高电压技术第三章

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三、对海拔的校正
我国幅员辽阔，有不少电力设施(特别是输电 线路)位于高海拔地区。随着海拔高度的增大，空 气变得逐渐稀薄，大气压力和相对密度减小，因 而空气的电气强度也将降低。
海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络 电压的影响可利用一些经验公式求得。
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我国国家标准规定：对于安装在海拔高于 1000m、但不超过4000m处的电力设施外绝缘，其试 验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔 校正因数足Ka即：
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(1)操作冲击电压波 形对气隙的电气强度有 很大的影响，击穿电压 U50%(s)与波前时间Tcr的 关系曲线呈现“U”形，在 某一最不利的波前时间 Tc下，出现极小值。
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(2)气隙的操作冲击电压不但远低于雷电冲击 电压，在某些波前时间范围内，甚至比工频击穿 电压还要低。
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一、均匀直流电场的击穿特性
均匀电场只有一种，那就是消除了电极边缘 效应的平板电极之间的电场。
如果平板间距很大，则为了消除电极边缘效 应，必须将电极的尺寸选得很大，这是不现实 的。因此工程中一般极间距离（d）不大。
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均匀电场：
➢两个电极形状完全相同且对称布置，因而不 存在极性效应。
➢改进电极形状以改善电场分布 ➢利用空间电荷改善电场分布 ➢采用屏障 ➢采用高气压 ➢采用高电气强度气体 ➢采用高真空
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为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度 或绝缘距离尽可能取得小一些，为此就应采取措施 来提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要 提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径：
(4)操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电 时间的分散性都要比雷电冲击电压下大得多。
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小结
➢直流电压下“棒－板”负极性击穿电压大大高于 正极性击穿电压 ➢工频交流电压下“棒-棒”气隙的击穿电压要比 “棒-板”气隙高一些 ➢雷电冲击电压下“棒－板” 电极，棒极为正极性 的击穿电压比负极性时数值低得多 ➢掌握操作冲击电压下击穿特点 （本节完）
各种类型作用电压下，以操作冲击电压下 的电气强度最小。在确定电力设施的空气间距 时，必须考虑到这一重要情况。
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(3)极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性 具有显著的“饱和特征”，而其雷电冲击击穿特性 却是线性的。电气强度最差的正极性“棒—板”气隙 的饱和现象最为严重，尤其是在气隙长度大于5m 以后，这对特高压输电技术来说，是一个极其不 利的制约因素。
对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙 来说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒-棒”或 “棒-板”两种典型气隙的击穿特性曲线来估计其电气 强度。
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气隙在各种电压下的击穿特性：
➢直流电压 ➢工频交流电压 ➢雷电冲击电压 ➢操作冲击电压
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一、直流电压 “棒－棒”和“棒－板”
除了在气隙长度不大、电场也比较均匀或长度 虽大、但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大(如雷电 冲击电压)的情况下，上式仍可适用外，其他情况下 的空气密度校正因数应按下式求取：
Kd
=
p p0
m
273 + t0 273 + t
n
式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类 型及其极性有关，其值在0.4～1.0的范围内变化, 具体取值国家标准中有规定。
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四、操作冲击电压 我国采用如图1－17所示的±250/2500us标
准操作冲击波形。
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随着输电电压的不断提高： ➢额定电压超过220kV的超高压输电系统，应 按操作过电压下的电气特性进行绝缘设计 ➢超高压电力设备也应采用操作冲击电压来进 行高压试验
下面来看一下极不均匀电场长气隙时操作 冲击电压下的击穿具有的特点：
例如用球隙测量高电压时，只需要按空气相 对密度校正其击穿电压就可以了，而不必考虑湿度 的影响。
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➢在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这 时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：
Kh = k ω
式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关，而 指数ω之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类 型及其极性。
U = KaU p
而：
Ka
=
1.1−
1 H ×10
4
式中H为安装点的海拔高度，单位是m。
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小结
➢在不同大气条件和海拔高度下所得出的击穿电 压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互 相进行比较。
➢对空气密度、湿度和海拔，分别有不同的校 正方法。
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（本节完）
第四节 提高气体介质电气强度的方法
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气体电气强度取决于： ➢电场形式
均匀或稍不均匀电场中，气体击穿场强为 30kV/cm 极不均匀电场，达到30kV/cm出现电晕
➢所加电压的类型 工频交流电压 直流电压 雷电过电压 操作过电压
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• 本章学习的主要目的： ➢理解均匀电场和不均匀电场的击穿特性。 ➢掌握提高介质电气强度的方法。 ➢了解气体绝缘电气设备。
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正由于此，在不同大气条件和海拔高度下所 得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准 条件下才能互相进行比较。
国标规定的大气条件：
压力：p0=101.3kPa(760mmHg)； 温度：t0=20摄氏度或T0=293K； 绝对湿度：hc=11g/m3。
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实验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条
下面分别讨论各个校正因数的取值：
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➢对空气密度的校正 ➢对湿度的校正 ➢对海拔的校正
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一、对空气密度的校正
空气密度与压力和温度有关。由教材第13页式 (1-19)可知，空气的相对密度：
δ = 2 .9 p
T
式中：p ：气压,kPa T ：温度,K.
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在大气条件下，气隙的击穿电压随δ 的增大而提高。 实验表明，当δ 处于0.95～1.05的范围内时，气 隙的击穿电压几乎与δ 成正比，即此时的空气密
度校正因数Kd ≈δ ，因而：
U ≈δU0
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➢气隙不很长(例如不超过1m)时：上式能足够准确 地适用于各种电场型式和各种电压类型下作近似的 工程估算。
➢更长的空气间隙：击穿电压与大气条件变化的 关系，并不是一种简单的线性关系，而是随电极 形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。
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从图中可以看出，随着气隙长度的增大，“棒-板” 气隙的平均击穿场强明显降低，即存在“饱和”现象。
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当气隙的击穿场强“饱和”时，再增大“棒-板” 气隙的长度，已不能有效地提高其工频击穿电 压。
各种气隙的工频击穿电压分散性一般不大，其标 准偏差σ值不会超过2%-3%。
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➢均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所 需的时间极短
➢在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压 实际上都相同
➢击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变 平，冲击系数β＝1
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图2-1为实验所得到的均匀电场空气间隙击穿 电压特性。它也可用下页的经验公式来表示：
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Ub = 24.55δd +6.66 δd kV
气体放电的发展过程比较复杂、影响因素很 多，因而要想用理论计算的方法来求取各种气隙 的击穿电压是相当困难和不可靠的。
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通常都采用实验的方法来求取某些典型电极 所构成的气隙的击穿特性，以满足工程实用的需 要。典型电极如：
➢“棒一板” 电极 ➢“棒一棒” 电极 ➢“球一球”电极 ➢同轴圆筒电极
第二章 气体介质的电气强度
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工程实践中，常常会遇到必须对气体介质的电 气强度作出定量估计的情况，如：
➢选择架空输电线路和变电所的各种空气间距值时 ➢确定电力设备外绝缘的尺寸和安装条件时 ➢设计气体绝缘组合电器的内绝缘结构时
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掌握气体介质的电气强度及其各种影响因 素,了解提高气体介质电气强度的途径和措施非 常重 隙的工频击穿电压与气 隙长度的关系曲线，可 以看出，在气隙长度d不 超过1m时，“棒-棒”与 “棒-板”气隙的工频击穿 电压几乎一样，但在d进 一步增大后，二者的差 别就变得越来越大了。
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图2-7是空气间隙更长时的试验数据，为了进 行比较，图中同时绘有“导线-导线”和“导线-杆塔” 空气间隙的试验结果。
件下的击穿电压U0之间关系：
U = Kd U0 Kh
Kd ：空气密度校正因数 Kh ：湿度校正因数
上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外 绝缘的沿面闪络电压。
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在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时 的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下 的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。
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小结
➢均匀电场
o消除电极边缘效应的平板电极 o板间距离d一般不大
o击穿特性符合巴申定律
➢稍不均匀电场
冲击系数接近1，冲击击穿电压与工频
击穿电压及直流击穿电压相等
（本节完）
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第二节 极不均匀电场气隙的击穿特性
在各种各样的极不均匀电场气隙中： ➢“棒－棒”气隙：完全对称性 ➢“棒－板”气隙：最大不对称性 其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之间。
击穿特性见图2-4。
可以看出：“棒－ 板”负极性击穿电压大大 高于正极性击穿电压。
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二、工频交流电压 升压方式： 电压慢慢升高，直至发生击穿。升压的速率 一般控制在每秒升高预期击穿电压值的3％。
“棒-棒”气隙的工频击穿电压要比“棒-板”气 隙高一些，因为相对而言，“棒-棒”气隙的电场 要比“棒-板”气隙稍为均匀一些。
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本章内容 第一节 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 第二节 极不均匀电场气隙的击穿特性 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 习题和参考答案
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第一节 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性
➢均匀直流电场的击穿特性 ➢稍不均匀电场气隙的击穿特性
Ub--击穿电压峰值,kV d --极间距离 δ --空气相对密度
上式完全符合巴申定律，因为它也可改写成：
Ub = f (δd)
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相应的平均击穿场强：
Eb
=
Ub d
= 24.55δ +6.66
δ d
(kV/cm)
由上式或图2-1可知，随着极间距离d的增大，击 穿场强Eb稍有下降，在d=1~10cm的范围内，其击穿场 强约为30kV/cm。
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二、稍不均匀电场气隙的击穿特性 与均匀电场相似，冲击系数接近1，冲击击穿电
压与工频击穿电压及直流击穿电压相等。
1、球间隙 若球间距离d，球极直径为D d<D/4时，与均匀电场相似 d>D/4时，不均匀度增大，大地影响加大
一般取d ≤ D/2范围内工作
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2、同轴圆筒
外筒内半径 R=10cm，改变内筒 外半径r之值，气 隙起始电晕电压Uc 和击穿电压随内筒 外直径r变化规律 如图2-3所示。
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第三节 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正
前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性 均对应于标准大气条件和正常海拔高度。
由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响 空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着 过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。
海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度 的增加，空气的压力和密度均下降。
三、雷电冲击电压
在1.5/40uS雷电冲击电压作用下，“棒-棒”和 “棒-板”气隙的50％冲击击穿电压与极间距离d的关 系如图2－8所示。
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气隙长度更大的实验 结果见图2－9。
对于1.2/50uS标准冲击电 压波上述两图亦适用。
由图可见，“棒－板” 气隙的冲击击穿电压具有 明显的极性效应，棒极为 正极性的击穿电压比负极 性时数值低得多。
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二、对湿度的校正
正如上一章“负离子的形成”一段中所介绍的那 样，大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形 成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制 作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也 会增高。
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➢在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气 隙的电场强度都较大，电子的运动速度较快，不易 被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显， 可以忽略不计。