保持冲击电压的波形不变（T1/T2一定），逐渐升高电压使间隙发生击穿(j

17、 chun)，并根据示波图记录击穿(j chun)电压U与击穿(j chun)时间t。击穿发生在波前或峰值，取此刻值击穿发生在波尾，取峰值未击穿100%伏秒特性0%伏秒特性50%伏秒特性点：50%冲击击穿电压放电时延具有分散性第 27 页/共 80 页第二十八页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础伏秒特性的形状与间隙中电场的均匀程度(chngd)有关。对于均匀(jnyn)或稍不均匀(jnyn)电场因平均场强高，放电时延短，故曲线比较平坦，且分散性较小。对于极不均匀电场平均击穿场强较低，放电时延较长，其伏秒特性随放电时间的减少有明显上翘，且分散性较大。第 28 页/共 80 页第二十九

18、页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础绝缘的伏秒特性避雷器的伏秒特性伏秒特性曲线主要(zhyo)用来比较不同设备绝缘的冲击击穿特性。如果(rgu)一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1和S2上，其中一个气隙先击穿，则电压波被短接截断，另一个就不会再击穿。S2始终处于S1的下方，在任何电压波形下，S2都比S1的先被击穿。这个原则如用于保护装置和被保护设备，则就是 S2保护了S1。第 29 页/共 80 页第三十页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础绝缘的伏秒特性避雷器的伏秒特性若两间隙伏秒特性曲线相交，则在时延较短的区域S1先被击穿(j chun)，在时延较长的区域S2先被

19、击穿(j chun)，在两曲线交叉区域，可能是S1先被击穿(j chun)，也可能是S2先被击穿(j chun)。因此S2不能可靠保护S1。第 30 页/共 80 页第三十一页，共80 页。高电压(diny)工程基础1、放电时间的组成为：td=t1+ts+tf 2、标准雷电冲击电压波形：1.2/50s3、冲击电压下气隙的击穿特性（1）采用(ciyng)击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击穿特性；（2）伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。小 结：第 31 页/共 80 页第三十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础3.3 操作(cozu)冲击电压下的击穿电力系统的输电线

20、及电气设备具有电感和电容性，由于系统运行状态的突变，导致电感和电容元件间的电磁能转换，引起振荡性的过渡过程。该过程会在某些电气设备和电网上造成很高的电压，远远超过(chogu)正常运行的电压，称为操作过电压。操作过电压的幅值、波形与电力系统的电压等级有关。过渡过程的振荡基值等于系统运行电压，电压等级越高，操作过电压幅值也越高。这与雷电过电压不同，后者取决于接地电阻，与系统电压等级无关。第 32 页/共 80 页第三十三页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础直到20世纪50年代，各国还认为操作(cozu)过电压下的空气间隙及绝缘子的闪络电压=操作(cozu)冲击系数工频放电电压，且波形

21、的影响可忽略。220kV及以下电压等级电力系统：操作(cozu)冲击系数=1.1 220kV以上电压等级的电力系统：操作(cozu)冲击系数=1随着电力系统电压等级的提高，操作冲击下的绝缘问题越来越突出。近几年来研究发现，操作冲击电压下的气体绝缘放电特性有许多新的特点，应根据操作冲击电压波形下的放电电压进行设计。第 33 页/共 80 页第三十四页，共80 页。高电压(diny)工程基础操作过电压波形随电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大的变化。为了模拟操作过电压，需要(xyo)规定标准波形。1、操作冲击(chngj)电压的标准波形IEC标准：T1/T2=250(20

22、)/2500(60)s附加推荐：100/2500s 或 500/2500s 另外建议一种衰减振荡波：第一个半波的持续时间在20003000s，反极性的第二个半波的峰值约为第一个峰值的80%。第 34 页/共 80 页第三十五页，共80 页。操作过电压波形时随电压等级、系统参数、设备性能、操作性质和操作时机(shj)等因素有很大变化。第一个半波(bn b)的持续时间在2000-3000，反极性的第二半波(bn b)的峰值约为第一个半波(bn b)峰值的80%。1、操作冲击(chngj)电压的标准波形第 35 页/共 80 页第三十六页，共80 页。高电压(diny)工程基础操作冲击(chngj)

23、电压的作用时间：介于工频电压与雷电冲击(chngj)电压之间。在均匀场和稍不均匀场中,操作冲击(chngj)U50%、雷电冲击(chngj)U50%、直流放电电压和工频放电电压等幅值几乎相同，分散性不大，击穿发生在峰值附近。在极不均匀场中,操作冲击(chngj)表现出许多新的特点：U形曲线；极性效应；饱和现象；分散性大。2、操作冲击50击穿(j chun)电压的特点第 36 页/共 80 页第三十七页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础棒-板气隙的操作冲击击穿(j chun)电压（1）U形曲线(qxin)曲线呈U形，波前时间在某一区域内，气隙的50%击穿电压具有极小值，称为临界击穿电

24、压，与此相应波前时间称为临界波前时间。间隙距离d增大时，临界波前时间随之增大。d7m的间隙，临界波前时间约100300s范围内。间隙距离d越大，放电发展所需的时延越大，因此相应的临界波前时间就越大。第 37 页/共 80 页第三十八页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础棒-板气隙的操作冲击(chngj)击穿电压（1）U形曲线(qxin)U形曲线左半支的上升特征当波前时间从临界值减小，则放电发展时间缩短，放电时延减小，要求有更高的击穿电压才能实现击穿。U形曲线右半支的上升特征当波前时间从临界值增大，留给放电发展的时间足够长，再增大放电时间，对放电发展没有意义；另一方面，起晕棒极附近电离

25、处的与棒极同极性的空间电荷，能有足够的时间被驱赶到更远处，造成附加电场减弱，则不利于放电的进一步发展，从而要求更高的击穿电压才能击穿。第 38 页/共 80 页第三十九页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础棒-板气隙的操作(cozu)冲击击穿电压（1）U形曲线(qxin)棒-板间隙在某种波前的操作波作用下的击穿电压甚至比工频电压还低很多。其他结构的间隙也有这种情况，但程度较轻。原因:工频四分之一周波相当于波前时间5000s，位于U形曲线的右半支。因此，其击穿电压反而比临界波前操作冲击击穿高。这一点值得特别注意，对工程中各个气隙尺寸的选定有极其重要的影响。第 39 页/共 80 页第四

26、十页，共80 页。高电压(diny)工程基础（1）U形曲线(qxin)在各种不同的不均匀电场结构中，正极性操作冲击的50%击穿电压都比负极性的低，所以(suy)更危险。正棒-负板空气间隙U形曲线中，50%击穿电压极小值Umin(kV)可用经验公式计算：式中 d间隙距离，m。第 40 页/共 80 页第四十一页，共80 页。高电压(diny)工程基础（2）极性效应(xioyng)第 41 页/共 80 页第四十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础在操作冲击电压作用下，长间隙的击穿电压呈现出显著的饱和现象，特别是棒-板型间隙饱和程度(chngd)尤为明显。这一点与工频击穿电压的规律类似。而

27、雷电过电压下的饱和现象却不明显。（3）饱和(boh)现象第 42 页/共 80 页第四十三页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础击穿电压的分散性可用相对(xingdu)标准差表示（4）击穿(j chun)电压的分散性大极不均匀电场的空气间隙，在波前时间为数十微秒至数百微秒的操作冲击电压作用下，约为5%，而在雷电冲击电压下，约为3%，工频电压作用下，分散性更小，2%。第 43 页/共 80 页第四十四页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础1、标准操作冲击电压波形(b xn)为非周期性指数衰减波形(b xn)。2、标准操作冲击电压的波形(b xn)对U50%影响很大。3、极性效

28、应更显著。4、击穿电压的分散性大。小 结：第 44 页/共 80 页第四十五页，共80 页。高电压(diny)工程基础3.4 大气密度和湿度对击穿(j chun)的影响 温度(wnd)t020 压力 p0101.3kPa 绝对湿度 h011g/m31、标准大气条件空气间隙中气体的状态，如温度、湿度和气压等因素，都会影响空气的电离发展，从而影响间隙的击穿电压或放电电压。第 45 页/共 80 页第四十六页，共80 页。高电压(diny)工程基础2、大气条件(tiojin)的校正空气密度增大时，空气中自由电子的平均自由行程缩短，不易造成碰撞电离，所以空气间隙的击穿电压升高。空气的湿度增加时，由于水

29、蒸气是电负性气体(qt)，易俘获自由电子形成负离子，使电离减弱，所以空气间隙的击穿电压升高。在均匀电场中，湿度的影响很小，击穿前各处的场强都很高，即各处电子运动速度很高，不易被水分子俘获形成负离子。在湿度较大时，绝缘子的闪络电压可能出现随湿度增加而降低的情况。第 46 页/共 80 页第四十七页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础2、大气(dq)条件的校正试验时的放电(fng din)电压U与标准大气条件下的放电(fng din)电压U0间的换算关系为：（1）放电电压的校正Kt 大气校正因数K1 空气密度校正因数K2 空气湿度校正因数第 47 页/共 80 页第四十八页，共80 页。

30、高电压(diny)工程基础（1）空气密度校正(jiozhng)因数K1t 试验(shyn)条件下的温度，p 试验条件下的压力，kPa 相对空气密度。第 48 页/共 80 页第四十九页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（2）湿度(shd)校正因数K2K 取决于试验(shyn)电压的种类，且为绝对湿度h 与相对空气密度 的比率h/的函数。第 49 页/共 80 页第五十页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（3）指数(zhsh)m和WUB 实际大气(dq)条件下50%放电电压的测量值或估算值，kV；L 试品最小放电路径，m；、K 实际的空气相对密度和湿度校正因数式中参数。第

31、 50 页/共 80 页第五十一页，共80 页。例：某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区，问平原(pngyun)地区的制造厂在标准大气条件下进行1min干工频耐受试验时，试验电压应为多少？解：查GB311.1-1997，35 kV母线支柱绝缘子的1 min.干工频耐受电压应为100 kV有效值，于是可算得平原(pngyun)地区制造厂在标准大气条件下应进行 U=100/(1.1-4500*10-4)=154 kV的试验。第 51 页/共 80 页第五十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础例：某距离4m的棒-板间隙，在夏季某日气压 P=99.8kP，环境温度t=30，空气绝对湿

32、度h=20g/m3的大气条件下，问正极性50%操作冲击击穿(j chun)电压为多少？第 52 页/共 80 页第五十三页，共80 页。高电压(diny)工程基础解：由实验曲线查得：距离为4m长的棒-板间隙在标准大气压状态下的正极性50%操作(cozu)冲击击穿电压为U50标=1300kV查曲线(qxin)得：K=1.1第 53 页/共 80 页第五十四页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础查曲线(qxin)得：m=W=0.34第 54 页/共 80 页第五十五页，共80 页。高电压(diny)工程基础3、海拔高度对放电(fng din)电压的影响高海拔地区由于气压下降，空气相对(x

33、ingdu)密度下降，因此空气间隙的放电电压也随之下降。在海拔1000-4000m的范围内，海拔每升高100m，空气的绝缘强度约下降1%。(即绝缘能力变弱)国家标准规定，对拟用于高海拔地区(海拔1000-4000m)的外绝缘设备，在非高海拔地区(海拔1000m以下)进行试验时，其试验电压校正如下：U0 标准大气条件下的试验电压，kV；KA 海拔校正因数，kV；H 设备使用处海拔高度，m；第 55 页/共 80 页第五十六页，共80 页。高电压(diny)工程基础小 结：气体的放电电压与大气状态有关，气体的相对密度增大时，气体的放电电压也随之增大。空气(kngq)的湿度增大时，气体的放电电压也增

34、大，但均匀和稍不均匀电场下增加不明显。沿面闪络电压降低。海拔高度增加时，气体(qt)的放电电压下降。第 56 页/共 80 页第五十七页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础3.5 提高(t go)气隙击穿电压的措施 改进电极的形状 利用空间电荷改善(gishn)电场的分布 极不均匀电场中屏障的采用 高气压的采用 强电负性气体(SF6)的应用 高真空的采用第 57 页/共 80 页第五十八页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础（1）改善(gishn)电场分布（2）削弱气体中的电离过程高压电气设备中经常遇到(y do)气体绝缘间隙。为了减少设备尺寸，一般希望间隙的绝缘距离尽可能

35、小。因此，必须采取措施，以提高气体间隙的击穿电压。提高气体间隙的平均击穿场强有两个途径：第 58 页/共 80 页第五十九页，共80 页。高电压(diny)工程基础1、改进电极(dinj)形状以改善电场分布 增大电极曲率半径 如变压器套管端部加球形屏蔽(pngb)罩、采用扩径导线等（截面相同，半径增大）。第 59 页/共 80 页第六十页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础1、改进电极形状以改善电场(din chng)分布 改善电极边缘(binyun)电极边缘(binyun)做成弧形，以消除边缘(binyun)效应，同时电极表面尽量避免毛刺、棱角以消除电场局部增强的现象。第 60 页

36、/共 80 页第六十一页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础1、改进(gijn)电极形状以改善电场分布 使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线(ynxin)上加金属扁球，墙洞边缘做成近似垂链线旋转体。第 61 页/共 80 页第六十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础2、利用空间电荷对原电场(din chng)的畸变作用 例如利用电晕放电(fng din)产生的空间电荷来改善极不均匀场间隙中电场分布小节)，从而提高间隙的击穿电压。但应该指出，上述细线效应只存在于一定的间隙距离范围之内，间隙距离超过一定值，细线也将产生刷状放电(fng din)，从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压

37、与棒板或棒棒间隙的相近。另外，此种提高击穿电压的方法仅在持续作用电压下才有效，在雷电冲击电压下并不适用。1D=0.5mm 2D=3mm 3D=16mm 4D=20mm 虚线棒-板电极间隙 点划线均匀场间隙导线板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系第 62 页/共 80 页第六十三页，共80 页。高电压(diny)工程基础3、极不均匀电场(din chng)中屏障的采用 在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片固体绝缘材料（如纸或纸板）阻挡空间电荷，利用空间电荷产生的电场改变电场分布。屏蔽(pngb)在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压，其效果与电压种类有关。屏蔽(pngb)用绝缘材料

38、制成，但它本身的绝缘性能无关紧要，重要的是它的密封性（拦住带电粒子的能力）。屏蔽(pngb)的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。第 63 页/共 80 页第六十四页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础当棒极为阳极性时，设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。无屏障时，棒极附近形成的正极性空间电荷加强了前方电场，促进了电离区向前推进，因此击穿电压很低。当设置屏蔽后，正离子在屏障上聚集，因为(yn wi)同号电荷相斥，正离子在屏障表面分布较均匀，从而在屏障前方形成较均匀电场，改善了整个间隙的电场分布，

39、因此可以提高击穿电压。当屏障靠近棒极时，屏障与板极间的均匀电场区扩大，间隙的击穿电压上升；但屏障离棒极过近时，屏障上的正电荷分布不再均匀，屏障前方又出现极不均匀电场，屏蔽作用减弱。第 64 页/共 80 页第六十五页，共80 页。高电压(diny)工程基础对负棒-板间隙，屏障的作用效果某些部分与正棒-板相似,但是有许多不同的地方，说明如下(rxi)：当屏障较靠近板极处，间隙击穿电压反而降低。因为无屏障时，负离子扩散于空间，部分消失于电极，影响电场分布的主要是正离子，它削弱了前方的电场。但是设置屏障后，屏障上聚集大量的负离子影响了电场分布，加强了前方电场。因此屏障较远离棒极后，设置的屏障反而减低

40、了间隙的击穿电压。当屏障离棒极过近时，仍然具有屏障作用。因为电子速度高，可以穿透屏障，从而屏障上无法聚集大量负电荷，而屏障另一边由电离造成的正电荷被屏障阻挡，使屏障带正电，因此屏障和板极间的电场被削弱，当屏障紧靠棒极时，仍具有屏蔽效应.第 65 页/共 80 页第六十六页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础直流电压(diny)下棒板空气间隙的击穿电压(diny)和屏障位置的关系 第 66 页/共 80 页第六十七页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础工频电压下棒板空气间隙(jin x)的击穿电压和屏障位置的关系（屏障的作用与直流电压作用下正棒-板的情况相近）第 67 页/共

41、 80 页第六十八页，共80 页。高电压(diny)工程基础4、高气压的采用(ciyng)采用改善电场分布，来提高击穿电压的方法，其平均击穿场强仍然均匀电场中大气压下空气的电气强度(约30kV/cm)，这个数值并不高，可见常压下空气的电气强度要比一般固体(gt)和液体介质的电气强度低得多。提高气体压力，减小电子的平均自由行程，可以削弱气体中的电离过程，提高击穿电压。均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系12.8MPa的空气 20.7MPa的SF 6 3高真空4变压器油 50.1MPa的SF 6 6大气第 68 页/共 80 页第六十九页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础采用高

42、气压时，下面因素的影响(yngxing)应给予注意：（1）电场(din chng)均匀度的影响在高气压下，电场均匀度对击穿电压的影响比在大气压力下显著的多。电场均匀度下降，击穿电压降剧烈降低。所以采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀。（2）电极表面状态的影响在高气压下，气隙的击穿电压与电极表面的粗糙度有很大的关系。湿度、表面污物等因素在高气压下对气隙击穿电压的影响比常压下显著。高气压下，应尽可能采用均匀电场，电极表面应光洁，气体要滤去尘埃和水分。第 69 页/共 80 页第七十页，共80 页。高电压(diny)工程基础5、强电负性气体(qt)的应用 采用高气压方法(fngf)的缺点:(1)到

43、达一定限度后，设备密封困难，成本大大提高。(2)提高到10个大气压后，再提高气压，效果大大下降。(3)空气中的氧在高气压下因击穿时的火花可能引起绝缘材料的燃烧。第 70 页/共 80 页第七十一页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础许多含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来代替空气，可以大大提高间隙(jin x)的击穿电压，缩小设备尺寸，降低工作气压。高电气强度气体仅仅满足电气强度高是不够的，还必须同时满足以下条件：液化温度要低，这样才能(cinng)同时采用高气压；良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；生产不

44、太困难，价格不过于昂贵。第 71 页/共 80 页第七十二页，共80 页。高电压(diny)工程基础SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，因此SF6及其混合气体被广泛(gungfn)用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管以及全封闭组合电器中。SF6等气体电气强度高的原因：由于含有卤族元素，气体具有很强的电负性。即气体分子容易与电子(dinz)结合形成负离子，从而削弱了电子(dinz)的碰撞电离能力，同时也加强了复合过程。气体分子量及分子直径较大，使电子(dinz)在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少了碰撞电离的能力。第 72 页/共 80 页第七十三页

45、，共80 页。高电压(diny)工程基础在电弧或局部放电的高温作用下，SF6会产生热电离，变成硫和氟原子，它们可与电极材料或固体(gt)绝缘材料分解释放出的氧气作用，生成低氟化合物。当气体中有水分时，这些低氟化合物会与水发生反应，生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸等。SF6气体只适合在均匀电场或稍不均匀电场中使用。缺点：价高、液化温度不够低，对电场(din chng)的不均匀度太敏感。措施：常用SF6-N2混合气体。第 73 页/共 80 页第七十四页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础6、高真空(zhnkng)的采用 按气体放电(fng din)理论，采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离

46、过程而显著提高气隙的击穿电压。真空击穿机理：强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热并释放出气体，发生金属气化，破坏了真空，故引起击穿。间隙距离对击穿的影响：规律：击穿场强随间距的增加而降低。原因：随着间隙距离及击穿电压的增大，电子从阴极到阳极经过了巨大的电位差，积聚了很大的动能。高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子。正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部气化，导致击穿。击穿电压击穿场强第 74 页/共 80 页第七十五页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础在完全相同的实验条件下，击穿电压随电极材料熔点的提高而增

47、大，因为(yn wi)强场发射电流达到临界电流密度，致使金属微细突起物迅速熔化成金属蒸气导致击穿。稍不均匀电场中高真空的直流击穿电压与电极材料的关系锌铝铜钢第 75 页/共 80 页第七十六页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础电极材料与电极温度对高真空交流击穿电压的影响对电极采取冷却(lngqu)措施具有与提高电极材料熔点相同的效果，也可使击穿电压提高。铜电极 T293K铜电极 T80K钢电极 T293K第 76 页/共 80 页第七十七页，共80 页。高电压(diny)工程基础电力设备中目前还很少采用高真空作为绝缘，因为电力设备的绝缘结构中总会使用固体绝缘材料，这些固体绝缘材料会

48、逐渐释放出吸附的气体，使真空无法保持。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用。真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力(nngl)，所以用于配电网中的真空断路器还是很合适的。第 77 页/共 80 页第七十八页，共80 页。高电压工程(gngchng)基础小 结：球形屏蔽极可以显著改善电场分布，提高(t go)气隙的击穿电压；在气隙中放置形状和位置合适、能阻挡带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，可明显提高(t go)气隙击穿电压；高气压和高电气强度气体相结合是一种有效的气体绝缘形式；高真空气体主要用于配电网真空断路器中。第 78 页/共 80 页第七十九页，共80 页。谢谢(xi xie)大家！第 79 页/共 80 页第八十页，共80 页。