高电压技术第一章.ppt

电介质在电气设备中作为绝缘材料使用，按其物质形态，可分为：气体介质 液体介质 固体介质,在电气设备中:外绝缘:一般由气体介质(空气)和固体介质(绝缘子)联合构成内绝缘:较多由固体介质和液体介质联合构成,也有由气体介质构成,在电场作用下，电介质中出现的电气现象可分为两大类:弱电场电场强度比击穿场强小得多,极化、电导、介质损耗等强电场电场强度等于或大于放电起始场强或击穿场强,放电、闪络、击穿等,第一章 气体放电的基本物理过程,研究气体放电的目的了解气体在高电压（强电场）作用下逐步由电介质演变成导体的物理过程 掌握气体介质的电气强度及其提高方法了解电气设备中常用气体介质:空气、压缩的高电气强度气体（如SF6）,气体介质中带电质点的产生与消失,带电粒子在气体中的运动 带电粒子的产生 负离子的形成 带电粒子的消失,（一）自由行程长度气体中存在电场时，粒子进行热运动和沿电场定向运动,一、带电粒子在气体中的运动,各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。单位行程中的碰撞次数Z的倒数 即为该粒子的平均自由行程长度。,二、带电粒子的产生,产生带电粒子的物理过程称为电离，是气体放电的首要前提。激励当原子获得外部能量，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，该现象称为激励。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要的最小能量称为电离能。,当满足以下条件时，产生光电离光的波长；光速；气体的电离能光子来源外界高能辐射线 气体放电本身,（一）光电离,常温下，气体分子发生热电离的概率极小。气体中发生电离的分子数与总分子数的比值m称为该气体的电离度。下图为空气的电离度m与温度T的关系：,（二）热电离,当t10000K时，才需考虑热电离；当t20000K时，几乎全部的分子都处于热电离状态,（三）碰撞电离,电子获得加速后和气体分子碰撞时，把动能传给后者引起碰撞电离。电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：m电子的质量：qe电子的电荷量,如果W大于或等于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量完成碰撞电离。由此可得碰撞电离时应满足以下条件：,电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离为：,Ui气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等,xi的大小取决于场强E，增大气体中的场强将使 值减少。可见提高外加电压将使碰撞电离的概率和强度增大。,（四）电极表面的电离,当逸出功电离能时，阴极表面电离可在下列情况下发生：正离子撞击阴极表面 光电子发射 热电子发射 强场发射,三、负离子的形成,附着：当电子与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离而产生出正离子和新电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合形成负离子的情况。负离子的形成并未使气体中带电粒子的数目改变，但却能使自由电子数减少，因而对气体放电的发展起抑制作用。,四、带电粒子的消失,带电粒子的消失可能有以下几种情况：带电粒子在电场的驱动下做定向运动，在到达 电极时，消失于电极上而形成外电路中的电流；带电粒子因扩散而逸出气体放电空间；带电粒子的复合。,复合：当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，其结果是产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。,汤逊理论流注理论巴申定律,气体放电的基本理论,1.电子崩,一 汤逊气体放电理论,电子崩的形成过程 碰撞电离和电子崩引起的电流 碰撞电离系数,气体放电的现象与发展规律与气体种类、气压大小、气隙中的电场型式、电源容量等一系列因素有关。但无论何种气体放电都一定有一个电子碰撞电离导致电子崩的阶段，它在所加电压达到一定数值时出现。,各种高能辐射线（外界电离因子）引起：阴极表面光电离 气体中的空间光电离因此：空气中存在一定浓度的带电离子,在曲线oa段，I随U的提高而增大，这是由于电极空间的带电粒子向电极运动加速而导致复合数的减少所致。,当电压接近Ua时，电流趋于饱和值；,当电压提高到Ub时，电流又开始随电压的升高而增大；气隙中出现碰撞电离和电子崩。,电压继续升高至U0电流急剧上升，说明放电过程又进入了一个新的阶段。此时气隙转入良好的导电状态。,(一)电子崩的形成,外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，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，产生更多电子,(二)电子崩形成的电流,为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流，引入：电子碰撞电离系数。,电子碰撞电离系数一个电子沿电力线方向行经1cm时平均发生的碰撞电离次数,如图为平板电极气隙，板内电场均匀，设外界电离因子每秒钟使阴极表面发射出来的初始电子数为n0。,当初始电子到达离阴极为x处时电子数已增加到n个。这n个电子行经dx后又会产生dn个新电子。,途中新增加的电子数或正离子数应为：,将等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：,一旦除去外界电离因子?,(三)自持放电与非自持放电,在I-U曲线的BC段一旦去除外电离因素，气隙中电流将消失。外施电压小于U0时的放电是 非自持放电。,电压到达U0后，电流剧增，外施电压到达U0后的放电称为自持放电，U0称为放电的起始电压。,自持放电的形成,在电场作用下，正离子向阴极运动，由于它的平均自由行程长度较短，不易积累动能，所以很难使气体分子发生碰撞电离。但当正离子撞击阴极表面时却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形成新的电子崩。,如果电压足够大，初始电子崩中的正离子在阴极上产生出来的新电子等于或大于1，即使除去外界电离因子的作用，放电也不会停止。这就变成了自持放电。,自持放电的条件,由自持放电的概念出发，可推出当满足以下条件时，会发生自持放电：,：一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数,：电子碰撞电离系数,d：两极板距离,自持放电的物理含义,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：正离子在阴极造成的二次自由电子数为：如果它等于1，就意味着那个初始电子有一个后继电子，放电得以自持。,如果自持放电条件满足时，会形成下图的闭环部分：,巴申定律 在温度不变的情况下，均匀电场中气隙的击穿电压 是气体压力p和极间距离d乘积的pd函数,二 巴申定律,利用汤逊理论的自持放电条件 以及碰撞电离系数 与气压、电场强度 的关系式(当气温 不变时)，并考虑均匀电场中自持放电起始场强（式中U0为起始电压，可得以下关系：,由物理学家巴申从实验中得出，所以通常称为巴申定律。,巴申曲线表明，改变极间距离d的同时，也相应改变气压p而使pd的乘积不变，则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等。,在p很大或p很小时，碰撞电离系数都较小，可见击穿电压都较高。提高气压或降低气压到高度真空，都能提高气隙的击穿电压。,前面汤逊放电理论所讨论的是低气压、短气隙的情况，但在高气压(101.3kPa或更高)、长气隙的情况pd26.66kPa(200mmHgcm)，汤逊理论将不适用。以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的过程和二次电子发射根本无关。,三 流注理论,气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要有以下两方面：空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用,（一）空间电荷对原有电场的影响,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，产生了电场畸变；在电场很小的区域，电子和离子浓度最大，有利于完成复合；强烈的复合辐射出许多光子，成为引发新的空间光电离辐射源。,（二）空间光电离的作用,汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在高气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。考虑初始电子崩头部成为辐射源，会向气隙空间各处发射光子而引起光电离。,如图所示：如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区，则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中,这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注。,流注条件,流注的特点是电离强度很大和传播速度很快，出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力，而不再依赖外界电离因子的作用，可见这时出现流注的条件也就是自持放电的条件。,流注时初崩头部的空间电荷必须达到某一个临界值。对均匀电场来说，自持放电条件为：,实验研究所得出的常数值为：,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。,不均匀电场中气隙的放电特性,稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 电晕放电 极不均匀电场的放电过程,均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的却是不均匀电场。为了描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场不均匀系数f，表示为：,一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征,Emax：最大电场强度Eav:平均电场强度f4属不均匀电场。,二、电晕放电,由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。,电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，流传最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：,r 导线半径（cm）,m1导线表面粗糙系数，光滑导线m11，绞线的m10.8-0.9对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素(雨水的水滴使导线表面形成凸起的导电物)可用系数m2加以考虑。,空气相对密度；,电晕放电的危害,电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。,电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。,电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。,降低电晕的方法：,从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。,电晕放电的有利之处：,在列举电晕放电所引起的危害之后，也应提到它有利的一面，例如：在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。,三、极不均匀电场的放电过程,极性效应 在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。,决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。,下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙为例，从流注的概念出发，说明放电的：发展过程 极性效应,（一）正极性,如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。,这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。,这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。,（二）负极性,棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动。,留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场,所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。,输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。,小 结,用不均匀系数来描述电场的不均匀程度；电晕放电是发生在小曲率半径电极附近的放电；电场极不均匀的“棒-板”气隙，负极性击穿电压高于正极性击穿电压。,稳态电压下气隙的击穿特性,常见的四种电压波形直流电压工频交流电压雷电过电压操作过电压 直流和工频电压均为持续作用的电压，统称为稳态电压。气隙在稳态电压作用下的击穿电压，也称为静态击穿电压US,1.均匀电场中电极布置对称，没有极性效应2.均匀电场间隙中电场强度处处相等，一旦出现放电就回立即导致整个间隙的击穿，不会出现稳定的局部电晕放电现象。3.对均匀电场而言，直流击穿电压、工频击穿电压峰值和50%冲击击穿电压实际上都是一样的。,一 均匀电场在稳态电压作用下的击穿,随着极间距离d的增大，击穿场强Eb稍有下降，在d=110cm的范围内，击穿强度Eb(以电压峰值表示)约等于30kV/cm。,1.实际应用最多的稍不均匀电场球间隙同轴圆柱电极2.稍不均匀电场的击穿,二 稍不均匀电场在稳态电压作用下的击穿,dD/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,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变化规律如图所示。,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。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。,三 极不均匀电场在稳态电压作用下的击穿,（一）直流电压,“棒板”负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压。,（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。,空气中棒间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。,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。,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，其标准偏差值不会超过2%-3%。,雷电冲击电压下气隙的击穿特性,一、雷电冲击电压下的击穿,（一）冲击电压的标准波形,P点为波峰，O为原点，名义零点（视在原点）O1，波前时间T1，波长时间T2（半峰值时间）。,1.2/50 s,标准雷电波的波形规定为T1 1.2s30，T2 50 s20,IEC和国标的规定为：T11.2 s 30 T250 s 20 一般写为1.2/50 s，有国家为1.5/40 s,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所出现的截尾冲击波，如图所示。,IEC和国标规定为：T11.2s30 Tc=25s,标准操作冲击电压波,Tcr波前时间；T2半峰值时间；Um冲击电压峰值IEC和国标规定为：Tcr250s20 T22500s60,（二）放电时间,完成气隙击穿的三个必备条件：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有效电子 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿,外施电压高于临界击穿电压Us的时间t1从t1至间隙击穿所需的时间称为放电时延tlag出现第一个有效自由电子所需的时间，称之为统计时延ts 出现第一个有效自由电子到放电过程完成所需的时间，称为放电形成时延tf。,冲击放电时间 tb=t1+ts+tf 短间隙放电时延主要决定于ts 长间隙放电时延主要决定于tf,tb和tf都具有统计性放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短。,1.50%冲击放电电压U50%是指在该冲击电压作用下，多次施加电压时，放电击穿的概率为50%在工程实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50冲击击穿电压。冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取3绝缘冲击系数=U50%/U0 U0 为静态击穿电压均匀和稍不均匀电场下，1;极不均匀电场中,1，,（三）50%冲击放电电压U50%,雷电冲击电压,在1.5/40s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的关系如图所示。,气隙长度更大的实验结果见图。对于1.2/50s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,1.伏秒特性的定义 在同一冲击电压波形（标准波形）的作用下，间隙上出现的电压最大值和击穿时间之间的关系，称为间隙的伏秒特性2.求取伏秒特性曲线的实验方法,（四）伏秒特性,实际的伏秒特性曲线如图所示，是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。,随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却与气隙 的电场形式有较大关系：如图所示：均匀或稍不均匀电场的放电时延（间）短，因而其伏秒特性很快就变平了（例如1s处）；,而极不均匀电场的放电时延（间）较长，因而其伏秒特性到达变平点的时间也就较长。,伏秒特性在绝缘配合的重要意义,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,二 操作冲击电压下气隙的击穿特性,(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。,(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。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。(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。,（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。,大气条件对气隙击穿特性的影响及校正,对空气密度的校正 对湿度的校正 对海拔的校正,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。,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。,压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；,温度：t0=20摄氏度或T0=293K；,绝对湿度：hc=11g/m3。,国标规定的大气条件：,国标规定的大气条件：,国标规定的大气条件：,实验条件下的气隙击穿电压 与标准大气条件下的击穿电压 之间关系：,K1：空气密度校正因数,K2湿度校正因数,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,一、对空气密度的校正,空气密度与压力和温度有关。空气的相对密度：式中：气压，kPaT：温度,K,在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。实验表明，当处于095105的的范围内时，气隙的击穿电压几乎与成正比，即此时的空气密度校正因数Kd，因而 U=U0,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。,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：,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0.41.0的范围内变化,具体取值国家标准中有规定。,二、对湿度的校正,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。,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。,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。,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：,式中的因数K取决于试验电压类型,是绝对湿度h与空气相对密度之比的函数，而指数之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。,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。,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：U=KaUP,而：Ka=1/（1.1-H10-4),式中H为安装点的海拔高度，单位是m。,提高气体间隙电气强度的方法,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,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：改善气隙中的电场分布，使之均匀；设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。,一、改进电极形状以改善电场分布,电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：增大电极的曲率半径 消除电极表面的毛刺 消除电极表面尖角,利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法。以电气强度最差的“棒一板”气隙为例，如果在棒极的端部加装一只直径适当的金属球，就能有效地提高气隙的击穿电压。,二、利用空间电荷改善电场分布,由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放电，所以在一定条件下，还可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。,三、采用屏障,由于气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空间的产生、运动和分布密切有关，所以在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，也是提高气体介质电气强度的一种有效方法,屏障用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能无关紧要，重要的是它的密封性(拦住带电粒子的能力)。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力线垂直。,屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。,如图，虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强度反而增大了，但其电场形状变得更象两块平板电极之间的均匀电场，所以整个气隙的电气强度得到了提高。,有屏障气隙的击穿电压与该屏障的安装位置有很大的关系。以图所示的“棒一板”气隙为例，最有利的屏障位置在x=(1/51/6)d处，这时该气隙的电气强度在正极性直流时约可增加为23倍。,但当棒为负极性时，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高气隙的击穿电压(例如20)，而在大多数位置上，反而使击穿电压有不同程度的降低。,在冲击电压下，屏障的作用要小一些，因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少。,显然，屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了。,四、采用高气压,在常压下空气的电气强度是比较低的，约为30kV/cm。即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限，可见常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。,如果把空气加以压缩，使气压大大超过0.1MPa(1atm)，那么它的电气强度也能得到显著的提高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（例如SF6气体）来代替空气，那就能获得更好的效果。,但采用高气压会对电气设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求，往往难以实现。如果用SF6来代替空气，为了达到同样的电气强度，只要采用07MPa左右的气压就够了。,五、采用高电气强度气体,有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。,但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件：液化温度要低，这样才能同时采用高气压；良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；生产不太困难，价格不过于昂贵,SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术性能也相当好，因此SF6及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用,六、采用高真空,采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程而显著提高气隙的击穿电压。在电力设备中实际采用高真空作为绝缘媒质的情况还不多，主要因为在各种设备的绝缘结构中大都还要采用各种固体或液体介质，它们在真空中都会逐渐释出气体，使高真空难以长期保持。,目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用，真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力，所以用于配电网中的真空断路器还是很合适的。,沿面放电,沿面放电概念 沿面放电的类型与特点 沿面放电电压的影响因素和提高方法 固体表面有水膜时的沿面放电 绝缘子染污状态下的沿面放电污闪事故的对策,一、沿面放电概念,沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。污 闪：沿着污染表面发展的闪络。电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况：,固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能。沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘，一般均为自恢复绝缘，因为绝缘子闪络或空气间隙击穿后，只要切除电源，它们的绝缘性能都能很快地自动彻底恢复。,表面放电的实验现象：沿固体介质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。可见绝缘的实际水平取决于它的沿面闪络电压。它与设备表面的干燥、潮湿或清洁、污染有较大关系。,二、沿面放电的类型与特点,界面电场分布可分为3种典型情况，见图,(a)固体介质处于均匀电场中，界面与电力线平行(b)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要大得多(c)固体介质处于极不均匀电场中，但大部分界面上的电场切线分量Et大于垂直分量En,（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电,图(a)平板电场电极间插入一块固体介质，沿面闪络电压比纯空气时下降很多，原因如下：,固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙,大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜，电极表面集聚了电荷，降低了闪络电压。,固体表面电阻的不均匀和粗糙不平也会造成电场畸变。,（二）极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电,外施电压升高 电压超过某一值 电压再升高一些 电晕放电 辉光放电 滑闪放电 闪络,（三）极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电,平均闪络场强比均匀电场时低得多；另一方面，由于界面上电场垂直分量很弱，因此不会出现热电离和滑闪放电,三、沿面放电电压的影响因素和提高方法,（一）固体介质材料如图，取决于材料的亲水性或憎水性,（二）电场型式,放电电压与电场型式有很大关系，如在极不均匀电场中，沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压降低得较少，因而采取措失提高沿面放电电压的可能幅度也不大,四、固体表面有水膜时的沿面放电,如图，对于湿闪络：（1）沿湿表面AB和干表面BCA发展,绝缘子湿闪电压为干闪时的4050。,（2）沿湿表面AB和空气间隙BA发展，绝缘子湿闪电压不会下降很多。,（3）沿湿表面AB和水流BB发展，湿闪电压降低到很低的数值。,五、绝缘子染污状态下的沿面放电,环境应力：雨、露、雪、雾、风等气候条件和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽物的污染。闪络形成：毛毛雨、雾、露等不利天气时，污层将被水分湿润，电导大增，工作电压下泄漏电流大增。绝缘子表面上不断延伸发展局部电弧（称为爬电），一旦达到某一临界长度时，自动贯穿两极，形成沿面闪络。,污闪过程：可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展。积污地点：城市农村；化工厂、火电厂、冶炼厂等重污染地区污层受潮条件：多雾；常下毛毛雨；易凝露地区；长期干旱,污闪的发展过程,污闪是一个局部电弧伸展的过程，也就是一个湿污秽层烘干的过程。因此其发展需要较长的时间。,污闪事故一般是在工作电压下发生的，常常会造成长时间、大面积的停电，要待不利的气象条件消失后才能恢复供电，因此污闪事故对电力系统的危害待别大。,污闪危害：污闪事故后果大于雷击事故后果；因为雷击仅发生在一点，可实现自动重合闸，停电短，影响小 污闪一般为一片地区，难实现自动重合闸，停电长，影响大,污秽表征：等值附盐密度（等值盐密），方法是：除铁脚铁帽的粘合水泥面上的污秽物外，把所有表面上的沉积污秽刮下或刷下，溶于300ml的蒸馏水中，测出其20 C水温时的电导率；然后在另一杯20 C、300ml的蒸馏水中加入NaCl，直到其电导率等于混合溶液的电导率时，所加入的NaCl毫克数，即为等值盐量，再除以绝缘子表面积，就可得到“等值盐密”（mg/cm2)。,污秽等级：我国按三方面划分污区等级：1、污染；2、气象条件；3、等值盐密。我国国标中规定的污秽等级及对应的盐密值如下表所示：,采用污层等值附盐密度这一概念简化对污秽严重程度的描述。与绝缘子表面单位面积上污秽物导电性相当的等值盐(NaCl)量(以mgcm2表示）,不同污秽等级下，绝缘子应具有的单位泄漏距离(泄漏比距、爬电比距)，其定义为绝缘子每一千伏额定线电压的平均泄漏距离。,泄漏距离即两极间的最短距离,六、污闪事故的对策,(一)调整爬距（增大泄漏电流）爬电比距指外绝缘的爬电距离与系统最高工作电压之比。(二)定期或不定期的清扫(三)涂料(四)半导体釉绝缘子(五)新型合成绝缘子,六氟化硫气体绝缘和封闭式气体绝缘组合电器（GIS）,六氟化硫的绝缘性能 六氟化硫理化特性方面的若干问题 六氟化硫混合气体 气体绝缘电气设备,.六氟化硫(SF6)气体：20世纪60年代开始作为绝缘媒质和灭弧媒质使用于某些电气设备(首先是断路器)中；至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。SF6的电气强度约为空气的2.5倍，灭弧能力更高达空气的100倍以上，所以在超高压和特高压的范畴内，它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为唯一的断路器灭弧媒质目前SF6不但应用于单一电力设备，如：SF6断路器、气体绝缘变压器等 也被广泛采用于将多种变电设备集于一体并密闭充SF6气体的容器之内的封闭式气体绝缘组合电器（GIS）和充气管输电线等装置中。,