3气隙的电气强度.pptx
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1、第三章第三章 气隙的电气强度气隙的电气强度第一节第一节 气隙的击穿时间气隙的击穿时间第二节第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响第四节第四节 较均匀较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压不均匀电场气隙的击穿电压第五节第五节 提高气隙击穿电压的方法提高气隙击穿电压的方法3.1 3.1 气隙的击穿时间气隙的击穿时间足够大的电场强度或足够高的电压足够大的电场强度或足够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有效电子需要一定的时间,让放电
2、得以逐步发展并完成击穿需要一定的时间,让放电得以逐步发展并完成击穿完成气隙击穿的三个必备条件:完成气隙击穿的三个必备条件:直流电压、工频交流等持续作用的电压,可以满足直流电压、工频交流等持续作用的电压,可以满足上述三个条件;上述三个条件;当所加电压为变化速度很快,作用时间很短的冲击当所加电压为变化速度很快,作用时间很短的冲击电压时,因有效作用时间短(以微秒计),此时电压时,因有效作用时间短(以微秒计),此时放电时间就变成一个重要因素。放电时间就变成一个重要因素。完成击穿所需放电时间很短的(完成击穿所需放电时间很短的(微秒级微秒级):):静态击穿电压静态击穿电压:稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿
3、:稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。的最低电压。击穿时间击穿时间:间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的: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。时间,也称为全部放电时间。击穿时间击穿时间t tb b=t=t0 0+t+ts s+t+tf f 放电时延:放电时延:t1=ts+tftst0tftltbUPutU055tst0tftltbUutU0u第一阶段第一阶段 升压时间升压时间t1(0U0静态击穿电压)静态击穿电压):击穿过程可能并未开始:击穿过程可能并未开始p对于持续电压(直流、工频对于持续电压(直流、工频电压):此阶段电压升到电压):此阶段电压升到U0,气隙
4、气隙即被击穿;即被击穿;p非持续电压下(雷电、操作非持续电压下(雷电、操作冲击电压):由于冲击电压):由于t0非常短,非常短,即使电压升到即使电压升到U0,气隙不立,气隙不立即击穿。即击穿。-无有效电子无有效电子p自由电子的出现需要时间自由电子的出现需要时间p电子电子-负离子负离子p电离终止电离终止56tst0tftltbUutU0u第二阶段第二阶段 统计时延统计时延ts(U0 出现第一个有出现第一个有效电子效电子):击穿过程开始,具有):击穿过程开始,具有统计性统计性p由于有效电子的出现是一个由于有效电子的出现是一个随机事件,取决于很多偶然随机事件,取决于很多偶然因素,所以因素,所以ts具有
5、分散性具有分散性。pts每次都不一样,要确定每次都不一样,要确定ts就就要记录多个时间值进行统计,要记录多个时间值进行统计,故称为统计时延。故称为统计时延。pts(平均值)的影响因素:电(平均值)的影响因素:电极材料、外加电压、光照射、极材料、外加电压、光照射、电场情况。电场情况。67tst1tftlagtbUutUsu第三阶段第三阶段 放电形成时延放电形成时延tf(出现第一个有出现第一个有效电子效电子气隙被击穿气隙被击穿):具有统):具有统计性计性p对于汤逊理论:对于汤逊理论:过程过程+过程过程气隙被击穿;气隙被击穿;p对于流注理论:电子碰撞电对于流注理论:电子碰撞电离离+流注的形成流注的形
6、成气隙被击穿气隙被击穿ptf的影响因素:间隙长度、电的影响因素:间隙长度、电场均匀度、外加电压;场均匀度、外加电压;78放电时间构成的总结放电时间构成的总结tst0tftltbUutU0u总放电时间总放电时间tbtbt0+ts+tf(统计性)(统计性)u放电时延放电时延tltl=ts+tf(统计性)(统计性)89u间隙距离越短,电场越均匀间隙距离越短,电场越均匀,放电形成时延,放电形成时延tf越小,越小,tstf ,放电时延主要取决于统计时延放电时延主要取决于统计时延ts 提高外施电压提高外施电压人工光源照射人工光源照射u较长的间隙,不均匀电场较长的间隙,不均匀电场,局部场强很高,出现有,局部
7、场强很高,出现有效电子的概率增加,统计时延较小。放电时延主要效电子的概率增加,统计时延较小。放电时延主要取决于放电形成时延取决于放电形成时延tf,且电场越不均匀则,且电场越不均匀则tf越长,越长,提高外施电压提高外施电压93.2 3.2 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一一.电压波形电压波形二二.伏秒特性伏秒特性三三.气隙击穿电压的概率分布气隙击穿电压的概率分布一一.电压波形电压波形(一)直流电压(一)直流电压 直流试验电压大都由交流整流而得,其波形必然有一定的脉动,通常直流试验电压大都由交流整流而得,其波形必然有一定的脉动,通常所称的电压值是指平均值。直流
8、电压的所称的电压值是指平均值。直流电压的脉动幅值脉动幅值是最大值与最小值之差的是最大值与最小值之差的一半。一半。纹波系数纹波系数为脉动幅值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试为脉动幅值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于验电压的纹波系数应不大于3。(二)工频交流电压(二)工频交流电压 工频交流试验电压应近似为正弦波,正负两半波相同,其峰值与有效工频交流试验电压应近似为正弦波,正负两半波相同,其峰值与有效值之比应在值之比应在 以内。频率一般在以内。频率一般在45-65Hz45-65Hz范围内。范围内。(三)雷电冲击电压(三)雷电冲击电压 用来模拟电力系统中的雷用来
9、模拟电力系统中的雷电过电压波,采用非周期性双电过电压波,采用非周期性双指数波。如图:指数波。如图:T1视在波前时间;视在波前时间;T2视在半峰值时间视在半峰值时间;Um冲击电压峰值冲击电压峰值T T1 1=1.2s=1.2s,容许偏差容许偏差30%;T2=50s,容许偏差,容许偏差20%通常通常写成写成1.2/50s,并可在前面加上正、负号表示极性。波形峰值,并可在前面加上正、负号表示极性。波形峰值Um允许偏差允许偏差3%国际电工委员会国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为:和我国国家标准规定为:T1=1.2s,容许偏差,容许偏差30%;截断时间;截断时间Tc=25s.可写成可写成1.2
10、/25s.(四)标准雷电截波(四)标准雷电截波 用来模拟雷电过用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的外绝缘闪络后出现的截尾冲击波。截尾冲击波。IEC标准和我国国家标准规定为:标准和我国国家标准规定为:IEC标准和我国标准规定为标准和我国标准规定为左下图左下图:波前时间:波前时间Tp=250s20%;半峰值时间;半峰值时间T2=2500s60%。可写成。可写成250/2500s冲击波。当在试验中上述波形不能满足冲击波。当在试验中上述波形不能满足要求时,推荐采用要求时,推荐采用100/2500s 和和 500/2500s 冲击波。冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波此
11、外还建议采用一种衰减震荡波右下图右下图,第一个半波的持续时间在,第一个半波的持续时间在20003000s之间,极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的之间,极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%0.510 u/UmTpT2tu0UmTptTp=1000 1500us(五)操作冲击电压(五)操作冲击电压二二.伏秒特性伏秒特性 气隙的伏秒特性:气隙的伏秒特性:在同一波形,不同幅值的冲击电压作用下,气在同一波形,不同幅值的冲击电压作用下,气隙上出现的隙上出现的电压最大值和击穿时间的电压最大值和击穿时间的关系,称为该关系,称为该气隙的伏秒特性。气隙的伏秒特性。(一)伏秒特性曲线的制
12、作(一)伏秒特性曲线的制作保持一定的冲击电压波形不变,保持一定的冲击电压波形不变,而逐级升高电压而逐级升高电压,电压为纵坐,电压为纵坐标,时间为横坐标标,时间为横坐标电压较低时,击穿一般发生在电压较低时,击穿一般发生在波尾波尾,取该,取该电压的峰值与击穿电压的峰值与击穿时刻时刻,得到相应的点;,得到相应的点;电压较高时,击穿一般发生在电压较高时,击穿一般发生在波头波头,取,取击穿时刻的电压瞬时击穿时刻的电压瞬时值及该时刻值及该时刻,得到相应的点;,得到相应的点;把这些相应的点连成一条曲线,把这些相应的点连成一条曲线,就是该气隙在该电压波形下的就是该气隙在该电压波形下的“伏秒特性曲线伏秒特性曲线
13、”。u0t123二二.伏秒特性(续)伏秒特性(续)实际上实际上伏秒特性伏秒特性具有统计分散性,具有统计分散性,是一个以上是一个以上下包线为界的带状区域。下包线为界的带状区域。U50%u0t2313-U0%2-U50%1-U100%19u 50%冲击击穿电压冲击击穿电压击穿百分比为击穿百分比为50%的的击穿电压。击穿电压。p由于放电时延和放电时间均具有由于放电时延和放电时间均具有统计分散性统计分散性,多,多次重复施加电压时可能有几次击穿而另几次没击次重复施加电压时可能有几次击穿而另几次没击穿。随着电压的提高,发生击穿的百分比将越来穿。随着电压的提高,发生击穿的百分比将越来越大。越大。p工程实际中
14、广泛采用击穿百分比为工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压时的电压U50%来表征气隙的冲击击穿特性。来表征气隙的冲击击穿特性。在实际中施在实际中施加加10次电压有次电压有46次击穿,就可认为这一电压为次击穿,就可认为这一电压为气隙的气隙的U50%冲击击穿电压冲击击穿电压。(二)伏秒特性曲线的应用(二)伏秒特性曲线的应用1.间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布2.伏伏秒秒特特性性对对于于比比较较不不同同设设备备绝绝缘缘的的冲冲击击击击穿穿特特性性具具有有重重要要意意义义,是是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据防雷设计中实现保护设备和被
15、保护设备的绝缘配合的依据。3-2-6 S3-2-6 S2 2对对S S1 1 起保护作用起保护作用 3-2-7 在高幅值冲击电压作用下,在高幅值冲击电压作用下,S2 2不起保护作用不起保护作用三三.气隙击穿电压的概率分布气隙击穿电压的概率分布 气隙的击穿电压具有一定的分散性,即气隙的击穿电压具有一定的分散性,即“击击穿概率分布特性穿概率分布特性”。研究表明,气隙击穿的几率分。研究表明,气隙击穿的几率分布接近正态分布,通常可以用布接近正态分布,通常可以用U50%和变异系数和变异系数Z来来表示。表示。变异系数是相对数形式表示的变异指标。它变异系数是相对数形式表示的变异指标。它是通过变异指标中的全距
16、、平均差或标准差与平均是通过变异指标中的全距、平均差或标准差与平均数对比得到的。数对比得到的。常用的是标准差系数常用的是标准差系数。气隙绝缘,关心的不仅是其气隙绝缘,关心的不仅是其U50%击穿电压,更重要击穿电压,更重要的是其耐受电压。的是其耐受电压。100%的耐受电压是很难测的的耐受电压是很难测的(要做无穷次的实验),(要做无穷次的实验),工程实际中常用对应于很工程实际中常用对应于很高耐受几率高耐受几率(例如例如99以上以上)的电压作为耐受电压的电压作为耐受电压。冲击系数冲击系数U50%与与 静态击穿电压静态击穿电压U0 之比称为冲之比称为冲击系数击系数。均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的。
17、均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小,分散性很小,冲击系数冲击系数 1。极不均匀电场中由。极不均匀电场中由于放电时延较长,冲击系数于放电时延较长,冲击系数均大于均大于1。我国的国家标准所规定的标准大气条件为:我国的国家标准所规定的标准大气条件为:压力压力 p0=101.3kpa(760mmHg););温度温度 t0=20 或或 T0=293K;绝对湿度绝对湿度 hc=11g/m3。3.3 3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响 由于大气的由于大气的压力、温度、湿度压力、温度、湿度等条件会影响空气的密度、等条件会影响空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过
18、程,影响电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程,影响气隙的击穿电气隙的击穿电压压Ub。空气密度增大空气密度增大时时,空气中,空气中自由自由电电子的平均自由子的平均自由行程行程缩缩短短,不易造成碰撞,不易造成碰撞电电离,所以空气离,所以空气间间隙的隙的击击穿穿电压电压升高。升高。空气的湿度增加空气的湿度增加时时,由于,由于水蒸气是水蒸气是电负电负性气体,性气体,易俘易俘获获自由自由电电子形成子形成负负离子,使离子,使电电离减弱离减弱,所以空,所以空气气间间隙的隙的击击穿穿电压电压升高。升高。气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高?气隙的击穿电压随大气密度或湿度的增加而升高?式中式中:U 实际试
19、验条件下的气隙击穿电压实际试验条件下的气隙击穿电压 U0 标准大气条件下的气隙击穿电压标准大气条件下的气隙击穿电压 Kd空气密度校正因数空气密度校正因数 Kh湿度校正因数湿度校正因数气隙击穿电压的换算公式气隙击穿电压的换算公式 空气的密度与压力和温度有关空气的密度与压力和温度有关。空气的相对密度。空气的相对密度式中式中 p气压,气压,kPa;T绝对温度,绝对温度,K。在大气条件下,在大气条件下,气隙的击穿电压随空气的相对密度气隙的击穿电压随空气的相对密度的增大而提高的增大而提高。当当处于处于0.951.05的范围内时,气隙的击穿电压几乎与的范围内时,气隙的击穿电压几乎与成正比,即此时成正比,即
20、此时的空气密度校正因数的空气密度校正因数 Kd,因而,因而U U0 气隙不长(不超过气隙不长(不超过1m)时)时,上式能足够精确的使用于各种电场形式和,上式能足够精确的使用于各种电场形式和各种电压类型下近似的工程估算。各种电压类型下近似的工程估算。一一.对空气密度的校正对空气密度的校正 对更长空气间隙来说,对更长空气间隙来说,击穿电压与大气的关系击穿电压与大气的关系并不是并不是一种简单的线形关系一种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙长。而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系度而变化的复杂关系。Kd 如下式计算如下式计算 式中式中指数指数 m,n 与电极形状、气隙长度、电
21、压类型及极与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关,值在性有关,值在0.41.0的范围内变化的范围内变化,具体取值可参考有关国,具体取值可参考有关国家标准的规定。家标准的规定。一一.对空气密度的校正对空气密度的校正(续续)在均匀和稍不均匀电场中在均匀和稍不均匀电场中,放电开始时,整个气隙的电场,放电开始时,整个气隙的电场强度都很大,电子运动速度较快,不易被水分子俘获,强度都很大,电子运动速度较快,不易被水分子俘获,因而湿因而湿度影响不太明显度影响不太明显,可以忽略不计。,可以忽略不计。在在极不均匀电场中,湿度影响就很明显了极不均匀电场中,湿度影响就很明显了,可用下面的湿,可用下面的湿度校正因数
22、来校正。度校正因数来校正。式中式中因数因数 K与绝对温度和电压类型有关与绝对温度和电压类型有关,而,而指数指数 W 之值之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可。具体值亦可参考有关国家标准。参考有关国家标准。二二.对湿度的校正对湿度的校正Kh=KW指数指数m和和W的求取的求取 UB 实际实际大气条件下大气条件下50%放放电电压电电压的的测测量量值值或估或估算算值值,kV;L 试试品最小放品最小放电电路径,路径,m;、K 实际实际的空气相的空气相对对密度和湿度校正因数式中参数。密度和湿度校正因数式中参数。例:某距离例:某距离4m的棒的棒
23、-板板间间隙,在夏季某日气隙,在夏季某日气压压 P=99.8kP,环环境温度境温度t=30 ,空气,空气绝对绝对湿湿度度h=20g/m3的大气条件下,的大气条件下,问问正极性正极性50%操作冲操作冲击击击击穿穿电压为电压为多少?多少?解:由解:由实验实验曲曲线查线查得:距离得:距离为为4m长长的棒的棒-板板间间隙在隙在标标准大气准大气压压状状态态下的正极性下的正极性50%操作冲操作冲击击击击穿穿电电压为压为U50标标=1300kV查查曲曲线线得:得:K=1.1查查曲曲线线得:得:m=W=0.34三、海拔高度三、海拔高度对对放放电电压电电压的影响的影响高海拔高海拔地区由于气地区由于气压压下降,下
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