高电压1气体的绝缘强度

第一章 气体的绝缘强度,第一篇 高电压绝缘与试验,主要内容,1 气体放电的主要形式 2 气体中带电质点的产生和消失 3 汤逊理论和流注理论 4 不均匀电场长空气间隙的放电 5 冲击电压下气隙的击穿特性 6 影响气体放电电压的因素 7 提高气体介质电气强度的方法 8 沿面放电,1 气体放电的主要形式,1.1 气体放电的基本概念,1.2 气体放电的主要形式,1.1 气体放电的基本概念,1.1.1 气体放电 1.1.2 气体的绝缘特性 1.1.3 气体的电气强度,1.1 气体放电的基本概念,气体放电(discharge)：气体中流通电流的各种形式；,气体击穿(breakdown)：气体由绝缘状态突变为良导体状态的过程；,沿面闪络(flashover)：击穿发生在气体与液体、气体与固体交界面上的放电现象；,工程上将击穿和闪络统称为放电。,这里所研究的气体是指高压电气设备中常用的空气、N2、SF6以及高强度混合气体等气态绝缘介质。 空气：架空线路、变压器外绝缘； SF6： SF6断路器和SF6全封闭组合电器。,空气是最廉价、应用最广、具有自动恢复绝缘特性的气体，因此我们主要研究空气的放电。,气体具有绝缘的自恢复特性,气体的电气强度：表征气体耐受电压作用的能力。,均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强Eb。我们把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度。 空气在标准状态下的电气强度为30kV/cm;,注意：不能把不均匀电场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度，通常称之为平均击穿场强。,1.2 气体放电的主要形式,注意：电晕放电、刷状放电时气隙未击穿，而辉光放电、火花放电、电弧放电均指击穿后的放电现象，且随条件变化，这些放电现象可相互转换。,常见放电形式 辉光放电(glow ) 电晕放电(corona ) 刷状放电(brush ) 火花放电(spark ) 电弧放电(arc ),9,电场极不均匀情况下，如电压升高，从电晕电极伸展出许多较明亮的细放电通道，称为刷状放电。 电压再升高，根据电源功率而转入火花放电或电弧放电，最后整个间隙被击穿。 如均匀内部电场，则可能不出现刷状放电，而由电晕放电直接转入击穿。 如降低气压，放电转为为辉光放电。,10,电晕放电,电晕放电,火花及电弧放电,人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿,放电通道就是导电通道，也是具有大量带电粒子（质点）的通道，具有很高的电导率。 介质从绝缘到良导体的发展过程就是大量带点粒子（质点）产生的过程。,2 气体中带电质点的产生和消失,2.1 气体中带电质点的产生,气体原子的激发和电离,激发(excitation) 电子(electron)向高一能级轨道的跃迁。 电离(ionization) 如果气体原子(atom)从外部获得足够大的能量，使外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子。失去电子的原子就成带正电的离子，称为正离子。此过程就称为电离。 分级电离：先经过激发再产生电离的过程。 电离能 产生电离需要的能量。,电子、正离子、负离子,气体原子的激发和电离,电子要脱离原子核的束缚成为自由电子,则必须给予其能量。能量来源的不同，带电质点产生的方式就不同。 因此，根据电子获得能量方式的不同，带电带电质点产生的方式可分为以下几种。,（一）碰撞电离(collision ),电子或离子与气体分子碰撞，将电场能传递给气体分子引起电离的过程。,影响因素： 外电场强弱（E）； 能量的积累（移动距离的大小x）。,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V:电子运动速度 E:外电场强度x:电子移动距离,带电质点产生的方式,18,质点的平均自由行程,：一个质点在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程 电子在其自由行程内从外电场获得动能，能量除决定于电场强度外，还和其自由行程有关,Wi为气体分子的电离能,碰撞电离条件 当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时，就可能使气体分子分裂为电子和正离子，即,自由行程：一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离。 平均自由行程：众多质点自由行程的平均值。,电子的平均自由行程要比分子和离子的大得多 气体分子密度越大，其中质点的平均自由行程越小。对于同一种气体，其分子密度和该气体的密度成正比,由光辐射引起气体分子电离的过程，称为光电离。 光电离产生的电子称为光电子。 光辐射来源： 紫外线、宇宙射线、x射线等； 异号带电质点复合成中性质点释放出的光子； 激励态分子回复到正常态释放出的光子 光电离条件：,（二）光电离(Photoionization ),h：普朗克常数； C：光速 ：光频率； ：光波长,或,（三）热电离(Thermal ) 气体分子高热状态引起的碰撞电离过程，称为热电离。 热电离条件：,常温下，气体分子发生热电离概率极小。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。,当t10000 K时才需考虑热电离； 当t20000 K时，几乎全部的分子都处于热电离状态。,空气电离度m和温度T的关系,表面电离形式： 正离子碰撞阴极表面(Electron emission by positive ion impact on cathode)； 正离子碰撞阴极时使电子逸出金属（传递的能量要大于逸出功）。 光电效应(Photoelectric emission)； 当光子的能量大于逸出功时，金属表面放射出电子。 强场发射(Field emission)； 当阴极附近所加外电场足够强时，使阴极放射出电子。 热电子发射(Thermionic emission) 阴极温度很高时，其中的电子具有巨大动能，逸出金属表面。,（四）表面电离(surface ),逸出功 ：电子克服原子核的束缚，从材料表面逸出所需的最小能量。与金属的微观结构 、金属表面状态有关。,（五）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的电子，而且也可能会发生电子与中性分子相结合，形成负离子。,电子附着系数 ：电子行经单位距离时附着于中性原子的电子数目。,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。,2.1 气体中带电质点的产生 2.2 气体中带电质点的消失,2.2 气体中带电质点的消失,（一）气体中带电质点在电场力作用下流入电极,带电质点一旦产生，在外电场作用下作定向运动，流入电极形成电导电流。,（二）带电质点的扩散,带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。 扩散的原因：带电质点的热运动。 电子比离子的扩散速度高3个数量级,含义：正离子与负离子或电子相遇时，发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程。 对放电的影响：电荷复合过程要阻碍放电的发展，但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展。 放电过程中的复合绝大多数是正、负离子之间的复合，参加复合的电子绝大多数是先形成负离子再与正离子复合。,（三）带电质点的复合,小 结,气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾，气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位。 强电场下，气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离。它们都与外界供给的能量方式有关，能量来源的形式主要是电场能、光辐射能和热能，而能量的传递靠电子、光子或气体分子的热运动，其传递的过程主要是碰撞，它是造成气体分子电离的有效过程。,气体放电发展过程,碰撞电离,光电离,热电离,空间电离,表面电离,负离子的形成,正离子碰撞阴极 光电效应 强场发射 热电子发射,电场作用下气体中带电质点的定向运动 带电质点的扩散 带电质点的复合,2.1 带电质点产生,2.2 带电质点消失,3 汤逊理论和流注理论,3.1 低气压均匀电场下 的汤逊理论和巴申定律,3.1.1 低气压均匀电场下的汤逊理论,一、气体放电实验及伏安特性曲线,气体中电流和电压的关系 伏安特性曲线,测定气体中电流的回路示意图,作用在气体介质上的能量,外电离因素,外电场因素,气体放电伏安特性,3.1.1 低气压均匀电场下的汤逊理论,试验分析 当UU0 OA段：电流随电压升高而升高 AB段：电流仅取决于外电离因素，与电压无关 BC段：电压升高电流增强，但仍靠外电离维持放电过程 (非自持放电阶段) 当UU0 C点后：电流急剧突增，气体间隙击穿，只靠外加电压就能维持(自持放电阶段),非自持放电：如果取消外电离因素，气体的放电过程就会停止，那么电流也将消失。这类依靠外电离因素和外电场因素共同作用而维持的放电。,自持放电：气隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素。,非自持放电与自持放电的分界点,二、电子崩（electron avalanche）的形成,(a) 电子崩的形成 (b) 带电离子在电子崩中的分布,为什么？,电子数目将按2、4、82n 的指数规律增长,电子崩的发展过程也称为过程, -电子碰撞电离系数： 一个电子在电场力作用下，沿电场方向行经单位距离（1cm）平均发生碰撞电离的次数，汤逊第一电离系数。,反映了电子碰撞气体分子发生电离的能力,均匀电场中的电子崩计算模型,过程,d,n0,x,n,dx,N-,dn,根据碰撞电离系数的定义：,分离变量并积分，可得：,从而可得n0个电子，从阴极出发在电场的作用下，经距离d，到达阳极时由碰撞电离产生的电子数（用N表示）,研究表明：对均匀电场而言，为常数，电子数N：,上式等号两侧乘以电子的电荷qe，即得电流关系式：,表明：电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大。 因为一旦除去外界电离因素(令 )，放电就会停止。-非自持放电阶段,仅有过程不能维持放电的自持。,过程,过程在气体电离过程中起的作用很小。电子碰撞电离是电离的主要因素。, -正离子碰撞电离系数 一个正离子沿电场方向行经单位距离（1cm）时平均发生的碰撞电离次数。汤逊第二电离系数。, -表面电离系数 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自由电子数。汤逊第三电离系数。,过程,空间电离,表面电离,正离子能量的来源是在外电场作用下获得的！,由外电离因素从阴极产生的一个电子消失在阳极前，由过程形成的正离子数。即,n0个电子消失在阳极前，由过程形成的正离子数。,正离子（获得足够能量的正离子）消失在阴极时，由过程（表面电离）在阴极上释放出二次电子数，即,表示由过程在阴极上重新产生一个(或更多)电子，此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展，即转入自持放电。,当存在,自持放电条件（击穿条件）,如自持放电条件满足时，放电过程就如下图所示,循环,电极空间及气体间隙中碰撞电离发展过程,电子碰撞电离是气体电离的主要原因；正离子碰撞阴极表面使阴极表面逸出电子是维持气体放电的必要条件。 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。,汤逊理论的主要内容,气体放电伏安特性,在外部光源的照射下，气体中的微观过程有： 由于电离而不断产生带电质点； 正、负点点质点又不断复合。,当电压小于UA时： 随着电压的升高，带电质点的运动速度增加，复合导致带电质点的数目减少消失于电极的数目增大，因此，外回路电流增加。,当电压小于UB大于UA时： 这是由于因电离产生的带电质点全部消失于电极。电流只取决于外电离因素而与电压无关。,当电压大于UB时： 随着电压的升高，又出现了电流的增长，这必然是出现了新的电离方式电子的碰撞电离。在这个电压下，电场足够强，电子能够在电场的作用下积累足够的能量发生碰撞电离。,均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系,巴申定律：描述了气体的击穿电压Ub与pd的关系曲线(亦即Ub与pd的关系曲线)实验结果,(1)击穿电压不仅由间隙距离d决定，而且也是pd的函数；,(2)击穿电压不是pd的单调函数，而是U曲线，存在击穿电压的极小值；,(3)不同气体，其巴申曲线上的最低击穿电压不同，对应的pd值也不同；,3.1.2低气压均匀电场下巴申定律(Paschens Law),式中A、B是与气体种类有关的常数，ub为气温不变的条件下，均匀电场中气体的自持放电起始电压=气隙击穿电压。,击穿电压,汤逊理论的自持放电条件,电子碰撞电离系数的表达式,汤逊理论推导理论分析, 电场强度E增大，急剧增大; P很大，或P很小时，值都比较小,巴申曲线的左半支(pd ),巴申曲线的右半支：(pd ),汤逊理论解释巴申定律,巴申定律,汤逊理论,由巴申曲线可知，当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压，这一结论已被工程广泛使用 高气压、高真空都可以提高击穿电压，工程上已得到广泛应用(如：压缩空气开关、真空开关等),汤逊理论的适用范围,汤逊理论是在均匀电场、低气压、短间隙(pd较小)条件下建立起来的。 当电场均匀，但pd过大时(气压高、距离大)的放电，用汤逊理论无法解释以下现象： 放电时间：很短 放电外形：具有分支的细通道 击穿电压：与理论计算不一致 阴极材料：无关 汤逊理论适用于pd 26.66 kPacm,气体中带电质点的产生,汤逊理论,3.2 大气压均匀电场下的流注理论,气体放电流注(streamer)理论仍以电子的碰撞电离过程为基础，它考虑了大气压、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,3.2 大气压下均匀电场的流注理论,电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子，导致电场畸变； 在电场强度很小的区域，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。,（一）空间电荷作用,结果,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。 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象，而这一因素在大气压、长气隙的击穿过程中起着重要的作用。,（二）空间光电离的作用,大气压下均匀电场的放电过程,起始电子发生碰撞电离形成电子崩初始电子崩； 初崩发展到阳极，正离子作为空间电荷畸变原电场，在电场削弱的区域（正负电荷交界处）复合增加，放射出大量光子； 光电离产生光电子，在加强的局部电场（正离子与阴极间电场）作用下形成二次电子崩；,（三）流注的形成和发展示意图,d) 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道（20kV/cm），其端部又有二次崩留下的正电荷，加强局部电场产生新电子崩使其发展； e) 流注头部前方电场强度较强，电离迅速发展，放射出大量光子，继续引起空间光电离，于是流注前方出现新的二次崩，延长流注通道； f) 流注通道贯通，气隙击穿,新电子崩不断产生的电子形成负离子与原始电子崩的正离子互相渗透，形成正负离子混合的等离子体通道-流注。,当初始电子崩发展到一定程度（电子崩头部电子数达到一定数量） 电场畸变； 电子崩头部附近正负空间电荷复合； 放射大量光子光辐射； 光电离，释放出光电子； 崩头处光电子处在了被加强了的电场附近，会迅速产生新的碰撞电离； 二次电子崩；（二次电子崩电子进入初崩正空间电荷区域）流注 。,流注发展过程,条件：,结果：,（四）形成流注条件 电子崩发展到足够的程度后，电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变，大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场； 电子崩头部附近电荷密度很大，复合频繁，释放出引发新的空间光电离的辐射源，二次电子崩主要来源于空间光电离； 气隙中一旦形成流注，放电就可由空间光电离自行维持。,流注自持放电条件：,或,初崩头部电子数要达到108时，出现流注，放电才能转为自持。,流注理论对放电现象的解释,放电时间 二次崩的起始电子是光子形成的，而光子以光速传播，所以流注发展非常快。,放电外形 二次崩的发展具有不同的方位，所以流注的推进不可能均匀，而且具有分支。,阴极材料 大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离，而是靠空间光电离产生电子维持，因此与阴极材料无关。,总结,汤逊理论适用于 均匀电场、低气压、短间隙（pd值较小）气体的击穿； 流注理论适用于 均匀电场、大气压、长间隙（pd值较大）气体的击穿。 以pd = 26.66kPacm作为分界参考值；,总 结,汤逊理论的基本观点： 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程，而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件。 流注理论的基本观点： 以汤逊理论的碰撞电离为基础，强调空间电荷对电场的畸变作用，着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程； 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程，当初始电子崩中离子数达108以上时，引起空间光电离质变，电子崩汇合成流注； 流注一旦形成，放电转入自持。,总 结,引起气体放电的外部原因有两个，其一是电场作用，其二是外电离因素。 非自持放电：把去掉外界因素作用后，放电立即停止的放电形式； 自持放电：把由电场作用就能维持的放电形式。,汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较 (1)汤逊理论：自持放电由阴极过程来维持； 流注理论：依赖于空间光电离。 (2) 系数的物理意义不同。,4 不均匀电场长空气间隙放电,4 不均匀电场长空气间隙的放电,工程情况：套管引出线对低压套管及外壳；高压输电线对地系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均匀电场中，如，变压器出线端；试验变压器高压端对墙等。 均匀电场：两个电极的面积开方远远大于两电极间的距离，这两个电极间的电场为均匀电场。如平板电极； 不均匀电场：两电极的曲率半径小于两电极间的距离时，两电极间的电场就是不均匀电场。如棒-棒、棒-板； 当棒电极的曲率半径远大于棒-板电极间的距离时，其间电场就是极不均匀电场。,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，如：,变压器,棒板,棒棒,输电线路,变电站,4.1 电场不均匀程度的划分 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程,4.1 电场不均匀程度的划分,球隙的放电特性与极间距离的关系,1-击穿电压 2-电晕起始电压 3-过渡区域,从放电现象上看： 电场均匀时：间隙击穿前，看不到放电痕迹，间隙中的电流极小； 电场不均匀时，当电压明显低于击穿电压时，在电场局部增强的区域出现白紫色晕光，可听到咝咝声，放电电流可以测到，但仍很小，间隙仍保持绝缘性能。这种局部放电的现象称为电晕放电。 刚出现电晕放电时的电压电晕起始电压,电晕放电不稳定，击穿电压分散性很大,电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大，从放电观点看，电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分；,为了定量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： Emax : 最大电场强度; Eav :平均电场强度, f4属不均匀电场。,4.1 电场不均匀程度的划分 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程,4.2 稍不均匀电场中的击穿过程,稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产生。 但稍不均匀电场中场强并非处处相等， 电离系数是空间坐标x的函数，因此自持放电条件为：,4.1 电场不均匀程度的划分 4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程,4.3 极不均匀电场中的击穿过程,4.3.1 电晕放电 4.3.2 极性效应 4.3.3 长间隙放电过程,两大特点,4.3.1 电晕放电,定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近很薄一层空气中具备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气隙尚未击穿。 电晕放电也就是局部流注放电。 特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压(Uc)低于击穿电压(Ub)，电场越不均匀其差值越大。,电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式，电晕起始场强近似为：,电晕放电产生的影响： 负面影响 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，下雨气象时的电晕损耗要比晴天时大得多。 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听噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。 方法：增大电极曲率半径；采用扩径导线等,有利的一面： 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。,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。但放电的发展过程、气隙的电气强度、放电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。,4.3.2 极性效应,极性效应的极性由表面电场较强的电极所具有的相对电位决定： 两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的电极的电位符号，如“棒-板”气隙。 两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的电极上的电位，如“棒-棒”气隙。,以典型的极不均匀电场-“棒-板”气隙为例，从流注理论的观点出发，说明放电的： 发展过程 极性效应,（一）正极性 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。,电晕起始阶段,这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近。,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，因此棒电极附近的放电（电晕）困难，而正离子群外部的放电（击穿）容易。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。,空间电荷的影响,（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。,留在棒极附近的大量正离子将加强棒极表面附近的电场，而削弱外围空间的电场。棒极表面附近的放电（电晕放电）容易，而外围空间的放电（击穿）困难。,空间电荷的影响,当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙放电发展将是不顺利的，因而这时气隙的放电电压要比正极性时高，完成放电过程所需的时间也要比正极性时长。,非自持放电阶段 正极性：正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高； 负极性：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。,流注发展阶段 正极性：空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。 负极性：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比正极性高，完成击穿所需时间也长。,工程实际中，输电线路外绝缘和高压设备的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交流电压下的击穿都发生在正半波。,4.3.3 长间隙放电,流注通道电子被阳极吸引 电子浓度 电流 热损耗 温度 流注中热电离 电导，电流 流注变成高电导的等离子体（先导） 电场新流注先导不断推进。,先导放电 特点：电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦产生的热电离过程 先导加强了前方电场，引起新的流注，使其进一步伸展并逐级推进 主放电 当先导贯穿两极，导致沿先导通道向反方向扩展到棒极的主放电和最终击穿,4.3.3 长间隙放电,极不均匀电场： 气隙较小时：电子崩、流注、主放电； 长间隙(1m以上)：电子崩、流注、先导、主放电,5 冲击电压下气隙的击穿特性,5.1 雷电冲击电压下的击穿 5.2 操作冲击电压下的击穿,5.1.1 雷电冲击电压标准波形 5.1.2 冲击放电时延 5.1.3 伏秒特性,电力系统中雷电冲击的产生,5.1.1雷电冲击电压的标准波形,雷电冲击电压波的标准波形,关键参数如何定义？,为什么？,标准雷电截波,用于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。,冲击电压发生器（2400kV）,人工模拟雷电冲击下空气间隙的击穿,从放电的发展过程看，完成气隙击穿的必备条件： 足够大的电场强度或足够高的电压，使得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。,5.1.2 冲击放电时延,冲击电压的特点：电压的作用时间短,气隙击穿的条件：足够高的电压 足够长的电压作用时间,冲击放电过程的特点,在冲击电压作用下气隙的放电电压Uf必须要考虑电压的作用时间，Uf的大小是间隙距离和电压作用时间的函数：,也就是说，研究气隙的冲击特性时，不仅要指出作用电压的大小，同时，还要指出作用电压的波形。,包含电压作用时间 （如1.2/50s）,放电时间的组成： 总放电时间,后面两个分量之和称为放电时延,放电时间,气隙在持续电压下的击穿电压为Us， t1为所加电压从0上升到静态击穿电压Us的时间；,t1-静态电压（或持续电压）作用下的击穿时间,（把间隙在工频或直流电压作用下的击穿电压称为静态击穿电压）,ts -从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延,有效电子： 能在间隙中引起碰撞电离、发展电子崩并导致间隙击穿的电子。 它的出现和许多因素有关，如外电离因素的强度、气体的性质、作用电压的大小、电场的均匀程度等。它的出现是随即的，具有统计性。 因此ts称为统计时延。,tf放电形成时延 是指出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间。,当电场较均匀时（如1cm以下短气隙），tfts，放电时延主要取决于ts。为减小ts： 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加 可采用人工光源照射，使阴极释放出更多的电子，增加产生有效电子的概率。,当电场极不均匀时（如长气隙），间隙的放电时延主要取决于放电的形成时延tf，且电场越不均匀，tf越大。这是因为棒电极附近电场强度大，出现第一个有效电子的概率大，因此统计时延小。 可通过提高外施电压缩短放电形成时延。,电场形式对放电时延的影响,在工程上，常用50%放电电压表征绝缘耐受冲击电压作用的能力。 所谓50%放电电压是指间隙在某一冲击电压作用下，其中半数导致气隙击穿，即为50%的放电电压。记作U50。以此反映气隙的耐受冲击电压的能力。 通常，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。 为了说明气体的冲击电气强度，引入一个冲击系数的概念。,50冲击击穿电压,特点：(1)在均匀和稍不均匀场中，击穿电压分散性小，冲击系数 (2)在极不均匀电场中，由于放电时延较长，击穿电压分散性也较大。 其冲击系数,空气间隙的伏-秒特性,在一间隙上施加雷电冲击电压（1.2/50s），保持其波形不变，改变冲击电压幅值；,当作用电压幅值不很高时，放电所需时间较长，放电发生在波尾；如点；,当作用电压幅值较高时，放电所需时间较短，放电发生在波前或波幅附近，如点2、3。,5.1.3 伏秒特性,伏秒特性的定义； 伏秒特性的制作； 伏秒特性的用途。,工程上用气隙上出现的导致间隙击穿的电压最大值与击穿时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性，称为气隙的伏秒特性。（即，图中1、2、3点所连的光滑曲线）,实验表明，在冲击电压作用下，由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可以得到一系列的放电时间。伏秒特性实际上是一个以上、下包线为界的带状区域。,0%伏秒特性：每级电压下，放电时间小于下包线横坐标所示数值的概率为0%,100%伏秒特性：每级电压下，放电时间小于上包线横坐标所示数值的概率为100%,50%伏秒特性：每级电压下，放电时间小于该包线横坐标所示数值的概率为50% 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。,极不均匀电场：平均击穿场强低，放电时延长，曲线上翘； 稍不均匀电场：平均击穿场强高，放电时延短，曲线平坦。,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：,伏秒特性在绝缘配合中的应用,因此，在电力系统中保护设备与被保护设备之间的绝缘配合是依据两者的伏秒特性。 如，避雷器等保护装置中，保护间隙采用均匀电场，确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备。,极不均匀电场（S1）与稍不均匀电场（S2）气隙的伏秒特性,S1S2,S1与S2交叉,5.1 雷电冲击电压下的击穿 5.2 操作冲击电压下的击穿,5.2 操作冲击电压下的击穿,5.2.1 操作冲击电压的形成 5.2.2 操作冲击电压标准波形 5.2.3 操作冲击放电电压的特点,电力系统的输电线及电气设备都有各自的电感和电容，由于系统运行状态的突变（正常或故障）将导致电感和电容元件间电磁能的互相转换，引起振荡性的过渡过程 过渡过程会在电气设备或局部电网上造成远远超过正常运行的电压，称为操作过电压 操作过电压幅值与波形跟电力系统的参数有密切关系，由于其过渡过程的振荡基值是系统运行电压，因此电压等级越高，操作过电压幅值越高，最高可达到最大相电压峰值的34倍。,5.2.1 操作冲击电压的形成,5.2.2 操作冲击电压标准波形,操作过电压波形时随电压等级、系统参数、设备性能、操作性质和操作时机等因素有很大变化。,第一个半波的持续时间在2000-3000 ，反极性的第二半波的峰值约为第一个半波峰值的80%。,均匀场和稍不均匀场中 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。 操作冲击50%冲击放电电压U50、直流放电电压、工频放电电压等峰值几乎相同，分散性不大，击穿发生在波前部分，与半峰时间无关。 极不均匀场中 操作冲击表现出许多不同的特点,5.2.3 操作冲击放电电压的特点,U形曲线 左半支： 波前放电时延 U50 右半支： 波前空间电荷迁移范围电极附近电场 U50,波前时间与U50的关系,极性效应 在不同的电场结构中，正极性操作冲击50%击穿电压比负极性低，一般均讨论正极性的情况。 操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压，在某些波前时间内，甚至比工频击穿电压还低。 在同极性的雷电冲击标准波作用下，棒-板间隙的击穿电压比棒-棒间隙时低得不多，而在操作过电压下，前者比后者低得多。 注意：在设计高压电气设备时应尽量避免出现棒-板间隙,饱和现象 操作冲击放电电压与间隙距离的关系有明显的饱和现象；而雷电冲击作用时间太短，其饱和不明显，放电电压与间隙距离一般呈线性关系。 分散性大 操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性都比雷电冲击电压大得多。,因此，考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压。,6 影响气体放电电压的因素,6.1 电场形式对放电电压的影响 6.2 电压波形对放电电压的影响 6.3 大气条件对放电电压的影响,6.1 电场形式对放电电压的影响,均匀电场： 两个电极形状完全相同且对称布置，因而不存在极性效应。 均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所需的时间极短 在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都相同，与作用电压形式无关 击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数1,6.1.1 均匀电场和稍均匀电场中的击穿电压,击穿电压的经验公式可表示为：,上式完全符合巴申定律，因为它也可改写成：,与均匀电场相似，冲击系数接近1，冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压几乎相等。,稍均匀电场,工程上常见电场大多数是极不均匀电场 工程上遇到极不均匀电场时，可由典型电极的击穿电压来修正绝缘距离，对称电场参照“棒棒”电极数据；不对称电场可参照“棒板”电极数据 放电的分散性大，且极性效应明显,6.1.2 极不均匀电场中的击穿电压,6.1 电场形式对放电电压的影响 6.2 电压波形对放电电压的影响 6.3 大气条件对放电电压的影响,6.2 电压波形对放电电压的影响,气隙上作用电压的种类（波形）： 直流电压 工频电压 雷电冲击电压 操作冲击电压,6.2 电压波形对放电电压的影响,均匀电场中 不同电压波形下击穿电压(峰值)相同，放电分散性小 稍不均匀电场 不同电压波形下击穿电压基本相同，放电分散性不大，极性效应不显著 极不均匀电场中 直流、工频及冲击电压间差别明显,棒-板间隙存在极性效应 棒-棒电极击穿电压介于不同极性棒-板之间,6.2.1 直流电压下的击穿特性,无论棒-棒或棒-板电极击穿都发生在正半周附近，分散性不大； 当间隙距离不太大时，击穿电压与间隙距离呈线性关系；当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，呈现出饱和现象,6.2.2 工频电压下的击穿特性,雷电冲击击穿电压与距离呈正比，无饱和；,6.2.3 冲击工频电压下的击穿特性,操作冲击电压有明显的极性效应和饱和现象,6.1 电场形式对放电电压的影响 6.2 电压波形对放电电压的影响 6.3 大气条件对放电电压的影响,6.3 大气条件对放电电压的影响,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。,击穿电压是指在一定大气参数下的击穿电压,不同大气条件下测得的击穿电压必须换算到统一的参考条件下才能进行比较； 标准大气条件参数如下：,6.3.1 大气状态对放电电压的影响,实际试验条件下的击穿电压（U）和标准大气条件下的击穿电压（U0）可通过相应的校正系数换算： Kd：空气密度校正系数 Kh：湿度校正系数,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。,对海拔高度的校正 在海拔1000-4000m的范围内，海拔每升高100m，空气的绝缘强度约下降1%. GB311.1-1997规定，对拟用于高海拔地区的外绝缘设备，在非高海拔地区进行试验时，其试验电压U应为,6.3.2 海拔高度对放电电压的影响,例：某母线支柱绝缘子拟用于海拔4500m的高原地区，问平原地区的制造厂在标准大气条件下进行1min干工频耐受试验时，试验电压应为多少？ 解：查GB311.1-1997 ，35 kV母线支柱绝缘子的1 min.干工频耐受电压应为100 kV有效值，于是可算得平原地区制造厂在标准大气条件下应进行 U=100/(1.1-4500*10-4)=154 kV的试验。,7 提高气体介质电气强度的方法,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。,要提高气隙的击穿电压有两条途径：,7.1 改善电场分布 7.2 削弱或抑制电离过程,7.1 改善电场分布,7.1.1 改进电极形状 7.1.2 空间电荷的利用 7.1.3 极不均匀电场中屏障的采用,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,7.1.1 改进电极形状,极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布，提高击穿电压。 例如：导线与平板间隙中，导线直径很小时，导线周围容易形成比较均匀的电晕层，由于电晕层比较均匀，电场分布改善，提高了击穿电压,7.1.2 空间电荷的利用,在极不均匀电场中，放入薄片固体绝缘材料，在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压 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。,7.1.3 极不均匀电场中屏障的采用,例如：正针-负板电极中设置屏障后，正离子将在屏障上集聚，由于同号排斥作用，正离子沿屏障表面均匀分布，在屏障前方从而形成较均匀的电场，改善了电场分布，提高了击穿电压,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。,7.1 改善电场分布 7.2 削弱或抑制电离过程,7.2 削弱或抑制电离过程,7.2.1 高气压的采用 7.2.2 高真空的采用 7.2.3 高电气强度气体(SF6)的采用,机理：采用高气压可以减少电子的平均自由行程，削弱电离过程，提高击穿电压 特点： 在高气压下，电场均匀程度下降，击穿电压将剧烈降低，因此采用高气压的电气设备应使电场尽可能均匀 在高气压下，电极表面状态（粗糙度）对击穿电压影响显著 注意：高气压下应尽可能改进电极形状，改善电场分布，电极应仔细加工光洁，气体要过滤（滤去尘埃和水份）处理,巴申定律的应用,7.2.1 高气压的采用,机理：在高真空中，电子的平均自由行程远大于极间距离，使碰撞电离几乎不可能实现，从而显著提高间隙击穿电压。 使用的局限性：在电气设备中气、液、固等几种绝缘材料往往并存，而固体、液体等绝缘材料在高真空下会逐渐释放出气体，因此电气设备中实际使用高真空的还很少。 只有在真空断路器等特殊场合下才采用高真空作为绝缘材料。,7.2.2 高真空的采用,气体的性质： 电负性强，其电子附着效应大大减弱碰撞电离过程； 分子量、直径大，自由行程小； 碰撞引起分子极化反应，能量损失。 应用：SF6具有较高的耐电强度和很强的灭弧性能而被广泛应用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管、以及全封闭组合电器中。 局限性：SF6电气设备尺寸大大缩小，且不受气候影响，但造价高而且它是对臭氧层有破坏作用的温室气体。,7.2.3 高电气强度气体（SF6）的采用,8 沿面放电,8.1沿面放电的机理,8.2 影响沿面放电电压的因素,8.4 提高沿面放电电压的措施,8.3 绝缘子的污秽放电,8.1 沿面放电,沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。,沿面放电的实验现象： 沿固体介质表面的闪络（Flashover)电压比纯空气间隙或纯固体介质的击穿（Breakdown，Puncture）电压低得多。,按照固体介质在电极间的位置，形成三种电场结构： 均匀电场 具有弱垂直分量的极不均匀电场(如支柱绝缘子) 具有强垂直分量的极不均匀电场(如套管）,8.1.1 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电,固体绝缘处于均匀电场中： 介质与电极间存在气隙 介质表面吸潮形成水膜 介质表面电阻不均匀或有损伤 均匀电场中闪络电压 与作用电压的形式有关 与固体介质与电极接触的状况有关 与固体介质表面电阻和表面光滑度 状况有关,8.1.1 极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电,放电过程 (法兰边缘)电晕放电(放电伸展)刷状放电 (放电继续发展)滑闪放电 滑闪放电是介质具有强垂直分量时的一种放电形式 滑闪放电的解释 在电场强垂直分量的作用下，带电质点撞击介质表面，引起局部温升，导致热电离，从而带电质点剧增，电阻剧降，通道迅速增长； 热电离是滑闪放电的重要特征,8.2 影响沿面放电电压的因素,电场分布和电压波形的影响 均匀与不均匀；工频、直流、冲击 介质材料的影响 主要表现在介质表面吸潮方面 大气条件的影响 温度、气压（如高海拔）、湿度 介质表面情况的影响 雨水淋湿或表面脏污，沿面闪络电压急剧下降,8.3绝缘子的污秽放电,绝缘子 将处于不同电位的导体在机械上固定，在电气上绝缘。,结构上分： (悬式、支柱)绝缘子、 套筒(hollow insulator)、套管(bushing),悬式绝缘子,支柱绝缘子,绝缘事故的原因：一、电压升高： 雷击、操作过电压、工频电压升高二、绝缘下降： 污秽、雨、雾、露、冰、雪； 异物、零值、大风、老化,绝缘子的污秽放电：沿着污染绝缘表面发展的放电现象。 通常也称为污秽闪络。,污秽闪络(pollution flashover)发生在运行电压下，属于典型的绝缘下降问题。,1971-1999 我国大面积污闪事故： 35kV500kV 输电线路污闪4000 余条次35kV 500kV 变电站污闪2000 余站次 污秽是国内外超高压线路外绝缘的决定性因素； 大面积污闪容易造成电网多点同时跳闸，是电网安全运行的主要威胁之一； 我国污闪事故造成的损失是雷击的10倍以上。,8.4 提高沿面放电电压的措施,屏障 屏蔽 提高表面憎水性 改变绝缘体表面电阻率(如,应用半导体涂料,在法兰附近的绝缘体表面涂半导体釉) 强制固体介质表面的电位分布(减小C,可使表面的电位分布均匀）,本章总结,气体的放电理论：汤逊理论和流注理论 不均匀电场长间隙的放电特点：电晕、极性效应 不均匀电场长间隙的放电过程 冲击电压的表征方式(波形)、冲击特性的表征方法(U50和伏秒特性) 影响气体击穿电压的因素及机理分析 提高气体击穿电压的主要措施 沿面放电、影响沿面放电电压的主要因素和提高沿面放电电压的主要措施,