高电压技术 教案.ppt

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1、绪论 第一篇 电介质的电气强度 第二篇 电气设备绝缘试验 第三篇 电力系统过电压及其防护与绝缘配合,第一篇 电介质的电气强度,1.什么是电介质？,2.什么是电介质的电气强度？,电介质作为绝缘材料，分为：气体介质、固体介质和液体介质，常进行组合。,电介质的耐击穿性能（绝缘性能）。,第一章 气体放电的基本物理过程 第二章 气体介质的电气强度 第三章 液体和固体介质的电气特性,第一篇 电介质的电气强度,本章要求,掌握带电粒子产生和消失的途径； 掌握气体放电的汤森理论和流注理论； 了解不均匀电场中的放电过程； 掌握沿面放电形成机理和预防措施。,第一章 气体放电的基本物理过程,第一节 带电粒子的产生与消

2、失 第二节 电子崩 第三节 自持放电条件 第四节 起始电压与气压的关系 第五节 气体放电的流注理论 第六节 不均匀电场的放电过程 第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 第八节 沿面放电与闪络,第一章 气体放电的基本物理过程,第一节 带电粒子的产生和消失,气体放电,一、带电粒子在气体中的运动描述 （一）自由行程长度,第一节 带电粒子的产生和消失,当气体中存在电场时，带电粒子具有复杂的运动轨迹： （1）与中性的气体粒子（原子或分子）一样，进行着杂乱无章的热运动； （2）沿着电场作定向漂移。,平均自由行程长度 各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞。单位行程(1cm)中的碰撞次数Z的倒数即为该粒子的平

3、均自由行程长度。 实际的自由行程长度是随机量，粒子的平均自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为,可见实际的自由行程长度x等于或大于平均自由行程长度的概率为36.8%.,第一节 带电粒子的产生和消失,由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度,式中 r-气体分子的半径； N-气体分子的密度； 由于 ，代入上式即得,式中 p-气压，Pa； T-气温，K； k-波尔茨曼常数，,第一节 带电粒子的产生和消失,可见，电子的平均自由行程除了与气体种类有关外，还与气压及温度有关。,（二）带电粒子的迁移率 迁移率:

4、带电离子在电场力的驱动下，将沿着电场方向漂移，其速度v与场强E成正比,其比例系数k=v/E，称为迁移率，它表示该带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。 电子更易被加速：由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多,更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。,第一节 带电粒子的产生和消失,( 三 )扩散 扩散：在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程叫扩散。 影响扩散的因素：气压越低，温度越高（密度小），则扩散进行的越快。 电子扩散速度快：电子的热运动速度大，自由行程长度也大，所以其扩散速度也要比离

5、子快得多。,第一节 带电粒子的产生和消失,二、带电粒子的产生,电离：产生带电粒子的过程称为电离（或游离)，它是气体放电的首要前提。 激励：气体原子中的电子沿着原子核周围的圆形或椭圆形轨道围绕着带正电的原子核旋转。当原子获得外加能量时，一个或若干个电子可能转移到离核较远的轨道上去。这种现象叫激励。产生激励所需的能量（激励能）等于该轨道和常态轨道的能级差。,第一节 带电粒子的产生和消失,电离：如果原子获得的外加能量足够大，电子摆脱原子核的约束而成为自由电子，这时原来中性的原子发生了电离，分解成两种带电粒子电子和正离子。 电离能：使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能

6、。,第一节 带电粒子的产生和消失,表1-1 某些气体的激励能和电离能,能量来源：引起电离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，例如:光能、热能、机械能（动）能，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离。,第一节 带电粒子的产生和消失,（一）光电离 频率为的光子能量为 h普郎克常数= 发生空间光电离的条件为 或者 式中 光的波长，m; c光速 ； Wi 气体的电离能，eV。,第一节 带电粒子的产生和消失,通过 的计算可知，各种可见光（波长大于290nm）都不可能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种电离能特别小的金属蒸汽发生光电离，只有那些波长更短的高能辐射线 （ 例如X 射线、 射

7、线等）才能使气体发生光电离。,在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界的高能辐射线，而且还可能是气体放电本身，例如后面将要介绍的带电粒子复合的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。,第一节 带电粒子的产生和消失,在高温下，气体分子和原子热运动加快，它们互相碰撞，在温度足够高时会撞击产生离子和自由电子，这种现象称为热游离。,（二）热电离,第一节 带电粒子的产生和消失,（二）热电离 电离度：气体中已发生电离的分子数与总分子的比值m 称为该气体的电离度 。 下图是空气的电离度与温度的关系曲线，可知：只有在温度超过10000K时 ( 例如电弧放电的情况 ) ，才需考虑热电离；而在温度达到200

8、00K左右时，几乎全部空气分子都已处于热电离状态。,第一节 带电粒子的产生和消失,（三）碰撞电离,第一节 带电粒子的产生和消失,当有一定强动能的电子撞击到某种气体的中性质点时，可使其间电子被释放出来，游离成正离子和新的自由电子。被撞击的电子和原来的电子又会在电场作用下向阳极作加速运动，获得足够动能后，又将撞击其它中性质点，产生更多的自由电子和正离子，使带电质点浓度迅速增加。这一游离过程即称为碰撞游离。,（三）碰撞电离 电子在电场强度为 E 的电场中移过x 距离时所获得的动能为,式中 m电子的质量； qe电子的电荷量。 如果 W 等于或大于气体分子的电离能Wi ，该电子就有足够的能量去完成碰撞电

9、离，由此可得出电子引起碰撞电离的条件为,第一节 带电粒子的产生和消失,碰撞电离的最小距离：电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离 ，xi 的大小取决与场强 E ，增大气体 中的场强将使 xi 值减小，可见提高外加电场（电压）将使碰撞电离的概率和强度增大。,第一节 带电粒子的产生和消失,碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。 强调：碰撞电离主要由电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。,（四）电极表面电离 逸出功：电子从金属表面逸出需要一定的能量，称为逸出功,比较表1-2 与表1-1，可知金属的逸出功比气体分子

10、的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。,第一节 带电粒子的产生和消失,阴极表面电离（电子发射）在气体放电过程中起着相当重要的作用。随着外加能量形式的不同，阴极表面电离可在下列情况下发生：,(1)正离子撞击阴极表面：通常正离子动能不大，可忽略，其势能等于电离能；只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时，才能引起阴极表面电离，这个条件可满足（比较表11和12）。,(2)光电子发射：高能辐射线照射阴极时，会引起光电子发射，其条件是光子的能量应大于金属的逸出功。,第一节 带电粒子的产生和消失,(3)热电子发射：金属中的电子在高温下能获得足够的动能而从金属表面逸出，称为热电子发射。

11、在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。,(4)强场发射（冷发射）：当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），能使阴极发射电子。常态下作用气隙击穿完全不受影响；在高气压、压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用；真空中更起着决定性作用。,第一节 带电粒子的产生和消失,三、负离子的形成,当电子与气体与分子碰撞时，可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况，这种过程成为附着(附着效应）。 易于产生负离子的气体称为电负性气体。 例：氧气、水汽分子、SF6,第一节 带电粒子的产生和消失,(2)扩散：带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。,(3)带电粒子的复合 气体中带异

12、号电荷的粒子相遇时，可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合，是与电离相反的一种过程。,四.带电粒子的消失,(1) 中和：带电粒子在电场的驱动下作定向运动，在到达电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；,第一节 带电粒子的产生和消失,一.汤逊试验 试验条件： 两个平行平板电极； 外部光源（天然辐射或人工光源）； 可调直流电源； 测量表计(电压表、电流表）；,第二节 电子崩,试验结果及解释 0a段：电流随电压 升高 而增大；随着场强的增 大，气体中的带电粒子 运动速度加快。 ab段：电压升高， 电流基本不变；单位时 间内产生的带电粒子全 部运动到极板。,第二节 电子崩,bc段：电流随电压增大

13、；出现了新的电离因素（碰撞电离），产生了新的带电粒子。 c点后：电流急剧增大；自身的电离因素占主导作用，绝缘被击穿。,第二节 电子崩,非自持放电：S点前，电流较小，而且电流需要外界电离因素才能维持。 自持放电：电压达到一定值U0后，电流剧增，且电离过程仅靠外加电压已能维持，不需要外界电离因素。U0称为起始放电电压。,第二节 电子崩,外界电离因素在阴极附近产生一个初始电子，如果空间的电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生出一个新电子，初始电子和新电子,继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生出更多的电子。依次类推，电子数将按几何级数不断增多，象雪崩似的发展,这种急剧增大的空

14、间电流被称为电子崩。,第二节 电子崩,电子碰撞电离系数：表示一个电子沿电场方向运动1cm 的行程所完成的碰撞电离次数平均值,根据碰撞电离系数的定义，可得,分离变数并积分 ，可得,均匀电场，不随x 变化,第二节 电子崩,抵达阳极的电子数,新增加的电子数或离子数,等号两侧乘以电子电荷qe 即成为电流关系式,表示：电子崩电流按指数规律随极间距离d 而增大，但这时的放电还不能自持，因为一旦除去外界电离因子（令I0=0 )，I 即变为零，即为非自持放电。,第二节 电子崩,关于碰撞电离系数的讨论,（1）A、B与气体种类有关； （2）p气压； （3）E电场强度。,第二节 电子崩,第三节 自持放电条件,二次电

15、子：在电场作用下，正离子向阴极运动，撞击阴极有可能引起表面电离而拉出电子，部分电子和正离子复合，其余部分则向着阳极运动和产生新的电子崩。 如果电压( 电场强度 ）足够高，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出的新电子数等于或大于初始电子n0，那么即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止，即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子（它们的数目取决于电场强度）就能维持下去，这就变成了自持放电。,令 表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数，单位时间内发射的电子数为nc , 到达阳极时将增加为,外界电离因素引起,正离子撞击阴极引起,第三节 自持放电条件,如果 ，那么即使除去外电离因子（I0=0

16、), I 亦不等于零，即放电能维持下去 。,可推出：,可见自持放电条件应为,汤逊放电条件,第三节 自持放电条件,物理意义为： 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正离子数为 ead-1 ,这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数应为(ead-1) ，如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。,第三节 自持放电条件,起始场强与起始电压 放电由非自持转为自持时的电场强度称为起始场强，相应的 电压为起始电压； 在比较均匀的电场中，起始场强和起始电压就是气隙的击穿场强和击穿电压； 在不均匀电场中电离过程仅仅存在于气隙中电场强度等于或大于起始场强的区域，即使放电已能自持，

17、但整个气隙仍未击穿。因此，在不均匀电场中，起始电压低于击穿电压，电场越不均匀，二者的差值越大。,第三节 自持放电条件,在不均匀电场中，各点的电场强度E不同，所以各处的 值也不同，在这中条件下，上面的自持条件应改写成,把电子崩和阴极上的过程作为气体自持放电的决定性因素是汤逊理论的基础，它只能使用于低气压、短气隙的情况 pd26.66kPa cm (200mmHg cm) ，因为这种条件下不会出现以后要介绍的流注现象。,上述过程可以用图 1-6 中的图解加以概括，当自持放电条件得到满足时，就会形成图解闭环部分循环不息的状态，放电就能自己维持下去，而不再依赖外界电离因子的作用了。,第三节 自持放电条

18、件,外界电离因子,碰撞电离,电子崩 （）过程,气体中的自由电子,图 1-6 低气压、短气隙情况下气体的放电过程,第三节 自持放电条件,第四节 起始电压与气压的关系,利用汤逊理论的自持放电条件，以及碰撞电离系数与气压 p 、电场强度E 的关系式，并考虑均匀电场中自持放电起始场强 ，可得到下面的关系式,由于均匀电场气隙的击穿电压 Ub 等于它的自持放电起始电压 U0 , 所以上式表明： U0 或 Ub 是气压和极间距离的乘积（ pd ) 的函数，即,Ub = f ( pd ),巴申定律,击穿电压Ub具有极小值，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压。,Ub = f ( pd ) 曲线称为巴

19、申曲线。它表明：如果改变极间距离d 的同时，也相应的改变气压 p ，而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙的击穿电压却彼此相等。,上述巴申定律是在温度T不变的条件下得出 的。在气温 T 并非恒定的情况下，应改写成,Ub = F ( d ),式中 气体的相对密度。,第四节 起始电压与气压的关系,第四节 起始电压与气压的关系,击穿电压有最小值的定性解释 形成自持放电需要一定的电离数，这决定于碰撞次数与电离概率的乘积； 若d一定，则p增大时，碰撞次数增加，但电离概率减小，因此在某个p值下，碰撞次数与电离概率的乘积有最大值； 若p一定，d增大时，碰撞次数增加，但电离概率减小（场强减小），因此在某个d

20、值下，碰撞次数与电离概率的乘积有最大值；,第四节 起始电压与气压的关系,第四节 起始电压与气压的关系,第五节 气体放电的流注理论,汤逊理论的局限性 能较好的解释低气压短气隙中的放电现象。 不能解释高气压长气隙中的放电现象， （1）时间短：实际测的大气击穿时间比按汤逊理论推测的时 间小得多； （2）放电通道出现不均匀。,(一) 空间电荷对原有电场的影响,原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了，在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域，使此处产生强烈的复合并发射出许多光子，成为引发新的空间光电离的辐射源。,第五节 气体放电的流注理论,辐射源向气隙空间各处发射光子而引

21、起光电离。如果光子位于强场区，二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展，或汇入崩尾。,(二)空间光电离的作用,第五节 气体放电的流注理论,流注理论认为：在初始阶段，气体放电以碰撞电离和电子崩的形式出现，但当电子崩发展到一定程度后，某一初始电子崩的头部积聚到足够数量的空间电荷，就会引起新的强烈电离和二次电子崩，这种强烈的电离和二次电子崩是由于空间电荷使局部电场大大增强以及发生空间光电离的结果，这时放电即转入新的流注阶段。,(二)空间光电离的作用,第五节 气体放电的流注理论,流注：电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注。,(二)空间光电

22、离的作用,第五节 气体放电的流注理论,(二)空间光电离的作用,第五节 气体放电的流注理论,流注的特点：电离强度很大，传播速度很快（超过初崩发展速度10倍以上）。,出现流注后放电便获得独立继续发展的能力，而不在依赖外界电离因子的作用，可见出现流注的条件也就是自持放电条件。,出现流注的条件:初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值，对于均匀电场，自持放电条件为:ead = 常数,或 ad = 常数,第五节 气体放电的流注理论,可见初崩头部的电子数要达到 108 时，放电才能转为自持（出现流注）。,如果电极间所加电压正好等于自持放电起始电压 U0 ，那就意味着初崩要跑完整个气隙，头部才能积聚到足够的电子

23、数而引起流注。如果所加电压超过自持放电电压 U0 ，流注将提前出现和以更快的速度发展。,流注理论能够解释汤逊理论无法解释的一系列高气压、长气隙下出现的放电现象。,注意：这两种理论各适用一定条件下的放电过程，不能用一种理论来代替另一种理论。,第五节 气体放电的流注理论,第六节 不均匀电场中的放电过程,一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,稍不均匀电场：放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，一定立即导致整个气隙击穿。,例如： 高压实验中用来测高电压的球隙、全封闭组合电器中的分相母线筒。,第六节 不均匀电场中的放电过程,一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,极不均匀电场：电场强度沿气隙分

24、布极不均匀，当所加电压达到某一临界值时，曲率半径小的电极附近空间电场强度首先达到起始场强值E0 ，在此区域先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，但气隙的大部分并未出现放电现象。,电晕：仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。 外观特征：环绕电极表面的蓝紫色光晕。 电晕起始电压：开始出现电晕放电时的电压为电晕起始电压。随着外加电压的增大，电晕区也增大，但气隙仍保持绝缘状态，并未击穿。,电场不均匀系数,式中 Emax 最大电场强度 Eav 平均电场强度。,U 电极间的电压 d 极间距离,一般： f =1时，均匀电场； f 4 时，极不均匀电场。,第六节 不均匀电场中的放电过

25、程,二、线路电晕放电,电晕放电可以是极不均匀电场气隙击穿过程的第一阶段，也可以是长期存在的稳定放电形式。这种放电对超高压和特高压输电线路具有特殊的重要性。,以输电线路为例，半径为 r 的单根导线，离地高度为 h ，导线表面电场强度 E 与对地电压 U 的关系：,第六节 不均匀电场中的放电过程,两根线间距离为 D 、半径为 r 的平行导线，线间电压为 U， 则：,皮克公式，线路电晕起始场强 Ec 近似计算式如下,式中 m导线表面粗糙系数，光滑导线的m1, 绞线的 m 0.80.9； 空气相对密度； r 导线半径，cm 。,第六节 不均匀电场中的放电过程,电晕受天气的影响： 在雨、雪、雾等坏天气时

26、，导线表面的水滴使导线表面电场发生变化，降低了电晕起始电压和起始场强，更容易发生电晕。,电晕的危害： （1）电晕放电所产生的光、声、热等效应使空气发生化学反应，会消耗一些能量，电晕损耗是超高压输电线路设计是必须考虑的因素，坏天气电晕功率损耗会比好天气时大得多。,（2）电晕会对无线电和电视广播产生干扰，还可能产生超过环保标准的噪声 （3）累积效应损坏设备。,第六节 不均匀电场中的放电过程,防止和减轻电晕的方法： 根本的途径：限制和降低导线的表面电场强度。 可采用扩径空心导线，更加合适的措施是采用分裂导线。,第六节 不均匀电场中的放电过程,分裂导线：每相都用若干根直径较小的平行分导线来替换大直径导

27、线。分裂数超过两根时，这些分导线通常被布置在一个圆的内接正多边形顶点上。,第六节 不均匀电场中的放电过程,典型架空输电线路的照片,第六节 不均匀电场中的放电过程,电晕的积极意义 衰减雷电过电压幅值和降低其陡度； 抑制操作过电压的幅值； 广泛应用于工业设施（静电除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器）。,第六节 不均匀电场中的放电过程,三、极不均匀电场的放电过程,极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应。 在两个电极几何形状不同的场合，极性取决于 曲率半径较小的那个电极的电位符号； 几何形状相同，则取决于不接地的那个电极上的 电位。,第六节 不均匀电场中的放电过程,（一）正极性 棒极带正电位时，棒极附近

28、强场区域的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子，这些空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，加强了正离子群外部空间的电场。因此随着电压提高，电晕的扩展，强场区也将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的，直至气隙被击穿。,第六节 不均匀电场中的放电过程,Ecom=E0+Eq+ Eq-,（二）负极性 棒极带负电位时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，留在棒极附近的也是大批正离子，它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间电场，电晕区不易向外扩展，整个气隙的击穿是不顺利的，气隙的击穿电压要比正极性时高很多，完成击穿所需时间也比正极性时间长得多。,第六节 不均匀电场中的放电过程,在进行外绝缘的冲击高压试

29、验时往往加正极性冲击电压，因为这时电气强度较低。 在工频高压作用下，击穿均发生在外加电压为正极性的半周内。,应用,第六节 不均匀电场中的放电过程,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,一、 放电时间,完成气隙击穿的三个必备条件： （1）足够大的电场强度或足够高的电压； （2）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； （3）需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完 成击穿。,放电的总时间 tb 由三部分组成，即,t1-到达静态击穿电压所需时间。 ts 统计时延，指从tl到气隙中出现第一个有效电子。 tf放电形成时延，从出现有效电子到最终击穿。,tb = tl + ts + tf

30、,tlag = ts + tf tlag放电时延 Us静态击穿电压，气隙在持续作用电压下的击穿电压.,Us,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,二. 冲击电压波形的标准化,由于气隙在冲击电压下的击穿电压和放电时间都与冲击电压的波形有关，所以在求取冲击击穿特性时，必须首先将冲击电压的波形标准化，这样的结果才具有可比性及实用性。 我国规定的标准冲击电压波形主要有以下几种： （1）标准雷电冲击电压波 （2）标准雷电截波 （3）标准操作冲击电压波,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,（1）标准雷电冲击电压波 用来模拟电力系统中的雷电过电压波，采用非周期性双指数波。 T1视在波前时间； T2视在

31、半峰值时间 ； Um冲击电压峰值,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为： T1=1.2s ， 容许偏差30% ； T2=40s，容许偏差20% 通常写成1.2/40s，并可在前面加上正、负号表示极性。,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,（2）标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后出现的截尾冲击波。 IEC标准和我国国家标准规定为T1=1.2s ，容许偏差30% ； Tc=25s 。可写成1.2/ 25s .,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,（3）标准操作冲击电压波 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非周期性双指数波。IEC标准和我国标准规定为

32、见下左图：波前时间Tcr=250s, 容许偏差20%；半峰值时间T2=2500s, 容许偏差60% 。可写成250/2500s冲击波。,当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波下右图，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80%,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,（一）50%冲击击穿电压 （U50% ),由于放电时延和放电时间均具有统计分散性，多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越大，直到每次施加电压

33、都击穿。 工程实际中广泛采用击穿百分比为50%时的电压U50% 来表征气隙的冲击击穿特性。 在实际中施加10次电压有46次击穿，就可认为这一电压为气隙的U50% 冲击击穿电压,三. 冲击电压下的气隙击穿特性,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,（一）50%冲击击穿电压 （U50% ),U50%与Us 之比称为冲击系数。 均匀和稍不均匀电场下冲击击穿电压的分散性很小，冲击系数1。 极不均匀电场中由于放电时延较长，冲击系数均大于1，冲击击穿电压的分散性也较大。,三. 冲击电压下的气隙击穿特性,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,伏秒特性 由于气隙的击穿存在时延现象，所以其冲击击穿特性最好用

34、电压和时间两个参量来表示，这种在“电压时间”平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。,（二）伏秒特性,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,伏秒特性的制作：保持冲击电压波形不变，逐渐提高冲击电压的峰值。电压不高时击穿一般发生在波尾，电压很高时击穿百分比达到100% ，放电时间大大缩短，击穿可发生在波头部分。在波头时，取击穿瞬间的电压为该气隙的击穿电压；在波尾击穿时取该冲击电压的峰值作为击穿电压图中点1和点2。假如每档电压重复施加时气隙放电时间均相同（或以多个放电时间的平均值作为放电时间），可得出如图所示的伏秒特性曲线。,第七节 放电时间和冲击电压下的气

35、隙击穿,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域，为了方便的解决工程实际问题，通常采用将平均放电时间各点相连所得的平均伏秒特性或50%伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿电压。,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,均匀或稍不均匀电场放电时延短，其伏秒特性很快就变平； 极不均匀电场放电时延长，因而伏秒特性到达变平点的时间也就较长。,一切气隙的伏秒特性最后都将趋于平坦，这时击穿电压不再受放电时间影响。特性曲线变平的时间与电场的形式有很大关系。,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿,各类绝缘子丧失绝缘功能有两种可能： 一是固体介质本身的击穿; 二是沿着固体介质表面发生闪络。

36、 电力系统的外绝缘一般都是自恢复绝缘，绝缘子闪络或空气间隙击穿后，它们的绝缘性能很快自动恢复。,试验表明：沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。,一. 沿面放电的一般概念,第八节 沿面放电和污闪事故,（1） 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，这种情况在工程中比较少见，但实际结构中会遇到固体处于稍不均匀电场中、且界面与电力线大致平行的情况。此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似。,固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型三种情况。,二. 沿面放电的类型与特点,第八节 沿面

37、放电和污闪事故,（2）固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量 En 比平行于表面的切线分量 Et 大得多。例:绝缘套管。,（3）固体介质处于极不均匀电场中，但大部分分界面上的电场切线分量 Et 大于垂直分量 En 。例:支柱绝缘子。,第八节 沿面放电和污闪事故,变压器瓷套,户外棒形支柱绝缘子,复合针式绝缘子,绝缘套管,高压户外穿墙瓷套管,界面与电力线平行，但沿面闪络电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下： （1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。 （2）大气中的潮气吸附在固体表面，形成薄水膜。 （3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平。,（一

38、）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。,第八节 沿面放电和污闪事故,（二）极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电,接地的法兰附近的电力线密集，电场最强，不仅有切线分量，还有强垂直分量。,第八节 沿面放电和污闪事故,1. 在电压还不高时，法兰附近先出现电晕放电； 2. 随着电压升高放电区变成许多平行的火花细线组成的光带； 3. 当电压超过某一临界值后个别细线突然迅速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道。,这种树枝火花在不同的位置上交替出现，称为滑闪放电。电压再升高一些，火花就到达另一电极，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或简称 “闪络” 。,第八节 沿面放电和污闪事故,这种绝缘子的两个电极之间的距

39、离较长，其间固体介质本身不可能被击穿，只可能出现沿面闪络。 电场垂直分量很弱,不出现热电离和滑闪放电。干闪络电压随极间距离的增大而提高，平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况。,（三）极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电,第八节 沿面放电和污闪事故,三. 沿面放电电压的影响因素和提高方法,1. 影响因素,（一）固体介质材料：主要取决于该材料的亲水性或憎水性。,（二）电场形式： 同样的表面闪络距离下，均匀与稍不均匀电场闪络电压最高。界面电场主要为强切线分量的极不均匀电场中，闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低得较少;强垂直分量极不均匀电场则低得很多。,第八节 沿面放电和污闪事故,（1）增

40、大极间距离；（2）防止或推迟滑闪放电。,以瓷套管为例: 要在瓷套的内壁上喷铝，消除内壁两侧的电位差。 加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉，防止滑闪放电过早出现。 对35kV以上的高压陶管要采用电容式套管和充油式套管。,提高方法,第八节 沿面放电和污闪事故,四. 固体表面有水膜时的沿面放电,湿闪电压：洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。 污闪电压绝缘子表面有湿污层时的闪络电压称为污闪电压。,第八节 沿面放电和污闪事故,绝缘子表面的水膜是不均匀和不连续的。有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小，绝大多数外加电压将由干表面（图中的BCA）段来承受。,当电

41、压升高时，或者空气间隙BA先击穿或者干表面BCA先闪络，但结果都是形成ABA电弧放电通道，出现一连串的ABA通道就造成整个绝缘子完全闪落。如雨量特别大时，伞绝缘间有可能被雨水短接而构成电弧通道，绝缘子也将发生完全的闪落。,可见绝缘子在雨下有三种可能的闪络途径：沿湿表面AB和干表面BCA发展沿湿表面AB和空气间隙BA发展；沿湿表面AB和水流BB发展。,第八节 沿面放电和污闪事故,第一种情况湿闪只有干闪电压的40%50%，还受雨水电导率的影响。 第二种情况下绝缘子的湿闪电压不会降低太多。 第三种情况，湿闪电压将降低到很低的数值。在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞裙直径、伞裙伸出长

42、度与伞裙间气隙长度的比均应仔细考虑、合理选择。,绝缘子在雨下有三种可能的闪落途径：沿湿表面AB和干表面BCA发展沿湿表面AB和空气间隙BA发展；沿湿表面AB和水流BB发展。,第八节 沿面放电和污闪事故,绝缘子污闪通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。 采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生。,五. 绝缘子污染状态下的沿面放电,第八节 沿面放电和污闪事故,绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。 遇到雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，在工作电压下的泄漏电流大增。 电流所产生的焦耳热，既可能使污层电导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而

43、减小其电导。 例如悬式绝缘子铁脚和铁帽附近的污层中电流密度较大，污层烘干较快先出现干区或干带。 干区的电阻比其余湿区的电阻大的多,整个绝缘子上的电压都集中到干区上，一般干区宽度不大，所以电场强度很大。,第八节 沿面放电和污闪事故,如果电场强度已足已引起表面空气的电离，在铁脚和铁帽周围即开始电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易转为只存在于绝缘子局部表面的有明亮通道的电弧，成为局部电弧。 随着干区的扩大，电弧被拉长。在雾、露天，污层湿润度不断增大，泄漏电流也随之增大，在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增大。 一旦局部电弧达到某一临界长度时弧道温度已很高，弧道的进一步伸

44、长不需要更高电压，而是自动延伸直至贯穿两极完成沿面闪落。,第八节 沿面放电和污闪事故,污闪的发展过程,潮湿污秽层电导大，泄漏电流大，使污层加热，出现干燥区,干燥区电阻大，电压集中在干燥区，场强大，出现局部放电,局部放电发热引起干燥区扩大，电弧拉长，场强下降。,若此时电压不足以维持电弧的燃烧，电弧将熄灭。,若电压能维持放电继续发展，电弧将不断拉长（爬电），一旦爬电发展到某一临界长度，将自动延伸，完成沿面闪络，相应的电压称为污闪电压。,第八节 沿面放电和污闪事故,绝缘子表面积污,污秽层受潮,污秽度除了与积污量有关，还与污秽的化学成分有关。通常采用“等值附盐密度”（简称“等值盐密”）来表征绝缘子表面

45、的污秽度，它指的是每平方厘米表面所沉积的等效氯化钠（NaCl）毫克数。,等值的方法：把表面沉积的污秽刮下，溶于300ml蒸馏水，测出其在20水温时的电导率；然后在另一杯20 、300ml的蒸馏水中加入NaCl，直到其电导率等于污秽溶液的电导率时，所加入的NaCl毫克数，即为等值盐量，再除以绝缘子的表面积，即可得出“等值盐密” ( mg/cm2 ) 。,第八节 沿面放电和污闪事故,（一）调整爬电比距 （增大泄露距离）,爬电比距 ： 指外绝缘“相地”之间的爬电距离(cm) 与系统最高工作（线）电压（kV,有效值）之比。 设计时，一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数。,六. 防污

46、闪事故的对策,第八节 沿面放电和污闪事故,各污秽等级所要求的爬电比距值 ,（二）定期或不定期的清扫,（三）涂料（憎水性材料）,（四）半导体釉绝缘子,（五）新型合成绝缘子,1.重量轻（仅相当于瓷绝缘子的1/10左右）,2.抗弯、抗拉、耐冲击附和等机械性能都很好。,3.电气绝缘性能好，特别是在严重污染和大气潮湿的情况下性能十分优异；,4.耐电弧性能也很好。,价格昂贵、老化等问题是影响它获得更大推广的问题。随着材料工艺的进步这种绝缘子必将获得越来越多的采用。,新型合成绝缘子的优点：,第八节 沿面放电和污闪事故,第二章 气体介质的电气强度,本章要求 掌握均匀和不均匀电场气隙的击穿特性； 掌握大气条件对

47、气隙击穿特性的影响； 掌握提高气体介质电气强度的方法； 了解六氟化硫气体的特性。,第一节 均匀和稍不均匀电场的击穿特性 第二节 极不均匀电场的击穿特性 第三节 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 第四节 提高气体介质电气强度的方法 第五节 六氟化硫和气体绝缘电气设备,第二章 气体介质的电气强度,第二章 气体介质的电气强度,工程实践中，常常需要对气体介质的电气强度（以击穿场强或击穿电压表示）作出定量估计。 通常用实验的方法求取某些典型电极构成的气隙的击穿特性，以满足工程实际的需要。 气隙的电气强度首先取决于电场形式；其次与所加电压类型有很大关系。,一. 均匀电场气隙的击穿特性,击穿所需的时间很短

48、，击穿前无电晕，无极性效应；它在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都相同，而且击穿电压分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数=1。,均匀电场空气间隙击穿电压特性可用下面的经验公式来表示,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,第二章 气体介质的电气强度,由上式可知，随着极距离 d 的增大，击穿场强 Eb 稍有下降，在d=110cm 的范围内，均匀电场空气间隙击穿场强约为 30kV/cm 。,相应的平均击穿场强,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,稍不均匀电场中不可能存在稳定的电晕放电，一旦出现局部放电即导致整个气隙的击穿。它的冲击系数也接近1，即它的冲击击穿电压与工频击穿电压

49、及直流击穿电压基本上是相等的。,最重要的稍不均匀电场实例为球间隙（高电压试验中用来测量高电压幅值的球隙测量器）和同轴圆桶（高压标准电容器和气体绝缘组合电器中的分相封闭母线筒)。,二. 稍不均匀电场的击穿特性,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,两个直径相同的球构成的气隙中，电场不均匀度随着球间距离d与球极直径D之比（d/D )的增大而增大。 极间距离dD/4 时，电场不均匀度增大，击穿电压的分散性增大。,球隙测压器一般在 Dd/2的范围内工作，以保证测量精度。,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,如果取同轴圆筒的外筒内半径为10cm，而改变内筒外直径r之值，那么这一气隙的电晕起始电压Uc和击穿电压Ub随r而变化。,同轴圆筒,同轴圆筒,第一节 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性,主变压器侧面,第一节 均匀和稍不均匀电场气