子情境12气体绝缘材料及其击穿特性要求课件.ppt

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1、子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,要求,熟悉在不同电场中，不同电压性质下气,体间隙的击穿特性，能正确运用各种提,高气体间隙击穿电压的方法,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,知识点,?,气体中带电质点的产生与消失形式,?,汤逊理论、巴申定律、流注理论,?,极不均匀电场中的电晕放电和极性效应,?,冲击电压下间隙的放电时延和伏秒特性,?,提高气体间隙击穿电压的方法,?,绝缘子沿面放电的特点以及提高沿面闪络,电压的方法,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,重点和难点,?,提高气体间隙击穿电压的方法,?,提高绝缘子沿面闪络电压的方法,子情境

2、,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.1,气隙中带电质点的产生和消失,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,气体原子在外界因素（电场、高温等）,的作用下，吸收外界能量使其内部能量增,加，这时原子核外的电子从离原子核较近,的轨道跳到离原子核较远的轨道上去，此,过程称为,原子激发,，也称,激励,，被激发的,原子称为激发原子，激发原子内部能量比,正常原子大。,一、气体中带电质点的产生,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,如果中性原子从外界获得足够的能量，使,原子中的一个或几个电子完全脱离原子核,的束缚而成为自由电子和正离子（即带电,质点），此过程称为,原子的游离,。游离是,激发

3、的极限状态，气体分子或原子游离所,需要的能量称为,游离能,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,分子或原子的游离可以一次完成，也可以分级完,成，即先经过激发阶段，然后发生游离，这种游离称,为,分级游离,。分级游离时，一次需要获得的能量较小,，但几次获得的总能量应大于或等于游离能。,图,1-1,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,按,照,能,量,来,源,的,不,同,碰撞游离,在电场作用下，电子被加速获得动能。如果动能,大于气体质点的游离能，在和气体质点发生碰撞,时，就可能使气体质点产生游离，分裂成正离子,和自由电子。这种游离称为碰撞游离。,是气体中带电质点数目增加的重要原因,由光辐

4、射引起气体原子或分子产生的游离，称为,光游离。,热游离,因气体分子热状态引起的游离称为热游离。实质,是碰撞游离和光游离，只是直接的能量来源不同。,表面游离,放在气体中的金属电极表面游离出自由电子的现,象称为表面游离,光游离,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,金属表面游离所需能量获得途径,使金属释放出电子也需要能量，使电子克服金属,表面的束缚作用，这个能量通常称为,逸出功,。,强场发射,短波光照射,正离子撞击阴极,正离子在电场中向阴极运动，碰撞阴极时将动能传递,给阴极中的电子可使其从金属中逸出。在逸出的电子,中，一部分可能和撞击阴极的正离子结合成为分子，,其余的则成为自由电子。,在阴极附

5、近加上很强的外电场,时，电子从阴极表面拉出来，,称为,强场发射或冷发射,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,带电质点受电场力的作用流入电极,带电质点的扩散,带电质点的复合,气体发生放电时，除了不断形成带电质点的游离过程,外，还存在带电质点的消失过程。,带电质点的扩散是指带电质点从浓度较大的区域转移到浓度较,小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程,。扩散由热运动造成的。扩散使放电通道中的带电质点数减少,，导致放电过程减弱或停止。,带正、负电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原成中,性质点的过程，称为复合。强烈的游离区通常强烈的复合区，,同时伴随着强烈的光辐射，这个区

6、的光亮度也就大。,二、气体中带电质点的消失,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.2,均匀电场中气体的击穿过程,?,汤逊理论与巴申定律,?,流注理论,内容,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,一、汤逊理论与巴申定律,20,世纪初英国物理学家汤逊在均匀电场、,低气压、短间隙的条件下进行了放电实验,，根据实验结果提出了解释气体放电过程,的理论，称为,汤逊理论（电子崩理论）。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,均匀电场中气体的伏安特性,图,1-2,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,在,0,U,U,1,时,，由于电压升高,时，单位时间内,进入电极的带电,质点

7、数增加，电,流随电压升高而,升高,图,1-3,在,U,1,U,U,2,时，电流趋于稳定，由外界游离因素产,生的带电质点全部落入电极。因产生的带电质点数很,少，所以电流极小，此时气体间隙处于良好绝缘状态,。,在,U,2,U,U,b,时,电流随电压而增,加，这说明出现,了新的游离因素,，这就是电子的,碰撞游离,。,U=U,b,时，间,隙击穿。,U,b,是该平板间隙,的,击穿电压,。,均匀电场中空,气间隙的击穿,场强约为,30,kV(,幅值,)/cm,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,2.,汤逊理论,图,1-4,U,U,2,时，假设外界游离因素作用下先使阴极附近出现了一个,自由电子。此电

8、子在电场的作用下加速，造成碰撞游离，于是,出现一个正离子，两个自由电子。两个自由电子在电场中运动,又造成新的碰撞游离。电子数目将以,2,0,、,2,1,、,2,2,、,、,2,n,的,规律，如雪崩状增加，这一现场现象称为,电子崩,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,当外施电压,U,U,b,时，若取消外界游离因素，电子崩,会消失，电流也将消失，这类放电称为,非自持放电,图,1-5,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,U,U,b,时，由于场强足够大，正离子撞击阴极会发生,表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体,中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需,要外界游离因素，

9、这就是,自持放电,。,图,1-6,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,3,.,巴申定律,0.1,0.1,0.5,1,5,10,50,100,500,10,3,1,5,10,50,0.5,pd,(133Pa,cm),图,2,7,均匀电场中空气间隙的,U,b,f,（,pd,）曲线,Ub,（峰,值，,kV,）,U,b,是,pd,的函数,；是,U,性曲线,，有极小值。对,空气，,U,b,的极小,值约为,325V,。,此极小值出现在,pd,76Pa,cm,时，即极小值出,现在低气压下。,若,d,增加时电压不变,，则间隙中,E,下降，,游离过程减弱，击穿,电压增加。另外，若,P,增加，则电子自由,行

10、程缩短，电子不易,积累能量，从而游离,减弱，也需要更高的,电压才能击穿。,在,U,形曲线的左半支，,pd,的下降主要指气压下降，而不是间隙,距离,d,的缩短。若,p,下降，则电子平均自由行程加长，电子在,两次碰撞之间积累了足够高的能量。虽然电子动能很大，但由,于空气密度太低，分子数量太少，碰撞次数太少，游离过程减,弱，击穿电压升高。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,高气压或高真空都可提高击穿电压，工程,上都已广泛使用。真空度高到一定程度，,所有电子都不引起碰撞游离而直接进入阳,极，击穿电压不会无限提高。这是因为电,压上升到一定程度后，阴极表面的场强就,足够高，高得足以产生强场发射，而

11、且高,能电子撞击阳极也可引起阳极表面材料的,气化，使高真空下的击穿电压上升到一定,程度后就很难再提高了。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,二、流注理论,pd,较大时，放电过程及现象出现了新的,变化，因而在大量实验研究的基础上，提,出了流注放电理论。流注理论认为电子的,碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的,主要因素，空间电荷对电场的畸变作用是,产生光游离的重要原因。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,空间电荷对电场的畸变作用,在电场作用下,电子在奔向阳,极的过程中不,断引起碰撞游,离，电子崩不,断发展。由于,电子的运动速,度快，故电子,总是位于电子,崩的头部。正,离子的运动

12、速,度比电子慢的,多，可看作静,止不动。,崩头前方附,近的场强得,到了加强,正、负电荷交界处,场强被削弱,崩尾部,分的场,强加强,幅度小,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,2,流注的形成和发展,由外,界游,形成,电子,崩,当电子崩走,完整个间隙,后，头部空,间电荷密度,大，加强了,尾部的电场,，向周围放,射出光子,光子引起光游,离，新形成的,光电子在受到,畸变而加强了,的电场中，产,生了新的电子,崩，二次电子,崩。,二次电子崩向主,电子崩汇合，头,部的电子进入主,电子崩头部的正,空间电荷区，由,于电场强度较小,，所以电子大多,形成负离子。大,量的正、负带电,质点构成的混合,通道，就是流

13、注,流注头部游离过程蓬勃发展，放,出大量光子，继续引起空光游离,。在流注前方出现了新的二次电,子崩，它们被吸引向流注头部，,延长了流注通道。,当流注一旦达,到阴极，将间隙接通，就形成了,主放电，强大的电子流通过流注,，迅速向阳极运动，互相摩擦产,生了高温，形成了热游离，主放,电通道迅速由阴极向阳极发展，,到达阳极时间隙被击穿,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,流注的形成及发展过程,U,U,b,起始,电子,主电,子崩,外界游,离因素,碰撞游离,图,2,10,流注形成及发展过程框图,电场,畸变,二次,电子崩,光游离,流注,通道,电弧,通道,间隙,击穿,汇合,热游离,光子,图,1-10,子情

14、境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.3,不均匀电场中气体的击穿过程,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,一、稍不均匀电场和极不均匀电场中气体,放电的特征,稍不均匀电场,中放电的特点与均匀电场中相似，在间隙,击穿前看不到有什么放电的迹象。,极不均匀电场,中放电则不同，间隙击穿前在高场强区（,曲率半径较小的电极表面附近）会出现蓝紫色的晕光，,并发出“咝咝”的响声，称为,电晕放电,。刚出现电晕时的,电压称为,电晕起始电压,，随着外施电压的升高电晕层逐,渐扩大，此时间隙中放电电流也会从微安级增大到毫安,级，但从工程观点看间隙仍保持其绝缘性能。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿

15、特性,d,U,O,4,r,8,r,1,1,2,图,1,11,球间隙的电晕电压、击穿电压与球间隙间距离的关系,1,击穿电压；,2,电晕起始电压,任何电极形状随着极间距离的增大都会从稍不均,匀电场变为极不均匀电场。,当,d,4,r,时,，放电具有,稍不均匀场,间隙的特点,即击穿电压,与电晕起始,电压是相同,的,当,d,8,r,时，放,电具有极不均匀,场间隙的特点，,此时电晕起始电,压明显低于击穿,电压,。,4,r,d,8,r,放电过程,不稳定，击穿电压,的分散性很大，属,于由稍不均匀变为,极不均匀的过渡区。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,二、极不均匀电场中的电晕放电,极不均匀电场中，间

16、隙中的最大场强与平,均场强相差很大。距曲率半径小的电极越,近，场强越大。当间隙上的电压升高时，,平均场强远未达到平均击穿场强的情况下,，曲率半径小的电极附近空间的局部场强,将首先达到足以引起强烈游离的数值，在,这一局部区域内形成自持放电，产生薄薄,的蓝紫色的电晕层，电晕层发光是由于伴,随着游离而存在的复合以及由激发态回到,正常态的反激发辐射光子造成的。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,气体放电过程中的光、声、热的效应以及化学反应,等都要引起能量损耗,放电的脉冲现象会产生高频电磁波，对无线电通讯,造成干扰,电晕放电使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物,等产物，臭氧、氮氧化物等产物是强

17、氧化剂和腐蚀剂,，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀,在高压输电线路上应力求避免或限制电晕，特别是超高,压系统中，限制电晕引起的能量损耗和电磁波对无线电,的干扰已成为必须加以解决的重要问题。,电晕,放电,优势,可降低输电线路上的雷电或操作冲击波的幅值和陡度,利用电晕原理来制造臭氧发生器、电除尘器等。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,限制电晕最有效的方法,是改进电极的形状，,增大电极的曲率半径，例如采用扩径导线；在,某些载流量不大的场合，可采用空心薄壳的、,扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极。,对于输电线路，通常采用分裂导线法来防止电,晕的产生，就是将每相输电导线分裂为几

18、根导,线组成，但总的截面积不变。分裂组合后的导,线，相当于增大了输电导线的半径，这样可以,使导线表面的电场强度减小，从而限制电晕的,形成,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,四分裂,导线,管形母线,1,12,线路中的防晕措施,（,a,）,220kV,管形母线；（,b,）,500kV,线路的四分裂导线,(a),(b),子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,三、极不均匀电场中的极性效应,对于电极形状不对称的极不均匀电场间隙，如棒板间,隙，棒的极性不同时，间隙的起晕电压和击穿电压各不,相同，这种现象称为,极性效应,。极性效应是不对称的极,不均匀电场所具有的特性之一。,极性效应是由于棒的

19、极性不同时间隙中的空间电荷对外,电场的畸变作用不同引起的。给棒板间隙上加直流电,压，无论棒的极性如何，间隙中的场强分布都是很不均,匀的，棒极附近的场强很高，当外加电压达到一定值后,，此强场区内的气体将首先发生游离。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,13,正棒负板间隙中空间电荷对外电场的畸变作用,1,外电场,E,ex,；,2,考虑空间电荷电场,E,sp,后的电场分布,(a),(b),(c),E,sp,E,sp,E,ex,E,O,x,2,1,当棒极为正时，间隙中出现的电子向棒,极运动，进入强场区后引起碰撞游离，,形成电子崩,电子崩发展到棒极时，其电子进,入棒极中和，留在棒极附近的

20、为,正空间电荷，它们以相对缓慢的,速度向阴极运动,正空间电荷使紧贴棒极附近的电场减弱，,棒极附近难以形成流注，从而使自持,放电难以实现，故其起晕电压较高。,而正空间电荷在间隙深处产生的场强,与外加电压产生的场强方向一致，加,强了朝向板极的电场，有利于流注向,间隙深处发展，故其击穿电压较低。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,14,负棒正板间隙中空间电荷对外电场的畸变作用,1,外电场,E,ex,；,2,考虑空间电荷电场,E,sp,后的电场分布,(a),(b),(c),E,sp,E,sp,E,ex,E,O,x,2,1,阴极附近的电子通过强场区形成电子崩,电子崩发展到强场区之外后，其

21、电子不再引起,碰撞游离，而以越来越慢的速度向阳极运动，,并大多形成负离子。这样在棒极附近出现了比,较集中的正空间电荷，间隙深处则是非常分散,的负空间电荷,负空间电荷由于浓度小，对电场的影响不大,，而正空间电荷却使外加电压产生的电场发,生畸变，如图,2,14(c),所示。棒极附近的场,强得到了加强，容易形成自持放电，所以其,起晕电压较低。间隙深处的电场被削弱，使,流注不易向前发展，因而其击穿电压较高。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,极性效应使负棒正板间隙比正棒负,板间隙更容易产生电晕；正棒负板间,隙比负棒正板间隙更容易被击穿。,结论,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,四、极不

22、均匀电场中的放电发展过程,间隙距离较短时，当外加电压达到了间隙的击,穿电压，棒极附近的强场区内形成电子崩，并,转化为流注，当流注发展到对面电极时，两极,间由流注所贯通，流注迅速转化为电弧或火花,放电，间隙即被击穿。,当间隙距离较长时，在流注不足以贯穿两极的电,压下，仍可发展成击穿。此时将出现先导放电现,象。具有热游离过程、不断伸长的通道称为先导,。先导加强了前方电场，引起新的流注，使先导,通道向前逐渐伸长。当电压足够高，先导贯穿两,极，导致主放电，间隙即被击穿。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,15,正棒,-,负板间隙中先导通道的发展,（,a,）先导通道和其头部的流注,mk,

23、；（,b,）流注头部电子崩的形成；,（,c,）,mk,由流注转变为先导和形成流注,nm,；（,d,）流注头部电子崩的形成,(d),(c),(b),(a),k,m,k,m,k,m,n,k,m,n,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,五、不均匀电场中空气间隙的击穿电压,1,稍不均匀电场中的击穿电压,电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压,就越高，其极限就是均匀电场中的击穿电,压。“球球”间隙是典型的稍不均匀电场。,两球间距离与球的半径比不大,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,2,极不均匀电场中的击穿电压,棒板和棒棒作为典型电极结构。,（,1,）直流电压下的击穿电压,1500,1000,

24、500,0,1,2,3,d,（,m,）,U,b,（,kV,）,负棒正板,棒棒,正棒负板,因为棒棒,间隙有一个,棒极为正极,性，放电容,易由该棒极,发展，所以,其击穿电压,比负棒正,板的低。,因为棒棒间隙,有两个强场区，,同等间隙距离下,，电场均匀程度,较棒板电极好,，因此其击穿电,压比正棒负板,的高。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,（,2,）工频电压下的击穿电压,2800,1200,400,0,1,2,3,d,（,m,）,U,b,（,kV,）,图,1,17,空气间隙的工频击穿电压和间隙距离的关系,1,棒板；,2,棒棒；,3,导线杆塔；,4,导线导线,1,2,3,800,1600,2

25、000,2400,4,5,6,7,8,9,10,12,13,14,4,11,d1m,U,b,与,d,成,正比,平均击穿场强其峰值约为,5kV/cm,平均击穿场强其峰值约为,6kV/cm,；,d2m,U,b,与,d,出现明显,的饱和趋向,，特别是棒,板间隙,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.5,雷电冲击电压下空气的击穿电压,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,0.9,0.3,0.5,0,T,1,T,2,t,图,1,18,标准雷电冲击电压波形,视经过,0.3,U,m,和,0.9,U,m,两点的直线构成的斜角为波前,T,1,=,（,1.2,30%,）,s,，,m,u,

26、U,半峰值时间,T,2,=,（,50,20%,）,s,一、标准雷电冲击电压波形,冲击电压波形由波前时间,T,1,及半峰值时间,T,2,确定。还应指出不接地电极相对于地的极性,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,u,U,m,U,0,t,0,t,s,t,f,t,1,t,0,图,1,19,冲击电压下空气间隙击穿时间,静态击,穿电压,，长时,间作用,在间隙,上能使,间隙击,穿的最,低电压,升压时,间,t,0,放电形成时延：从形成,第一个有效电子,的时刻起到间隙完全被击穿的时间。,统计时延：从电压升到,U,0,的时刻起到间隙中,形成第一个有效电子的时间；,指该电子能发展一,系列的游离过程，,最后导

27、致间隙完全,击穿的那个电子。,它的出现是一个随,机事件，与电压的,大小、间隙中光的,照射强度等有关,放电时延,t,1,=,t,s,+,t,f,二、放电时延,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,短间隙（,1cm,以下）中，特别是电场均匀,时，,t,f,远小于,t,s,，放电时延实际上就等于统,计时延。较长的间隙中，放电时延主要决,定于放电形成时延,在电场比较均匀时，放电发展速度快，放,电形成时延较短；在电场极不均匀时，放,电发展到弱电场区后速度较慢，放电形成,时延较长。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,u,U,m,U,0,t,0,图,1,20,U,m,超过,U,0,的持续时间为,

28、T,的冲击电压波,形示意图,T,三、,50%,冲击击穿电压及冲击系数,放电时延,t,1,比电压超过,U,0,所持续,的时间,T,大时，间隙不击穿；若,放电时延,t,1,比,T,小时，间隙击穿,。由于,t,1,具有分散性，在间隙上,多次施加同一电压，有时击穿，,有时不击穿。冲击电压幅值越大,，,T,越大，击穿概率越大。,工程上采用了击穿概率为,50%,的冲击电压来,表示绝缘耐受冲击电压的大小，用,U,50%,表示。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,2,冲击系数,冲击系数,表示,50%,冲击击穿电压,U,50%,与静态击穿电压,U,0,的比值，即,50%,0,U,U,?,?,对于均匀电场

29、和稍不均匀电场，由于放电时延短，冲,击系数为,1,，即直流击穿电压、交流击穿电压峰值、,50%,冲击击穿电压三者相等。击穿通常发生在波形的,峰值附近。对极不均匀电场，由于放电时延长，冲击,系数大于,1,。击穿通常发生在波尾。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,伏秒特性的概念,用同一波形下，间隙上出现的电压最大值和间,隙击穿时间的关系来表示间隙的冲击绝缘特性,，此曲线称为,间隙的伏秒特性,。,四、伏秒特性,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,u,0,t,3,2,1,图,1,21,伏秒特性绘制方法,2,伏秒特性的制定,电压较低时，击穿发生,在波尾。在击穿前的瞬,时，电压虽已从峰值

30、下,降到一定数值，但该电,压峰值仍是间隙击穿过,程中的主要因素，因此,以该电压峰值为纵坐标,，以击穿时刻为横坐标,，得点“,1,”,、点“,2,”,。,电,压再升高，击穿可能正,好发生在波峰。电压进,一步升高时，间隙可能,在电压尚未升到波形的,峰值时就已经被击穿，,如图中的点“,3,”,。这些,相,应点连成一条曲线就是,该间隙的伏秒特性。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,u,0,t,图,1,22,实际的伏秒特性,上包线,由于放电时间具有分散性，所以在每级电,压下可得到一系列放电时间。实际上伏秒,特性是以上、下包线为界的一个带状区域,下包线,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,3

31、,伏秒特性的应用,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,u,0,t,图,1,23,极不均匀电场,S,1,和均匀电场,S,2,的伏秒特性,S,1,S,2,u,0,t,图,1,24,两个间隙的伏秒,特性相交时的情况,S,1,S,2,间隙,S,1,的伏秒特性全面位于间,隙,S,2,的上方，在同一电压下，,S,2,将先于,S,1,击穿，,S,2,就能可靠,地保护,S,1,不被击穿。,间隙,S,1,和间隙,S,2,的伏秒特性相,交，在冲击电压峰值较低时，,S,2,先于,S,1,击穿，对,S,1,起保护作,用；在高峰值冲击电压下，,S,1,先于,S,2,击穿，,S,2,不起保护作用。,子情境,1.2,

32、气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.6,操作冲击电压下空气的击穿电压,电力系统在操作或发生事故时，因状态发生,突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压,，称为,操作过电压,。,(,操作过电压峰值有时可高达相,电压的,3,3.5,倍,),。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,0.5,0,T,1,T,2,t,图,1,25,标准操作冲击电压波形,m,u,U,波形的特征为：,波前时间,T,1,=250s,，允许误差为,20%,；半,峰值时间,T,2,=2500s,，允许误差为,60%,；峰值允许误,3%,。,一、标准操作冲击电压的波形,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,二、操

33、作冲击击穿电压的特点,操作冲击电压的作用时间介于工频电,压与雷电冲击电压之间，因此在均匀或稍,不均匀的空气间隙中，操作冲击,50%,放,电电压与雷电冲击,50%,放电电压、直流,放电电压、工频放电电压等幅值几乎相同,，分散性也较小，击穿发生在峰值附近。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,操作冲击电压下击穿的,U,形曲线,2,操作冲击电压下的,极性效应,更加显著,3,击穿电压具有明显的饱和现象,4,击穿电压的分散性大,极不均匀电场中，操作冲击电压的特点,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,26,棒板间隙的操作冲击击穿电压,波前时间,T,1,（,s,）,0,400,800

34、,1200,400,800,1200,1600,2000,2400,15.2m(,间隙距离,),8.35m,7m,3.95m,2.98m,1m,U,50%,（,kV,）,2m,正棒负板空气,间隙,U,形曲线中,50min,3450,8,1,U,d,?,?,m,KV,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,27,操作冲击电压（,500/5000s,）作用下棒板,及棒棒空气间隙的,50%,击穿电压和间隙距离的关系,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,0.5,1.0,1.5,2.0,(+),棒,-,板,(,),棒,-,板,(,),棒,-,棒,(+),棒,-,棒,d,（,m,）,U

35、,50%,（,MV,）,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.7,提高气体间,隙击穿场强的方法,一方面是改善电,场分布，使之尽,量均匀,另一方面是利用其,他方法来削弱气体,中的游离过程,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,提高气体间隙击穿电压的方法,1,一、改进电极形状,2,二、极不均匀电场中屏障的采用,3,三、高气压的采用,四、高真空的采用,4,五、高电气强度气体,（,SF6,）,的采用,5,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,28,改进电极形状调整电场,球形屏蔽罩,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,29,直流电压下棒板空气间隙的击穿电压

36、,和屏障位置的关系,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,d,1,/,d,（,d,=8cm,）,20,40,60,80,100,120,140,160,180,0,负棒正板无屏障,正棒负板无屏障,正棒负板有屏障,负棒正板有屏障,屏障的最佳位置,约在,d,1/,d,0.2,U,b,（,k,V,）,屏障的作用在于,屏障表面积聚的,空间电荷，使屏,障与板电极之间,形成比较均匀的,电场，从而使整,个间隙的击穿电,压提高,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,d,d,1,屏障,(a),E,x,0,无屏障,有屏障,(b),图,1,30,正棒,-,负板间隙中屏障的作

37、用示意图,（,a,）击穿前屏障上电荷的积累；,（,b,）屏障上电荷对间隙中电场分布的改善,工频电压下,，在棒板,间隙中设置,屏障可以显,著地提高击,穿电压。雷,电击穿电压,下，屏障也,可提高正棒,负板间隙,的击穿电压,，但棒为负,极时，屏障,对击穿电压,影响很小。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.8,沿面放电,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,支柱绝缘子,悬式绝缘子,套管,图,1,31,生产中常见的几类,绝缘子,绝缘子是将处于不同电位的导体在机械上固定，在电气上隔,绝的一种使用数量极大的高压绝缘部件。主要有套管、支柱,绝缘子、悬式绝缘子等,。,子情境,1.2,气

38、体绝缘材料及其击穿特性,当带电体电位超过一定值时，常常在固体介,质和空气的交界面上出现放电现象，这种沿,着固体介质表面的气体发生的放电，称为,沿,面放电,。,当其发展为贯穿性空气击穿时，称为,沿面闪,络,，简称闪络。沿面闪络电压通常要比与闪,络路径等长的空气间隙的击穿电压低，而且,受绝缘子表面状况的影响很大。许多绝缘事,故都是绝缘子的闪络引起的。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,32,均匀电场中的固体介质,一、均匀电场中的沿面放电,使固体介质表面的气体发生闪络时的电压称为,固体介质的沿面闪络电压,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,实际上放电总是发生在固体介质表面，

39、而且沿,固体表面的闪络电压比纯空气间隙的击穿电压,要低得多。造成这种现象的主要原因如下：,?,固体介质表面会吸附气体中的水分形成水膜,.,?,介质表面电阻不均匀和介质表面有伤痕裂纹,，,也,会畸变电场的分布，使闪络电压降低。,?,固体介质与电极表面接触不良，在它们之间存在,气隙，气隙处场强大，极易发生游离，产生的带,电质点到达介质表面，会畸变原电场的分布，使,闪络电压降低。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,二、极不均匀电场中的沿面放电,1,套管的沿面放电（,电场具有强垂直分量,）,随着外施电压的增高，在法兰的边缘先出现浅蓝色,的,电晕放电,进一步升高电压，放电形成平行向前伸展的许多细

40、,光线，称为,刷形放电,当电压升到某临界值时，某些细线的长度迅速增长,，并转变为较明亮的浅紫色的树枝状火花。这种放,电很不稳定，迅速改变放电路径，并有爆裂声响，,这种放电称为,滑闪放电,出现滑闪后，电压只需要增,加不多，放电火花就能延伸到另一电极，形成闪络。,放,电,过,程,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,固体介质,（电工陶瓷）,法兰,（接地极）,图,1,33,220kV,变压器出线套管,(a),套管；,(b),剖面简图,导电杆,固体介质,法兰,(a),(b),导电杆,（电极）,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,34,工频电压作用下沿面放电发展过程示意图,(a),电晕

41、放电；,(b),细丝状辉光放电；,(c),滑闪放电,(a),(b),(c),子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,C,C,r,2,r,2,r,1,r,1,i,1,i,2,i,3,(a),(b),图,1,35,套管的电场分布及等效电路,(a),电场示意图；（,b,）套管等效电路,电力线,r,1,表示套管,表面单位面,积的表面电,阻,r,2,表示单位面,积的体积电阻,C,表,示,单,位,面,积,与,导,电,杆,间,的,电,容,套管滑闪放电现象,:,出现电晕放电,;,引起热游离,(,是滑闪,放电的特征,),;,导致滑闪放电,.,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,提高套管沿面闪络电压的方法

42、,：,（,1,）减小,C,值。如加大法兰处套管外径，或,采用瓷,-,油组合绝缘结构。,（,2,）减少法兰附近瓷表面的电阻率。在此处,涂半导体漆或上半导体釉，以改善电位分布。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,2,、,支柱绝缘子的沿面放电,（电场具有弱垂直分量）,介质表面的电场分布极不均匀，介质表面电荷的堆,积已不会再造成电场更大的改变。另外，支持绝缘,子表面电场的垂直分量小，沿固体介质表面没有较,大的电容电流流过，放电过程中不会出现热游离现,象，故没有明显的滑闪放电，因而垂直于放电发展,方向的介质厚度对放电电压实际上没有影响。,提高支柱绝缘子沿面闪络电压的方法：,（,1,）增高支柱绝缘

43、子，即加大极间距离。但因,支柱绝缘子表面电压分布不均匀，闪络电压并不与,高度成正比增加。,（,2,）装设均压环。补偿部分对地电容电流，改,善电压分布，以提高闪络电压。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,母线（电极）,固体介质,（电工陶瓷）,法兰（接地极）,图,1,36 35kV,母线支柱绝缘子,（,a,）,35kV,母线支柱绝缘子；（,b,）支柱绝缘子剖面简,图,电极,电极,固体,介质,(a),(b),电,力,线,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,3,悬式绝缘子串的沿面放电,（电场具有弱垂直分量）,悬式绝缘子串的表面电场的垂直分量也很小,（与支柱绝缘子一样），沿固体介质表面也,

44、没有较大的电容电流流过，放电过程中不会,出现热游离现象，故没有明显的滑闪放电，,因而垂直于放电发展方向的介质厚度对放电,电压实际上没有影响。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,绝缘子串,（钢化玻璃）,均压环,四分裂导线,图,1,37,500kV,线路的绝缘子串,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,图,1,38,绝缘子串的电位分布,（,a,）单片绝缘子串的对地电容,C,E,和对导线电容,C,L,；（,b,）,各绝缘子上承受的电压,(a),(b),导线,杆塔,C,E,C,L,1,2,3,4,5,6,7,绝,缘,子,序,号,U,绝缘子串两端,承受的电压高,，中间的电压,低，这是由于,有

45、杂散电容引,起的。串中绝,缘子数越多，,电压分布越不,均匀，所以用,增加绝缘子数,来减小导线处,绝缘子的电压,降并不是很有,效,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,三、淋雨时绝缘子的沿面放电,绝缘子表面状态不同时，其闪络电压也不同。绝缘,子表面处于干燥、洁净状态下的闪络电压称为,干闪,电压,，表面洁净的绝缘子在淋雨时的闪络电压称为,湿闪电压,，一般湿闪电压要比干闪电压低。表面赃,污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压称为,污闪电压,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,四、污秽时绝缘子的沿面放电,干燥情况下，绝缘子表面污秽层的电阻很大，对绝缘,子的闪络电压几乎没有什么影响，但在大气

46、湿度较高,或在毛毛雨、雾、露、雪等不利的大气条件下，这些,污秽层被湿润时，含在污秽层中的电解质成分会溶于,水中，形成导电水膜，使绝缘子表面的泄漏电流显著,增大，闪络电压显著降低。,此同时干闪和湿闪在过电压下才能发生，而污闪一,般在工作电压下就能发生，常造成长时间、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特别大。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,2,提高绝缘子污闪电压的方法,（,2,）加强清扫,（,3,）绝缘子表面涂憎水性涂料,（,4,）采用人工合成绝缘子,（,1,）增加爬电距离,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,任务,1.2.9,大

47、气条件对外,绝缘放电电压的影响,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,一、,大气条件对放电电压的影响,我国国家标准规定的标准大气条件为：,温度,t,0,20,，压力,p,0,101.3kPa,，,绝对湿度,h,0,11g/m,3,。,当试验时的大气条件与标准大气条件不符时，应将实,际大气条件下的击穿（闪络）电压换算到标准大气条,件下，以便于比较。如进行耐压实验，则应将规定的,标准大气条件下的试验电压换算到实际的大气条件下,t,1,2,K,K,K,?,K,1,，,K,2,分别为空气密,度校正因数和湿度校,正因数,K,t,大气校,正因数,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,1,放电电压的

48、校正,2,湿度校正因数,K,2,3,空气密度校正因数,K,1,t,0,U,U,K,?,0,1,0,273,273,m,m,t,p,K,p,t,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,m,的值与电极结构,形式和试验电压的,种类及极性有关,2,W,K,K,?,K,、,W,的值与绝对湿度、电压形,式、电压极性、电场情况以及闪,络距离等因素有关,.,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,二、海拔高度对放电电压的影响,高海拔地区由于气压下降，空气相对密度下降,，因此空气间隙的放电电压也随之下降。在海,拔,1000m,4000m,的范围内，海拔每升高,100m,，绝缘强度约降低,1%,

49、。我国国家标准,规定对拟用于海拔,1000m,4000m,的外绝缘,设备，在海拔,1000m,以下的非高海拔地区进,行试验时，其试验电压,U,应为,0,a,0,4,1.1,10,U,U,K,U,H,?,?,?,?,?,K,a,为海拔校正因数,H,为设备使用处海拔高度，单位为,m,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,小,结,?,气体原子按某种方式获得足够能量就会游离成正离,子和自由电子。游离形式有碰撞游离、光游离、热游,离、表面游离。与游离过程始终同时存在的是带电质,点的消失，其形式有流入电极、扩散、复合。,?,汤逊理论用碰撞游离、电子崩、表面游离等解释了,均匀电场中短间隙的击穿过程。巴申

50、用实验方法发现,了击穿电压不仅与间隙距离有关，也与气压有关。流,注理论用主电子崩、光游离、二次电子崩、流注等解,释了长间隙的击穿过程。均匀电场中，间隙的击穿场,强约为,30kV/cm,。,子情境,1.2,气体绝缘材料及其击穿特性,?,电晕放电是极不均匀电场中特有的放电现象。在,空间电荷的作用下，棒板电极会出现极性效应。,极不均匀电场下，间隙的平均击穿场强远低于均匀,电场下的击穿场强。,?,冲击电压下应考虑放电时延的影响。由于放电时,延的分散性，绝缘的冲击耐压能力通常用,U,50%,表,示。伏秒特性通常用于绝缘的配合。,?,提高气体间隙的击穿电压的方法有：改进电极形,状；极不均匀电场中加屏障；采