气体电介质的绝缘特性.ppt

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1、高电压技术高电压工程系高电压工程系 刘春刘春 11.6 1.6 电场形式、电压波形与击穿电压的关系电场形式、电压波形与击穿电压的关系u电场形式 均匀场 稍不均匀场 极不均匀场u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21.6.1 1.6.1 均匀电场均匀电场u分散性小u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 41.6.2 1.6.2 稍不均匀电场稍不均匀电场u 分散性小u直流击穿电压、工频击穿电压、50%冲击击穿电

2、压三者基本相等u击穿电压与电场的均匀度相关。越均匀，击穿电压越高u出现电晕，即会发展为击穿u极性效应51.6.2 1.6.2 稍不均匀电场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 71.6.3 1.6.3 极不均匀电场极不均匀电场 波形影响大，分散性大，极性效应明显极性效应：极性效应：最高：负棒正

3、板，平均击穿场强最高：负棒正板，平均击穿场强 约为约为10kV/cm次高：棒棒，平均击穿场强次高：棒棒，平均击穿场强 约为约为4.85.0kV/cm最低：正棒负板，平均击穿场强最低：正棒负板，平均击穿场强 约为约为（一）（一）直流击穿电压直流击穿电压8“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”空气气隙的直流击穿空气气隙的直流击穿特性特性“棒棒棒棒”和和“棒板棒板”长间隙的直流击穿长间隙的直流击穿特性特性9（二）（二）工频击穿电压工频击穿电压u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u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

4、缘故）u棒-棒间隙的击穿电压棒-板间隙的要高一些 （这是由于棒-棒的电场更均匀一些）u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(三三)雷电冲击雷电冲击50%50%击穿电压击穿电压u高于稳态击穿电压（直流击穿电压或工频击穿电压幅值）。u分散性较大。其标准偏差可取3%。u击穿通常发生在波尾。u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(四四)操作冲击操作冲击50%50%击穿电压击穿电压u击穿通常发生在波头部分

5、。u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）u“饱和”效应。（形成先导后,放电易于发展）u“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。）131.7 1.7 大气条件对气隙击穿特性的影响大气条件对气隙击穿特性的影响u标准大气条件：气压 P0kPa，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反映空气密度反映空气密度14一、空气相对密度的影响一、空气相对密度的影响u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

6、电压升高u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。P：气压，kPa；t：温度，度15一、空气相对密度的影响一、空气相对密度的影响 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 在大气条件下，空气间隙的击穿电压随的增大而升高16二、湿度的影响二、湿度的影响u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 湿度矫正系数：湿度矫正系数：非标准湿度情况下非标准湿度情况下的击穿电压的

7、换算的击穿电压的换算公式：公式：17综合气压、温度、湿度的影响综合气压、温度、湿度的影响18三、对海拔高度的校正三、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地区的电力设施外绝缘实验电压U与平原地区外绝缘的Up的关系为191.81.8 提高气体间隙击穿电压的措施提高气体间隙击穿电压的措施两条途径：两条途径：一、改善电场分布一、改善电场分布二、削弱气体中的电离过程二、削弱气体中的电离过程 20(一）改进电极形状一）改进电极形状n增大电极曲率半径增大电极曲率半径 n改善电极边缘改善电极边缘一、改善电场分布一、改善

8、电场分布21(一）改进电极形状一）改进电极形状n使电极具有最佳外形使电极具有最佳外形22（二）（二）利用空间电荷改善电场分布利用空间电荷改善电场分布n 细线效应细线效应n D增增大大后后，局局部部毛毛刺刺点点的的强强烈烈电电离离，产产生生刷刷状状放放电电n细细线线效效应应只只对对稳稳态态电电压压有有作作用用，对对雷雷电电波波没没有有作作用用23（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障直流电压作用下尖板的击穿电压和屏障的关系24（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障-DCDC棒电极为正极性时棒电极为正极性时 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

9、强电场 在时击穿电压的提高最显著，约为23倍。棒电极为负极性时棒电极为负极性时 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。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25（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障DCDC26（三）（三）极不均匀电场中采用屏障工频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27（三）（三）极不均匀电场中采用屏障极不均匀电场中采用屏障(总结总结)u 屏蔽层插入电晕电极侧，可

10、提高击穿电压。u 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、二、削弱或抑制电离过程削弱或抑制电离过程u采用高气压u采用强电负性气体u采用高真空29（一）（一）采用高气压采用高气压u基本原理：气压提高减小动能减小U提高MPa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。30（二）（二）采用强电负性气体采用强电负性气体卤化物气体电气强度高1个大气压个大气压31（二）（二）采用强电负性气体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，负离子即削弱电离，又加强复合；2）分子量大，分子

11、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。32（二）（二）采用强电负性气体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 3目前得到工程广泛应用的是SF6及SF6混合气体第第3133（二）（二）采用强电负性气体采用强电负性气体SFSF6 6SF6的绝缘性能的绝缘性能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。在极不均匀电场中，气压与击穿电压紧密相关34SFSF6 6的绝缘性能的绝缘性能针球气隙中的SF6气体（针极曲率半径1mm

12、，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 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35SFSF6 6的绝缘性能的绝缘性能影响绝缘性能的因素：u电场均匀度；u气压；u电极表面缺陷；u导电微粒；36SFSF6 6的液化特性的液化特性1）一般不会液化37SF6的液化特性的液化特性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。38SF6混合气体的

13、特性混合气体的特性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 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39（三）（三）采用高真空采用高真空气隙击穿电压与真空压力的关系 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401.9 1.9 沿面放电沿面放电 沿空气与固体介质表面发生的气体放电现沿空气与固体介质表面发生的气体放电现象称为沿面放电。象称为沿面放电。研究意义研究意义：一个绝缘装

14、置的实际耐压水平由沿面 放电电压决定。研究范围研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压 表面潮湿、污秽时的沿面放电电压411.9 1.9 沿面放电沿面放电沿面放电的几种典型电场分布形式 均匀电场强垂直分量弱垂直分量421.9.1 1.9.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电 在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气低很多。431.9.1 1.9.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电机理分析：1）固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放 ，形成的带电粒子沿介质表面移动。在连接处涂导电粉末或者导电胶2）潮气形成水膜，其中的离子在电场下

15、运动，造成沿面电压分布不均，畸变电场。憎水性材料3）在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气 间隙击穿。带电粒子分布在固体表面，畸变原有电 场，降低了闪络电压。4）固体表面电阻不均，造成泄漏电流的压降分 布不均，使电场畸变，降低沿面闪络电压。441.9.1 1.9.1 均匀电场中的沿面放电均匀电场中的沿面放电451.9.2 1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电沿套管表面的放电电晕放电细丝状的辉光放电滑闪放电461.9.2 1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电u第一阶段：由于接地法兰附近电力线密集，首先

16、出现电晕。u第二阶段：随着电压升高，出现平行的许多火花细线，具有辉光放电的特征。u第三阶段：电压继续升高，带电粒子的运动造成介质表面局部发热，引起气体热电离热电离，出现树枝状火花，位置不固定，称为滑闪放电。u第四阶段，电压再升高，滑闪贯通两级，形成沿面闪络。471.9.2 1.9.2 极不均匀场具有强垂直分量极不均匀场具有强垂直分量 的沿面放电的沿面放电 滑闪放电在交流和冲击下表现明显。u随电压增加，滑闪长度增长变快，因此单靠加长距离提高闪络电压效果不明显。u玻璃管壁变薄，滑闪电压降低。481.9.3 1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电的沿面放电没有热电离

17、和明显的滑闪放电；介质表面电荷聚集对电场畸变影响不大；沿面闪络电压与空气击穿电压差别不大。实验表明：这种绝缘子的干式闪络电压基本上随极间距离的增加而增加。491.9.3 1.9.3 极不均匀场具有弱垂直分量极不均匀场具有弱垂直分量 的沿面放电的沿面放电50三种情况比较：三种情况比较：u均匀场中的沿面闪络电压最高，有垂直分量的沿面放电电压低得多；u具有强垂直分量的沿面放电电压很低，因为出现了热电离和滑闪放电。51提高沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法以套管型结构为例，也即强垂直分量下的沿面放电链形等值回路为:略去了介质的体积电阻52提高沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法链性等值回路的

18、方程：边界条件：53提高沿面放电电压的方法提高沿面放电电压的方法 定性来看，电压分布的不均匀性在于靠近法兰处的Rs流过的电流大于远离法兰处的Rs中流过的电流。措施：1 减小比电容C0 可加大瓷套外径、壁厚，或减小介电常数2 减小电场较强处的表面电阻。可涂半导体釉、半导体漆等，采用电容式套管、充油式套管54比电容比电容C C0 0的意义的意义 介质单位高度上的表面对导杆的电容。551.9.4 1.9.4 固体介质表面有水膜时的固体介质表面有水膜时的 沿面放电沿面放电湿闪电压湿闪电压闪络途径：1 ABBCA：闪络电压下降到40%-50%2 ABBA：下降不多3 AB水流：湿闪电压降到很低值。561.9.5 1.9.5 绝缘子污染状态下绝缘子污染状态下 的沿面放电的沿面放电污闪电压污闪电压发展过程发展过程：积污受潮电导增加，电流增大烘干，形成干区干区电阻大，压降大，电场强，开始放电辉光（电晕）转为电弧局部电弧烘干周围，干区扩大，电弧伸长爬电到一定程度，自动延伸，贯穿两极防止污闪防止污闪：1 改善环境，减小污染的可能性 2 改进绝缘子结构设计，降低污秽积 累的可能57污秽滑闪示意图污秽滑闪示意图58