高电压工程基础(第3章)

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3. 采用高气压 • 巴申定律 • 需要设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求 4. 采用高抗电强度的气体 • 在气体电介质中，有一些含卤族元素的强电负件气 体，如六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等，因其具有 强烈的吸附效应。所以在相同的压力下具有比空气高 得多的抗电强度．因此被称为高抗电强度的气体。 5. 采用高真空 • 真空间隙的击穿电压大致与间隙距离的平方根成正比
• 3.伏秒特性 • 工程上用气隙击穿期间出现的冲击电压的最大值和放电时 间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒 特性。 • 实际上，由于放电时间的分散性．在每一电压下可得到 一系列放电时间。所以伏秒特性曲线是一个带状区域、通 常使用的是平均伏秒特性曲线。 • 均匀和稍不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较平坦，其放 电形成时延较短，比较稳定， • 极不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较陡峭。 • 保护设备（避雷器或间隙）需要伏秒特性曲线尽可能平坦， 并且位于被保护设备的伏秒特性之下且二者永不相交。
第三章 气体电介质的击穿特性
• 根据气体放电理论，可以说明气体放电的基本物 理过程．有助于分析各种气体间隙在各种高电压 下的放电机理和击穿规律。但由于气体放电的发 展过程比较复杂．影响因素较多，气隙击穿的分 散性较大，所以要想利用理论计算的方法来获取 各种气隙的击穿电压相当困难。因此通常都是采 用试验的方法来得到某些典型电极所构成的气隙 在各种电压下的击穿特性，以满足工程设计的需 要。 • 气隙的电场形式对气隙的击穿特性影响较大。此 外气隙所加电压的类型对气隙的击穿特性也有很 大关系。
三、极不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿 特性 • 在极不均匀电场的气隙中，“棒一板”间 隙和“棒一棒”间隙具有典型意义。前者 具有最大的不对称性，后者则具有完全的 对称性。其他类型的极不均匀电场气隙的 击穿特性均介于这两种典型气隙的击穿特 性之间。
• 在直流电压下“棒一板”间隙的击穿特性 具有明显的极性效应。在所测的极间距离 范围内(d≤10cm)，负极性击穿场强约为 20kV／cm，而正极性击穿场强只有7.5kV ／cm • d≤300cm , ―棒一板”间隙的实验结果可 见．这时负极性的平均击穿场强降为10 kV ／cm左右．而正极性的击穿场强约为4.5kV ／cm。
第六节 SF6气体的绝缘特性
• SF6气体的电气强度约为空气的2．5倍 • 化学稳定性好 • 应用在单一的电气设备 • 全密封组合电器或气体绝缘变电站
一、SF6气体的理化特性 • SF6气体是一种无色、无味、无嗅、无 毒、不燃的气体。它的化学稳定件高， 在不太高的温度下，接近惰性气体的稳 定性 • 热离解 • 生成低氟化物 • SF6的分解物有毒
拟雷电放电产生的，电力系统中的雷电过电压是由大气中 的雷电放电引起的。大气中的雷电放电包括雷云对大地、 雷云对雷云和雷云内部的放电，其中雷云对大地的放电是 造成电力系统雷害事故的主要因素。 • 按照雷电发展的方向可区分为上行雷和下行雷两种。上行 雷是指由接地物体顶部激发起向雷云方向发展的雷电放电； 下行雷是指在雷云中产生并向大地发展的雷电放电。看到 的雷电放电绝大多数是下行雷。 • 根据雷电放电从雷云流入大地的电荷的极性不同．可将雷 电分为正极性雷和负极性雷，实测表明．约90％的雷是负 极性雷。 • 统计结果显示，雷电放电所形成的电压具有单次脉冲性质。
• 国际电工委员会（IEC）和我国国家标准规定的雷电波波 形：
T1 1.2 s T2 50 s
30% 20%
• T1-波前时间 • T2-半峰值时间
• 被截断的雷电冲击电压波称为雷电冲击电压截波
T1 1.2 s Tc 2 ~ 5 s 30%
三、雷电冲击电压下气隙的击穿特性 1. 放电时间 • 电压上升时间 • 统计时延 • 放电形成时延 2. 50%冲击击穿电压（U 50%） • 由于气隙冲击击穿电压的分散性在工程上采用50％冲击击穿电压 (U 50%)作为气隙的冲击击穿电压值。 • 气隙加上N次同一波形及峰值的冲击电压可能只有n次发生击穿， 击穿概率为 当击穿概率等于50%时的电压即称为 50%击穿电压。 • 在均匀和稍不均匀电场中，冲击击穿电压的分散性很小，U 50%与 击穿电压U0几乎相同，冲击系数。 • 在极不均匀电场中，由于放电时延较长，击穿电压分散性较大， 冲击系数β＞1
1. 均匀电场中： • (1)固体介质表面不可能绝对光滑，其微 观上的凸凹不平造成介质表面电场不均 匀． • 〔2)固体介质表面会或多或少地吸收一 些空气中的水分。 • (3)固体介质与电极的接触如不十分紧 密．存在有极小的气隙。
2 不均匀电场中的沿面放电 • ①电场强度的方向大体上平 行于固体电介质的表面 • ②电介质表面的电场强度具 有较大的垂直于固体电介质 表面的法线分量 • 固体介质表面电阻(特别是 靠近法兰F处)的适当减小 (如涂半导体漆或半导体 釉)．可以使沿面的最大电 位梯度降低，防止滑闪放电 的出现，从而使沿面闪络电 压得到提高
上述现象可以用气体放电理论予以解释；任何气隙的击穿过程都需 要一定的时间．当波前时间Tcr较小时．说明电压上升极快，击穿 电压将会超过静态击穿电压许多，所以击穿电压较高；当波前时 间Tcr较大时、说明电压上升较慢，使极不均匀电场长间隙中的冲 击电晕和空间电荷都有足够的时间形成和发展，从而使棒极附近 的电场变得较小．使整个气隙电场的不均匀程度降低．从而使击 穿电压稍有提高。而在100～500μs范围内时．既保障了击穿所用 的时间，又不致于减小棒极附近的电场，所以此时的击穿电压最 低
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有： 1. 改善电场分布 • 电场分隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电
粒子在气隙中的产生、运动和分布状态密切相关．所以在 气隙中放置形状适当、位置合适、能有效阻拦带电粒子运 动的绝缘 屏障能有效地提高气隙的击穿电压 带有绝缘屏障的气隙的击穿电压与屏障的位置有很大关系 棒极为负时屏障远离棒极，击穿电压反而会比无屏障时还 要低 在雷电冲击电压下，由于屏障上来不及聚积起显著的空间 电荷，因此屏障的作用小些
• 由于极性效应，在工频交流电压下，“棒 一板”间隙的击穿总是发生在棒极为正极 性的半周期内的峰值电压附近。 • 同样条件下，工频击穿电压的峰值还稍低 于其直流击穿电压。这是因为前个周期留 下的空问电荷对棒棒极前方的电场场强有 所加强的缘故。
• ‗棒一棒”间隙的击穿电压相对较高，这是 因为“棒一棒”间隙的电场比“棒一板” 间隙相对要均匀一些，前者的最大场强是 分散在靠近两棒极处，而后者的最大场强 则集中在棒极附近。
2.气隙的操作冲击击穿电压有可能低于工频击穿电压 • 试验表明，在某些波前时间范围内，气隙的操作冲击击 穿电压比工频击穿电压低，所以，在大于220kV的超高 压输电系统中，应该按操作过电压下的电气特性进行绝 缘设计。 3.长间隙操作冲击击穿特性的“饱和”效应 • 极不均匀电场长间隙的操作冲击击穿特性具有显著的 “饱和”效应 • “饱和”现象的出现与间隙击穿前先导阶段能有较为充 分的时间发展有关 4．操作冲击击穿电压的分散性大
第一节 稳态电压下气隙的击穿特性 一、均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性 • 无限大平行板电极之间的电场是均匀电场 • 工程上采用用消除电极边缘效应的措施使 电场趋于均匀 • 均匀电场中气隙的击穿电压遵从巴申定律
二、稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿 特性
• 稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性与均 匀电场相似。 • 球隙电场的均匀程度随着球间距离d与球电极直径 D之比(d／D)而变，当d/D≤1/2时，球隙的击穿特 性才接近于均匀电场气隙的击穿特性。 • 球隙的工频击穿电压是指工频电压的峰值电压
第七节 电 晕 放 电
• 电晕放电是极不均匀电场中特有的一种气 体自持放电形式 • 它取决于电极外气体空间的电导 • 外加电压、电极形状．极间距离、气体的 性质和密度等
电晕放电的基本特性 • 电晕放电有明显的极性效应 • (1)具有声、光、热等效应。放电的“咝咝”声造成环境噪声、同时有 紫蓝色的光晕，引起发热并使周围的气体温度为高，造成能量损耗。 • (2)在尖端或电极的某些凸起处．电子和离子在局部强电场的驱动下高 速运动并与气体分子交换动量，形成所谓的“电风”，引起电极或导线 的振动。 • (3)电晕产生的高频脉冲电流会造成对无线电的干扰。 • (4）在空气中产生臭氧03及NO或NO2，在其他气体中也会产生许多化学 反应。O3是强氧化剂，对金属及有机绝缘物有强烈的氧化作用，NO或 N02会与空气中的水分合成硝酸类．具有强烈的腐蚀性。所以，电晕是 促使有机绝缘老化的重要因素之一。 • (5) 上述电晕的某些效应也有可利用的一面。比如电晕造成的损耗可削 弱输电线上的雷电冲击电压波的幅值和陡度；电晕放电还可改善电场的 分布；也可利用电晕制造防火器、消毒柜和对废气、废水进行净化处理 及对水果、蔬菜进行保鲜等。
第八节 沿面放电与污秽闪络
• 沿面放电 • 在固体介质和空气的交界面上产生的沿面放电一旦发展到 使整个极间发生沿面击穿时，即造成沿面闪络。 • 沿面闪络电压不仅比固体介质本身的击穿电压低很多，而 且比纯空气间隙的击穿电压也低得多．并受绝缘表面状态、 电极形式、污染程度、气候条件等因素影响较大。 • 电力系统中的绝缘事故多半是由沿面放电所造成。 • 固体绝缘实际耐受电压的能力取决于沿面闪络击穿。
• 长间隙“棒一板”和“棒一棒”间隙的击穿特件曲线如图 3—5所示。由图可以看出．随着气隙长度的增大，“棒一 板”间隙的平均击穿场强明显降低．即存在“饱和”现象， 显然这时增大“棒一板”间隙的长度已不能有效地提高工 频击穿电压。
第二节 雷电冲击电压下气隙的击穿特性
一、雷电冲击电压 • 雷电冲击电压是由自然界中的雷电放电或实验室中的模
4.气隙的雷电冲击击穿特性 • 极性效应 • 棒-棒间隙在棒-板间隙之间
第三节 操作冲击电压下的气隙击穿特性
一、操作冲击电压
T1 250 s T2 2500 s 20% 60%
二、操作冲击电压下气隙击穿的特点
– 1.操作冲击电压波形对气隙击穿电压的影响
实验结果表明，气隙的50%操作冲 击击穿电压U50%与波前时间Tcr的 关系呈‘u‖形曲线在某一最不利的波 前时间Tc(称为临界波前时间)下U50% 有最小值
• SF6—N2混合气体的相对耐电强度
二、SF6气体的绝缘特性 • SF6优异的绝缘性能只有在比较均匀的 电场中才能得到充分的发挥 • SF6气隙的极性效应与空气隙相反，即 曲率半径小的电极为负极性时气隙的击 穿电压小于正极性。
GIS(Gas Insulated Switchgear) • GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷 器、母线、连线和出线终端等组合而成，全部封闭在充 有一定压力的SF6气体的金属外壳中，构成封闭式组合 电器，组成一个气体绝缘变电站 优点： • 大大节省占地面积。额定电压越高，节省越多。 • 不受恶劣的大气条件的影响，运行安全可靠。占用空间 小，噪声小，无电磁辐射，有利于环境保护。 • 安装成套性好，维护工作量小
二、悬式绝缘子串的电压分布及闪络特性 • 35kV 3片 • 110kV 7片 • 220kV 13片 • 330kV 19片 • 500kV 28片
• 如果只考虑CE的存在．靠近导线的绝缘子上承受的电压 大于远离导线的绝缘子，如果只考虑CL的存在，其作用 正好相反．如果同时存在，实际上由于CE>CL所以绝缘子 串中靠近导线的绝缘子的电压降最大。
• 为了改善绝缘子串的电压分布，通常在绝缘子串导线端安 装均压环，均压环对悬挂导线的金具还起到屏蔽作用，有 效地降低这些连结金具的电晕。 • 绝缘子的电气性能通常用闪络电压来衡量。干闪电压是 指表而清洁、干燥的绝缘子的闪络电压．它是户内绝缘子 的主要性能。湿闪电压是指洁净的绝缘子在淋雨情况下的 闪络电压，为了使试验结果能够进行比较，必须规定一定 的淋雨条件。我国国家标准规定的淋雨条件为：平均淋雨 率的垂直分量和水平分量均为1.1～1.5mm/min,淋雨角为 45°，人工雨水的电阻率为100 ±15Ωm(20℃时)。 • 随着绝缘子中长度的增加，其湿闪电压将会逐渐接近其干 闪电压.