2-气体介质电气强度

气体介质的电气强度李华伟北京交通大学电气工程学院电气楼307室[e-mail]参考华北电力大学以及湖南大学高压课件，特此致谢！气隙击穿特性的影响因素气体种类：空气和高介电强度气体（SF6气体）电压种类：持续作用电压（直流、交流）；冲击电压（雷电冲击、操作冲击）电场分布：电极形状、间隙距离、电压极性；当间隙距离相同时，电场越均匀击穿电压越高气体状态：一般要折算到标准大气状态1、均匀电场气隙的击穿电压a、分散性小直流、工频交流电压（也包括冲击电压）作用下击穿电压基本相同b、均匀电场中空气的电气强度大致为30kV(峰值)/cm经验公式为：d：间隙距离；：空气相对密度；击穿电压峰值24.556.66()bUddkVδδ=+δbU一、均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性1、均匀电场气隙的击穿特性直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压都相同，冲击系数等于1.冲击系数：50%冲击击穿电压与持续作用电压下的击穿电压之比。实验所得的均匀电场空气间隙的平均击穿场强24.556.66(kV)bbUEddδδ==+d越大，击穿场强略下降，当1~10cm时，击穿场强为30kV/cm。测量球隙：球间距离d，球的直径DdD/4时：直流、工频交流、冲击电压下的击穿电压大致相同。dD/4时：大地的畸变作用增强，平均击穿场强下降，出现极性效应。测量球隙工作范围在d≤D/2；超出此范围分散性大。2、稍不均匀电场气隙的击穿特性加拿大魁北克省水电局研究所高电压试验室尺寸82×67×51.2m3同轴圆筒电极高压标准电容器，单芯电缆，GIS分相母线r/R0.1极不均匀场，击穿前出现电晕、Ub远大于Uc；r/R0.1稍不均匀场，无稳定电晕、Ub等于Uc；r/R≈0.33，击穿场强出现最大值，因此宜选取0.25~0.4范围内。r为内筒外半径，R为外筒内半径Ub为击穿电压，Uc为电晕起始电压2、稍不均匀电场气隙的击穿特性a、与均匀电场相似，分散性很小直流、工频交流（也包括冲击电压）作用下，击穿电压基本相同b、不同于极不均匀电场，一旦出现自持放电，立即导致气隙击穿，而不发生电晕现象c、稍不均匀电场不对称时，虽有极性效应，但不明显d、击穿电压和电场不均匀程度有极大关系，越均匀击穿电压越高二、极不均匀电场气隙的击穿特性按电极的对称程度，主要有两种典型的极不均匀电场气隙：a、“棒—棒”气隙（“尖—尖”气隙）b、“棒—板”气隙（“尖—板”气隙）不同电压波形作用下，差异明显，分散性大；在直流电压下，极性效应明显，而在工频交流电压下“饱和”现象明显。负极性棒-板间隙：20kV/cm正极性棒-板间隙：7.5kV/cm1、直流电压下的击穿电压显著特征：极性效应平均击穿场强：棒-棒间隙：7.5~20kV/cm（无极性效应）长间隙、直流电压下的击穿电压从20kV/cm下降为10kV/cm2、工频交流电压下的击穿电压特点：1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性为正、电压达到峰值时发生，击穿电压与直流电压下正极性击穿电压相近2、除起始部分外，击穿电压与距离近似成直线关系，但大间隙下击穿电压有饱和趋势3、平均击穿场强棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm极不均匀电场的工频击穿电压和间隙距离的关系“棒-棒”气隙的工频击穿电压要比“棒-板”气隙高一些，因为“棒-棒”气隙的电场要比“棒-板”稍微均匀一些d1m时，棒棒和棒板几乎一样，但d增大后，差别变大；显著特征：“饱和”特性极不均匀电场的工频击穿电压和间隙距离的关系随着气隙长度增大，棒-板气隙的平均击穿场强明显降低，即存在“饱和”现象3、雷电冲击电压作用下气隙的击穿特性%20502±=sTµ%302.11±=sTµ冲击系数β：ssbUU50=β均匀场及稍不均匀场：发生在波峰附近，冲击系数接近于1极不均匀场：发生在波尾部分，冲击系数大于1放电时延fSLttt+=放电时延特点：a、小间隙、均匀场：统计时延远大于放电形成时延b、大间隙、极不均匀场：放电形成时延远大于统计时延c、随着冲击电压幅值的不断升高，放电时延将越来越短统计时延：从电压达到的瞬时起到气隙出现第一个有效电子止放电形成时延：从形成第一个有效电子的瞬时起到到气隙完全击穿止stftsUsU冲击击穿所需的总时间：fsdtttt++=150%冲击击穿电压（U50%）在多次施加同一电压时，导致其中半数气隙击穿的这一电压值。冲击系数：U50%与Us之比，在极不均匀电场中，其值均大于1。伏秒特性stbUa、极不均匀电场（大间隙）平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。不同电场气隙伏秒特性比较b、稍不均匀电场（小间隙）间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。伏秒特性的应用两者配合，S2可以保护S1两者不能配合，不能互相保护左图表示保护设备绝缘的伏秒特性1与保护间隙的伏秒特性2配合的情况，这种配合完全正确，因为伏秒特性1的下包线时时都在伏秒特性2的上包线之上，即任何情况下保护间隙都会先动作从而保护了电气设备的绝缘4、操作冲击电压下的击穿电力系统--操作或发生故障----状态发生突然变化引起电感和电容回路振荡-----产生过电压，称为操作过电压。最大相电压的3~3.5倍。额定电压220kV以上的高压电气设备必须进行操作冲击电压试验。%)601(2500%)201(25021±=±=sTsTµµ波形参数：操作冲击电压下击穿的U形曲线3m的棒-棒100-300μs可能与空间电荷的影响有关。长空气间隙在操作冲击电压下的击穿强度（1）远比雷电波击穿电压低。（2）超过5米后有饱和趋势。（3）间隙距离越大，最小击穿电压与标准冲击波形下的击穿电压差距越大。（4）超过20米后最小击穿电压仅为1kV/cmdU/814.3min+=间隙系数：raUUk=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：三、大气条件对气隙击穿特性的影响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。0UKKUhd=：空气密度校正因数：湿度校正因数dKhK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：0UU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。下面分别讨论各个校正因数的取值：对空气密度的校正对湿度的校正对海拔的校正1、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：Tp9.2=δ式中：：气压,kPa：温度,K.pT0UUδ≈实验表明，当处于0.95～1.05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，因而：δδ≈dKδ在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。δ气隙不很长(例如不超过1m)时：该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。0UUδ≈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：nmdttppK++×=27327300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。2、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：ωkKh=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。3、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：paUKU=而：式中H为安装点的海拔高度，单位是m。4101.11−×−=HKa第四节提高气体介质电气强度的方法四、提高气体介质电气强度的方法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，主要采用两条途径：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）改善电场分布1、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越高。工程上，改善电场分布主要采取的方法有：2、利用空间电荷改善电场分布3、极不均匀电场中采用屏蔽改善电场分布1、改进电极形状以改善电场分布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：a、增大电极的曲率半径b、消除电极表面的毛刺、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。a、增大电极的曲率半径max.gcUU许多高压电气装置的高压出线端(例如电力设备高压套管导杆上端)具有尖锐的形状，往往需要加装屏蔽罩来降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕起始电压。屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始电压大于装置的最大对地工作电压，即：max.gUcUb、消除电极表面的毛刺、尖角最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极，它的半径R按下式选择：超高压输电线路上应用屏蔽原理来改善电场分布以提高电晕起始电压的实例有：超高压线路绝缘子串上安装的保护金具(均压环)、超高压线路上采用的扩径导线等。cgEURmax.=式中：电晕放电起始场强。cE超高压线路绝缘子串上安装的保护金具(均压环)2、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。3、采用屏障改善电场分布（极不均匀电场）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。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。如图所示，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。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。（二）消弱或抑制电离过程1、采用高气压工程上，主要采取的方法有：2、采用强电负性气体3、采用高真空1、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