第2章 氣體介質(zhì)的電氣強度

1、田付強田付強 副教授副教授牽引供電研究所Email: 辦公室：電氣樓808辦公電話604手機一篇第一篇 電介質(zhì)的電氣強度電介質(zhì)的電氣強度第一章第一章 氣體放電的基本物理過程氣體放電的基本物理過程第二第二章章 氣體介質(zhì)的電氣強度氣體介質(zhì)的電氣強度第三章第三章 液體和固體介質(zhì)的電氣特性液體和固體介質(zhì)的電氣特性 第一節(jié)第一節(jié) 均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿場強場強1第二節(jié)第二節(jié) 極不均勻電場氣隙擊穿特性極不均勻電場氣隙擊穿特性23第三節(jié)第三節(jié) 大氣條件對氣隙擊穿特性的影響大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正及其校正4第四

2、節(jié)第四節(jié) 提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法提高氣體介質(zhì)電氣強度的方法第二章第二章 氣體介質(zhì)的電氣強度氣體介質(zhì)的電氣強度5第五節(jié)第五節(jié) 六氟化硫和氣體絕緣電氣設備六氟化硫和氣體絕緣電氣設備2.1 均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性一、均勻電場氣隙的擊穿一、均勻電場氣隙的擊穿特性特性u分散性小：分散性?。褐绷?、交流、直流、交流、50%沖擊擊穿電壓基沖擊擊穿電壓基本相同本相同u均勻電場中空氣的電氣強度大致為：均勻電場中空氣的電氣強度大致為： u經(jīng)驗公式為：經(jīng)驗公式為： d：間隙距離：間隙距離(cm)； ：空氣相對密度：空氣相對密度(1)(kVd.d.Ub峰值0862224+=

3、均勻電場均勻電場中氣隙擊穿特性的特點中氣隙擊穿特性的特點球隙、同軸圓筒、氣體絕緣球隙、同軸圓筒、氣體絕緣組合電器中的分相封閉母線筒組合電器中的分相封閉母線筒二、稍二、稍不均勻電場中的擊穿電壓不均勻電場中的擊穿電壓稍不均勻電場中的稍不均勻電場中的擊穿電壓擊穿電壓(以以球隙為球隙為例例)工程上的極不均勻電場氣隙，均可以用兩類極端的模型表工程上的極不均勻電場氣隙，均可以用兩類極端的模型表示，實際的工程應用可依據(jù)這兩類電場類型的測量值進行推算：示，實際的工程應用可依據(jù)這兩類電場類型的測量值進行推算：u 棒棒- -棒電極（完全對稱結構）棒電極（完全對稱結構）u 棒棒- -板電極（完全不對稱結構）板電極（

4、完全不對稱結構） 2.2 極不均勻電場氣隙的擊穿特性極不均勻電場氣隙的擊穿特性棒-棒電極棒-板電極一、常見的極不均勻電場氣隙一、常見的極不均勻電場氣隙u 顯著特征：顯著特征：u 平均平均擊穿場強：擊穿場強： 正極性棒-板間隙：7.5kV/cm 負極性棒-板間隙：20kV/cm 棒-棒間隙：11.5 kV/cm1. 稍稍短間隙短間隙二、直流電壓擊穿特性二、直流電壓擊穿特性u 顯著特征：顯著特征：u 平均擊穿場強平均擊穿場強： 正極性棒-板間隙：4.5kV/cm 負極性棒-板間隙：10kV/cm 正極性棒-棒間隙：4.8kV/cm2. 較長間隙較長間隙u 特點特點 棒-板間隙擊穿總是在棒的極性為正

5、時擊穿。 擊穿電壓與距離近似成直線關系，大間隙下?lián)舸╇妷河酗柡挖厔荩ㄒ姾箜摚﹗ 平均擊穿場強平均擊穿場強 棒-棒間隙：3.8kV(有效值)/cm 棒-板間隙：3.35kV(有效值)/cm 三、工頻交流電壓擊穿特性三、工頻交流電壓擊穿特性1. 稍稍短短間隙間隙 (1m)飽和特性飽和特性s50/2 . 1四四、雷電沖擊電壓、雷電沖擊電壓1. 標準雷電波的定義標準雷電波的定義特點：特點：u 棒-板間隙沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應；正棒擊穿電壓比負棒低得多。u 2、棒-棒間隙也有不大的極性效應，這是由于大地的影響，使不接地的那個電極附近電場增強。2. 稍稍短短間隙間隙 (1m)s2500/250四四

6、、操作沖擊電壓、操作沖擊電壓1. 標準操作沖擊電壓波的定義標準操作沖擊電壓波的定義2. 擊穿特性擊穿特性操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點u 50%50%的操作沖擊電壓依賴于沖擊電壓的上升時間的操作沖擊電壓依賴于沖擊電壓的上升時間TcrTcr。u 5050% %的操作沖擊電壓并非介于雷電沖擊電壓和工頻的操作沖擊電壓并非介于雷電沖擊電壓和工頻交流擊穿電壓之間。它遠低于雷電沖擊電壓，甚至交流擊穿電壓之間。它遠低于雷電沖擊電壓，甚至在某些上升時間范圍內(nèi)，還低于工頻交流擊穿電壓在某些上升時間范圍內(nèi)，還低于工頻交流擊穿電壓。u 飽和特性飽和特性u 分散性分散性更大（可以理解為伏秒特

7、性帶寬更寬）更大（可以理解為伏秒特性帶寬更寬）。u遠距離特高壓輸電遠距離特高壓輸電高海拔地區(qū)的高海拔地區(qū)的高緯度地區(qū)高緯度地區(qū)沿海地區(qū)沿海地區(qū)u大氣壓力大氣壓力、溫度、濕度條件、溫度、濕度條件影響影響電子自由程電子自由程空氣密度空氣密度碰撞電離及附著過程碰撞電離及附著過程2.3 大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及大氣條件對氣隙擊穿特性的影響及其校正其校正1. 為何要校正為何要校正2. 校正方法校正方法=mdKTpKd9 . 2=適用于短氣隙適用于短氣隙(1 m)(1 m)適用于長氣隙情況適用于長氣隙情況式中的式中的m是與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有是與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及極性有關

8、的值，應用時可查閱國家標準。關的值，應用時可查閱國家標準。3. 對空氣密度的校正對空氣密度的校正=hKk大氣中的水分可以吸附電子形成負離子，抑制放電的發(fā)生。大氣中的水分可以吸附電子形成負離子，抑制放電的發(fā)生。均勻電場或稍不均勻電場均勻電場或稍不均勻電場：濕度對這類電場的影響不大。：濕度對這類電場的影響不大。極不均勻電場極不均勻電場：濕度對這類電場的影響較大。需用濕度：濕度對這類電場的影響較大。需用濕度校正因校正因數(shù)數(shù)加以修正。加以修正。k k與絕對濕度和電壓類型有關與絕對濕度和電壓類型有關與與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性有關電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性有關4. 對對空氣濕度的空

9、氣濕度的校正校正-=-ap4aUK U1K1.1 H10 我國幅員遼闊，運行于高海拔地區(qū)的電力設施不占少數(shù)。我國幅員遼闊，運行于高海拔地區(qū)的電力設施不占少數(shù)。特別是近年來的西部開發(fā)和青藏鐵路的建設，大量的電氣特別是近年來的西部開發(fā)和青藏鐵路的建設，大量的電氣設備涌入西部的高海拔地區(qū)。設備涌入西部的高海拔地區(qū)。1000 mHUcUc為加裝屏蔽罩后的起始電壓；為加裝屏蔽罩后的起始電壓；UgmaxUgmax為設備對地最大電壓；為設備對地最大電壓；R R為球屏蔽罩的半徑；為球屏蔽罩的半徑；EcEc為球屏蔽罩的電暈起始場強。為球屏蔽罩的電暈起始場強。：當架空線路的導線直徑減小到一定程度時，：當架空線路的

10、導線直徑減小到一定程度時，對應間隙的工頻擊穿場強反而會增大。其原因就是電對應間隙的工頻擊穿場強反而會增大。其原因就是電暈產(chǎn)生的空間電荷改善了電場。暈產(chǎn)生的空間電荷改善了電場。利用空間電荷效應改善電場在應用中難度較大，因為利用空間電荷效應改善電場在應用中難度較大，因為空間電荷的密度、位置等均不易控制?？臻g電荷的密度、位置等均不易控制。電暈電暈空間電荷空間電荷改善電場改善電場2.利用空間電荷改善電場分布利用空間電荷改善電場分布目的目的：阻礙帶電粒子的運動，積聚空間電荷并改善電場分布。：阻礙帶電粒子的運動，積聚空間電荷并改善電場分布。3.采用介質(zhì)阻擋方法采用介質(zhì)阻擋方法安裝距離安裝距離：dx)615

11、1(=正極性直流擊穿電壓可提高正極性直流擊穿電壓可提高2-3倍倍負極性直流擊穿電壓可提高約負極性直流擊穿電壓可提高約10%屏蔽材料屏蔽材料：絕緣介質(zhì)，玻璃絕緣介質(zhì)，玻璃、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯聚四氟乙烯放置位置放置位置：放在電極之間，其表面與電力線垂直。：放在電極之間，其表面與電力線垂直。原理原理：減小電子的平均：減小電子的平均自由行程，抑制電離過自由行程，抑制電離過程的發(fā)生。程的發(fā)生。4.采用高氣壓的方法采用高氣壓的方法原理：原理：具有很強的具有很強的，由其化合成的氣，由其化合成的氣體通常具有很強的體通常具有很強的，進而可以抑制放電。，進而可以抑制放電。氣體：六氟化硫、氟里昂氣體：六

12、氟化硫、氟里昂高高電氣強度氣體電氣強度氣體六氟化硫是目前電氣工程領域除空氣外應用最多的絕六氟化硫是目前電氣工程領域除空氣外應用最多的絕緣氣體。緣氣體。5.采用高電氣強度氣體采用高電氣強度氣體原理：分子間距大，碰撞電離難。原理：分子間距大，碰撞電離難。6.采用高真空采用高真空簡介簡介六氟化硫氣體在六氟化硫氣體在2020世紀世紀6060年代開始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧介質(zhì)。年代開始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧介質(zhì)。首先應用于斷路器，之后不斷發(fā)展，已成為除空氣外應用最廣泛首先應用于斷路器，之后不斷發(fā)展，已成為除空氣外應用最廣泛的介質(zhì)。的介質(zhì)。2.5 六氟化硫和氣體絕緣電氣設備六氟化硫和氣體絕緣電氣設備1.1.六氟化

13、硫氣體的性能六氟化硫氣體的性能u無色、無味、無毒的優(yōu)良氣體，分解溫度高約無色、無味、無毒的優(yōu)良氣體，分解溫度高約800 K800 K。u其電氣強度是空氣耐電強度的其電氣強度是空氣耐電強度的2.32.32.52.5倍倍, ,其原因為其原因為： 分子量分子量大（為大（為146146），密度大（相同條件下，是空氣的），密度大（相同條件下，是空氣的5 5倍），屬重氣體倍），屬重氣體。 具有具有電負性（親和勢約為電負性（親和勢約為4.10 eV4.10 eV），易俘獲電子，減少），易俘獲電子，減少了引起電離的電子數(shù)。因此具有較好的滅弧性能（空氣的了引起電離的電子數(shù)。因此具有較好的滅弧性能（空氣的1001

14、00倍）。倍）。電負性氣體的有效電子碰撞電離系數(shù)為：電負性氣體的有效電子碰撞電離系數(shù)為： (1)(1)均勻均勻和稍不均勻電場中和稍不均勻電場中SF6SF6的擊穿的擊穿 在在分析電負性氣體的碰撞電離和放電過程時，除考慮電子碰撞分析電負性氣體的碰撞電離和放電過程時，除考慮電子碰撞電離的電離的過程，還要考慮電負性氣體吸附電子的過程，還要考慮電負性氣體吸附電子的過程。過程。 ：一個電子沿電場方向運動：一個電子沿電場方向運動的行程中，發(fā)生的電子附的行程中，發(fā)生的電子附著次數(shù)的平均值。著次數(shù)的平均值。 =- 2.2.六氟化硫氣體的擊穿特性六氟化硫氣體的擊穿特性均勻電場中電子崩的增長規(guī)律：均勻電場中電子崩的

15、增長規(guī)律：daenn0=-=d( )dK10.5SF6在均勻場強下的在均勻場強下的擊穿電壓為：擊穿電壓為：38. 0+5 .88=pdUbpdUb5 .88=工業(yè)上工業(yè)上pd1 Mpa.mm，上式近似的，上式近似的?。喝。簆：氣壓：氣壓Mpa， d：極間距離，：極間距離，mm則則100 kPa時的擊穿場強約為時的擊穿場強約為88.5 kV/cm，是空氣的，是空氣的3倍。倍。(2)(2)極不均勻電場極不均勻電場中中SF6SF6的擊穿的擊穿影響因素：影響因素： 粗糙度：毛刺粗糙度：毛刺、凸起、凸起、電極電極 導電微粒導電微粒 表面電荷表面電荷(1)(1)液化液化問題問題SF6高壓斷路器工作氣壓高壓

16、斷路器工作氣壓0.7 MPa；GIS工作氣壓工作氣壓0.45 MPa。-20-20-40-403.3.六氟化硫理化特性方面的若干問題六氟化硫理化特性方面的若干問題SFSF4 4: :無色，有刺激氣味，與水作用生成無色，有刺激氣味，與水作用生成HFHF，有毒有毒; ;S S2 2F F1010: :無色、易揮發(fā)、無色、易揮發(fā)、劇毒劇毒; ;SOFSOF2 2：無色，有刺激性，有毒。無色，有刺激性，有毒。SOSO2 2F F2 2：無色，無味，：無色，無味，有毒有毒;SOF;SOF4 4：無色、有刺激性氣味，有毒。：無色、有刺激性氣味，有毒。SFSF2 2：化學性能不穩(wěn)定，：化學性能不穩(wěn)定，有毒有

17、毒。(2)(2)毒性毒性分解物分解物在在GISGIS中放入吸附劑（如活性氧化鋁等），吸附有毒物質(zhì)和水中放入吸附劑（如活性氧化鋁等），吸附有毒物質(zhì)和水GISGIS中對微水含量要求十分嚴格，超標的水分中對微水含量要求十分嚴格，超標的水分與與SF6SF6分解物分解物反應，容易生成氫氟酸，腐蝕電極和反應，容易生成氫氟酸，腐蝕電極和固體介質(zhì)。含水量一般固體介質(zhì)。含水量一般要要求求在在100 ppm以內(nèi)。以內(nèi)。(3)(3)含水量含水量(4)(4)六氟化硫混合氣體六氟化硫混合氣體常見的廉價氣體，如氮常見的廉價氣體，如氮氣、二氧化碳、空氣等，氣、二氧化碳、空氣等，混入很少量的六氟化硫，混入很少量的六氟化硫，即

18、可提高其擊穿電壓。即可提高其擊穿電壓。解決高寒地區(qū)的解決高寒地區(qū)的SF6SF6氣氣體液化問題。體液化問題。(1) 封閉式封閉式氣體絕緣組合電器氣體絕緣組合電器(GIS)GIS由斷路器、隔離開關、接地刀閘、互感器、避雷器、由斷路器、隔離開關、接地刀閘、互感器、避雷器、母線和母線和出線終端出線終端等部件組合而成，全部封閉在充等部件組合而成，全部封閉在充SF6氣體的金氣體的金屬外殼中。屬外殼中。GIS的優(yōu)點：的優(yōu)點：1.1. 占占地少地少適合我國國情；適合我國國情；2.2. 運行安全可靠，外殼接地，不運行安全可靠，外殼接地，不會誤傷運行人員；會誤傷運行人員；3.3. 防污能力強防污能力強不不受風霜雨

19、雪的受風霜雨雪的侵襲；侵襲；4.4. 安裝簡便安裝簡便、檢修周期長。、檢修周期長。4.SF64.SF6氣體絕緣電氣設備氣體絕緣電氣設備GIC的優(yōu)點的優(yōu)點：1.1. 電容小電容小GICGIC的電容只有充油電纜的的電容只有充油電纜的1/41/4左右，故容抗左右，故容抗大，容性電流小，傳輸距離長；大，容性電流小，傳輸距離長；2.2. 介質(zhì)損耗??；介質(zhì)損耗小；3.3. 導體截面積大，傳輸容量大；導體截面積大，傳輸容量大；4.4. 能夠用于大落差的場合能夠用于大落差的場合。(2) 氣體氣體絕緣管道輸電線絕緣管道輸電線(GIC)(3)氣體絕緣變壓器氣體絕緣變壓器(GIT)GIT的優(yōu)點的優(yōu)點：1. GIT是防暴型變壓器，非常適合于城市高層建筑的供電是防暴型變壓器，非常適合于城市高層建筑的供電和用于地下礦井等有防火防爆要求的場合；和用于地下礦井等有防火防爆要求的場合；2. 氣體傳遞振動能力小于液體，氣體傳遞振動能力小于液體，GIT的噪聲??；的噪聲小；3. 氣體介質(zhì)不會老化，簡化了維護進程；氣體介質(zhì)不會老化，簡化了維護進程；本章主要知識點本章主要知識點1.1. 均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性均勻和稍不均勻電場氣隙的擊穿特性 均勻電場氣隙中，空氣的平均擊穿場強；均勻電場氣隙中