高电压技术课件.ppt
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1、第三章 气隙的电气强度,第一节 气隙的击穿时间第二节 气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布第三节 大气条件对气隙击穿电压的影响第四节 较均匀/不均匀电场气隙的击穿电压第五节 提高气隙击穿电压的方法,3.1 气隙的击穿时间,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柱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。完成击穿所用时间都以微秒记,在直流和工频等持续电压下,时间不成问题。但冲击电压的有效作用时间也以微秒记,所以放电时间就成了重要因素了。,放电的总时间 tb 由三部分组成,即,tb = tl + ts + t
2、f,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。 tlag = ts + tf tlag放电时延,第七节 放电时间和冲击电压下的气隙击穿 一、放电时间,3.2 气隙的伏秒特性,一. 电压波形(一)直流电压 直流试验电压大都由交流整流而得,其波形必然有一定的脉动,通常所称的电压值是指平均值。直流电压的脉动幅值是最大值与最小值之差的半。纹波系数为脉动幅值与平均值之比。国家标准规定被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3。(二)工频交流电压 工频交流试验电压应近似为正弦波,正负两半波相同,其峰值与有效值之比应在 以内。频率一般在4565Hz
3、范围内。,( 三) 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。如图T1视在波前时间; T2视在半峰值时间 ;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=50s,容许偏差20% 通常写成1.2/50s,并可在前面加上正、负号表示极性。,(四) 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落后出现的截尾冲击波,如图。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 .,标准雷电冲击电压波 标准雷电截波,(五) 标准操作冲击电压波 用来等
4、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%,标准操作冲击电压波,二、伏秒特性,气隙的伏秒特性在同一波形,不同幅值的冲击电压作用下,气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系,称为该气隙的伏秒特性。伏秒特
5、性曲线表示该气隙伏秒特性的曲线,称为伏秒特性曲线。50%冲击击穿电压 (U50% )指某气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。冲击系数U50%与 静态击穿电压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。,(一)伏秒特性曲线的制作,保持一定的冲击电压波形不变,而逐级升高电压,以电压为纵坐标,时间为横坐标,电压较低时,击穿一般发生在波尾,取该电压的峰值与击穿时刻,得到相应的点;电压较高时,击穿一般发生在波头,取击穿时刻的电压值及该时刻,得到相应的点;把这些相应的点连成一条曲线,就是该气隙在该电压波形下
6、的“伏秒特性曲线”。,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。工程上,通常取“50%伏秒特性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。,(二)伏秒特性曲线的应用 在保护设备和被保护设备的绝缘配合上具有重要的意义。是防雷设计中实现保护设备和被保护设备的绝缘配合的依据 。,举例:如果一个电压同时作用在两个并联的气隙S1和S2上,其中一个气隙先被击穿了,则电压被短接截断,另一个气隙就不会再被击穿了。这个原则如用于保护装置和被保护设备,那就是前者保护了后备。设前者的伏秒特性以S2记之,后者的以S1记之,如图3-2-6情况。,三. 气隙击穿电压的概率分布,不论是在何种电压作用下,气隙的击
7、穿电压都有一定的分散性,即“击穿概率分布特性”。研究表明,气隙击穿的几率分布接近正态分布,通常可以用U50%和变异系数Z来表示。 用作绝缘的气隙,人们所关心的不仅是其U50%击穿电压,更重要的是其耐受电压即能确保耐受而不被击穿的电压。100%的耐受电压是很难测的(要做无穷次的实验),工程实际中常用对应于很高耐受几率(例如99以上)的电压作为耐受电压。,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的海拔高度。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。海拔高度的影响与此类似,随着高度的增加,空气的
8、压力和密度均会下降。正由于此,在不同的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。,我国的国家标准所规定的标准大气条件为:,压力 p0 =101.3kpa(760mmHG); 温度 t0 =20 或 T0 = 293K; 绝对湿度 hc =11g / m3 。,3.3 大气条件对气隙击穿电压的影响,在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0 之间可以通过相应的校正因数进行如下换算,式中 Kd空气密度校正因数; Kh湿度校正因数。,空气的密度与压力和温度有关。空气的相对密度,式中 p气压,kPa; T温度,K 。,在大气条件下,气隙
9、的击穿电压随的增大而提高。当处于0.951.05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,气隙不长(例如不超过1m)时,上式能足够精确的使用于各种电场形式和各种电压类型下近似的工程估算。,一、对空气密度的校正,研究表明:对更长空气间隙来说,击穿电压与大气的关系并不是一种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。Kd 如下式计算,式中指数 m ,n 与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关,值在0.41.0的范围内变化,具体取值可参考有关国家标准的规定。,大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子,这对气体的放电过程起着抑
10、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很大,电子运动速度较快,不易被水分子俘获,因而湿度影响不太明显,可以忽略不计。例如用球隙测量高电压时,只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,湿度影响就很明显了,可用下面的湿度校正因数来校正。,Kh = k,式中因数 k 与绝对温度和电压类型有关,而指数 之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。具体值亦可参考有关国家标准。,二、对湿度的校正,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
11、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Kn ,即 U = Ka Up (2-9),式中 H安装点的海拔高度,m。,三、对海拔的校正,3.4 气隙的击穿电压,一、较均匀电场气隙的击穿电压1. 在均匀电场中,电场是对称的,故击穿电压与电压极性无关,由于间隙各处的场强大致相等,不可能出现持续的局部放电,故起始放电电压就等于气隙的击穿电压。 不同电压波形作用下,击穿电压实际上相同,且分散性很小,对于空气,可以用以下的经验公式表示: KV(peak)式中 空气的相对密度 S 气隙的距离,cm,2.稍不均匀电场 稍不均匀电场的结构形式有多种多样,常遇到的较典型的电场结构形式有;球球、球
12、板、圆柱板、两同轴圆筒、两平行圆柱、两垂直圆柱等。对这些较简单的、有规则的、较典型的电场,有相应的计算击穿电压的经验公式或曲线,而用时,可参阅有关的手册和资料。3.影响稍不均匀电场间隙击穿电压的因素: 电场结构、大气条件、还有邻近效应等。,二、不均匀电场气隙的击穿电压 不均匀电场的特征:各处场强差别很大,在所加电压小于整个间隙击穿电压时,可能出现局部的持续的放电。由于持续的局部放电的存在,空间电荷的积累对击穿电压的影响很大,导致显著的极性效应。 对很不均匀电场,只要宏观上保持原有的电场布局和气隙最小距离不变,则电极的具体形状、尺寸和结构的改变,对击穿电压的影响不大。 预先对几种典型的电场的气隙
13、,如棒棒或线线、棒板或线板作出击穿电压和气隙距离的关系曲线,在工程上遇到的各种不均匀电场,其击穿电压可以参照与接近的典型气隙的击穿电压来估计。,(一)直流电压作用下,总结:,(二)工频电压作用下:表示中等距离空气间隙的工频击穿电压曲线,图3-5-2 棒棒和棒和板空气间隙的 工频击穿电压与间隙距离的关系,结论:击穿总是发生在棒极为正半波时。,结论:气隙较大时(S大于2.5m),击穿电压与距离关系出现了明显的饱和趋向,特别是棒板气隙,其饱和趋向更明显。,(三)雷电冲击电压作用下实验表明,导线平板气隙的U50%与棒板气隙的十分接近(不论正/负极性),在缺乏线板击穿电压的具体数据的时候,可以用棒板的击
14、穿数据来估计。(图3-5-4),另外,棒棒和棒板的击穿电压曲线是各种不均匀电场气隙击穿电压曲线的上下包络线,这点对设计很有用。,图3-5-4 气隙的冲击击穿电压与距离的关系,(四)操作冲击电压作用下1.波形的影响:一般均指“正极性”情况。,图3-5-8 不同性质电压作用下棒板气隙 的击穿电压与气隙距离的关系,2.饱和现象:长气隙在操作电压作用下呈现显著的“饱和现象”。,图3-5-9棒棒和棒-板间隙的操作冲击击穿电压,3.分散性大,(五)叠加性电压作用下 工程实际中,作用在气隙上的电压常常是由不同性质电压叠加的,而不是单一性质的。注意:同一气隙对叠加性电压的、耐受程度与对单一性电影的耐受程度是不
15、同的。当工作电压是稳态直流时,两者的差异更显著。,3.5 提高气隙击穿电压的方法,一、改善电场分布 一般说来,电场分布越均匀,气隙的击穿电压就越高。故如能适当地改进电极形状增大电极的曲率半径,改善电场分布,就能提高气隙的击穿电压。 不仅要注意改善高压电极的形状以降低该电极旁边的局部场强,还要注意改善接地电极和中间电极的形状,以降低该电极旁边的局部场强。常用办法:增大电极的曲率半径(简称屏蔽)。,二、采用高度真空从气体撞击游离的理论可知,将气隙抽成高度的真空能抑制撞击游离的发展,提高气隙的击穿电压。注意:高真空中,击穿机理发生了变化,撞击电离的机制不起主要作用,而击穿与强场发射有关。应用:真空断
16、路器中用作绝缘和灭弧。,三、增高气压增高气体的压力可以减小电子的平均自由行程,阻碍撞击游离的发展从而提高气隙的击穿电压。在一定的气压范围内,增高气压对提高气隙的击穿电压是极为有效的。但是容器的密封比较困难,即使做到了密封,造价也比较昂贵。,四、采用高耐电强度气体卤族元素的气体:六氟化硫(SF6)、氟里昂(CCl2F2)等耐电强度比气体高的多,采用该气体或在其他气体中混入一定比例的这类气体,可以大大提高击穿电压。,卤族物有高耐电强度的原因:卤族元素(尤其是F和CL)分子具有很强的电负性,易俘获电子形成负离子,使电离能力很强的电子数减少,且形成负离子以后,易与正离子相复合。这些气体的分子量较大,分
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