高電壓技術(shù)-吳廣寧3課件復(fù)習(xí)課程

1、高電壓技術(shù)-吳廣寧3課件u 1.2.1 持續(xù)作用電壓下的擊穿u 1.2.2 雷電沖擊電壓下的擊穿u 1.2.3 操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性u 1.2.4 大氣條件對氣體擊穿的影響u 1.2.5 提高氣體擊穿電壓的措施本節(jié)內(nèi)容返回1.2.1 持續(xù)作用電壓下的擊穿 實(shí)際中，大均勻電場間隙要求電極尺寸做得很大。因此，對于均勻場間隙，通常只有間隙長度不大時(shí)的擊穿數(shù)據(jù)，如圖1-11所示。1、均勻電場中的擊穿圖1-11 均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓峰值 隨間隙距離d的變化bU電極布置對稱，無擊穿的極性效應(yīng)；間隙中各處電場強(qiáng)度相等，擊穿所需時(shí)間極短；直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值以及50沖擊擊穿電壓相同；

2、擊穿電壓的分散性很小。均勻電場的擊穿特性： 對于圖 1-11所示的擊穿電壓(峰值)實(shí)驗(yàn)曲線，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示：ddUb08. 622.24kV式中 間隙距離，cm； 空氣相對密度 d 從圖 1-11 中可以得出，當(dāng) 在110cm范圍內(nèi)時(shí)，擊穿強(qiáng)度 （用電壓峰值表示）約等于30kV/cm。dbE(1-34)2、稍不均勻電場中的擊穿 稍不均勻電場的擊穿特點(diǎn)：擊穿前無電暈；無明顯的極性效應(yīng)；直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及50沖擊擊穿電壓幾乎一致。 稍不均勻電場的擊穿電壓通常可以根據(jù)起始場強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算fdEU/max 取決于電極布置，可用靜電場計(jì)算的方法或電解槽實(shí)驗(yàn)的方法求得。f 對于稍不

3、均勻場，當(dāng) 達(dá)臨界場強(qiáng) 時(shí)， 達(dá)到擊穿電壓 ，從而UmaxE0EbUfdEUb/0(1-35)(1-36)圖1-12 幾種典型電極結(jié)構(gòu)示意圖1、同心球 2、球平板 3、球球 4、同軸圓柱 5、圓柱平板 6、圓柱圓柱 7、曲面平面 8、曲面曲面下面給出幾種典型的電極結(jié)構(gòu): 圖1-12 幾種典型電極結(jié)構(gòu)示意圖1、同心球 2、球平板 3、球球 4、同軸圓柱 5、圓柱平板 6、圓柱圓柱 7、曲面平面 8、曲面曲面球板電極)/337. 01 (7 .270rE)1 (9 . 09 . 0maxrddUrddrUErdf/19 . 0)(9 . 00rddrEUc(1-40)(1-39)(1-38)(1-

4、37)柱板電極)/298. 01 (3 .300rE)ln(9 . 0maxrrdrUE)ln(9 . 0rrdrdf9 . 0)ln(0rrdrEUc(1-43)(1-44)(1-42)(1-41)平行圓柱電極)/298. 01 (3 .300rE)22ln(29 . 0maxrrdrUE)22ln(29 . 0rrdrdf9 . 0)22ln(20rrdrEUc(1-45)(1-46)(1-47)(1-48)同軸圓柱電極)/305. 01 (5 .310rE)/ln(maxrRrUE)/ln(rRrrRf)ln(0rRrEUc(1-49)(1-50)(1-51)(1-52)同心球電極)/1

5、1 (240rE)(maxrRrRUErRf/RrrREUc)(0(1-53)(1-56)(1-55)(1-54)球球電極)/337. 01 (7 .270rE)21 (9 . 0maxrddUE)21 (9 . 0rdf)2/1 (9 . 00rddEUc(1-57)(1-58)(1-59)(1-60) 另外，對于某些不太好根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求的電場結(jié)構(gòu)，也可以用 30kV/cm進(jìn)行大致估算，則間隙擊穿電壓 為0EbUfdUb/30(1-61)3、極不均勻電場中的擊穿 極不均勻場的擊穿特性：電場不均勻程度對擊穿電壓的影響減弱；極間距離對擊穿電壓的影響增大；在直流電壓中，直流擊穿電壓的極性效應(yīng)非常明

6、顯；工頻電壓下，擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近。返回返回 當(dāng)間隙距離不大時(shí)，擊穿電壓基本上與間隙距離呈線性上升的關(guān)系； 當(dāng)間隙距離很大時(shí)，平均擊穿場強(qiáng)明顯降低，即擊穿電壓不再隨間隙距離的增大而線性增加，呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象。1.2.2 雷電沖擊電壓下的擊穿 大氣中雷電產(chǎn)生的過電壓對高壓電氣設(shè)備絕緣會產(chǎn)生重大威脅。因此在電力系統(tǒng)中，一方面應(yīng)采取措施限制大氣過電壓，另一方面應(yīng)保證高壓電氣設(shè)備能耐受一定水平的雷電過電壓。 雷電過電壓是一種持續(xù)時(shí)間極短的脈沖電壓，在這種電壓作用下絕緣的擊穿具有與穩(wěn)態(tài)電壓下?lián)舸┎煌奶攸c(diǎn)。1、雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形 按雷電發(fā)展的方向可分為：雷電能對地面設(shè)備造成危害的主要是云地閃。

7、下行雷 在雷云中產(chǎn)生并向大地發(fā)展；上行雷 由接地物體頂部激發(fā)，并向雷云方向發(fā)展。 下行負(fù)極性雷通?？煞譃?個(gè)主要階段：先導(dǎo)過程主放電過程余光放電過程 先導(dǎo)過程：延續(xù)約幾毫秒，以逐級發(fā)展、高電導(dǎo)、高溫的、具有極高電位的先導(dǎo)通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿。沿先導(dǎo)通道分布著電荷，其數(shù)量達(dá)幾庫侖。 主放電過程：當(dāng)下行先導(dǎo)和大地短接時(shí)，發(fā)生先導(dǎo)通道放電的過渡過程。在主放電過程中，通道產(chǎn)生突發(fā)的亮光，發(fā)出巨大的聲響，沿著雷電通道流過幅值很大、延續(xù)時(shí)間為近百微秒的沖擊電流。 余光放電：主放電完成后，云中的剩余電荷沿著雷電通道繼續(xù)流向大地，這時(shí)在展開照片上看到的是一片模糊發(fā)光的部分，相應(yīng)的電流是逐漸衰減的，約

8、為 A，延續(xù)時(shí)間約為幾毫秒。131010 上述3個(gè)階段組成下行負(fù)雷的第一個(gè)分量。 余光放電：主放電完成后，云中的剩余電荷沿著雷電通道繼續(xù)流向大地，這時(shí)在展開照片上看到的是一片模糊發(fā)光的部分，相應(yīng)的電流是逐漸衰減的，約為 A，延續(xù)時(shí)間約為幾毫秒。131010 通常，雷電放電并未結(jié)束，隨后還有幾個(gè)(甚至十幾個(gè))后續(xù)分量。每個(gè)后續(xù)分量也是由重新使雷電通道充電的先導(dǎo)階段、使通道放電的主放電階段和余光放電階段組成。各分量中的最大電流和電流增長最大陡度是造成被擊物體上的過電壓、電動(dòng)力、電磁脈沖和爆破力的主要因素。而在余光階段中流過較長時(shí)間的電流則是造成雷電熱效應(yīng)的重要因素。圖1-13 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形

9、波前時(shí)間 半峰值時(shí)間 -沖擊電壓峰值1T2TmaxU 圖1-13表示雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形和確定其波前和波長時(shí)間的方法(波長指沖擊波衰減至半峰值的時(shí)間)。圖1-13 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波形波前時(shí)間 半峰值時(shí)間 沖擊電壓峰值1T2TmaxU 圖中O為原點(diǎn)，P點(diǎn)為波峰。國際上都用圖示的方法求得名義零點(diǎn) （即圖中虛線所示，連接P點(diǎn)與0.3倍峰值點(diǎn)作虛線交橫軸、于 點(diǎn)）1O1O 目前國際上大多數(shù)國家對于標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形規(guī)定是：%302 . 11sT%20502sT 對于不同極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形可表示為 + 或 - 。us50/2 . 1us50/2 . 12、放電時(shí)延完成氣隙擊穿的三個(gè)必備條件：最低靜態(tài)擊

10、穿電壓；在氣隙中存在能引起電子崩并導(dǎo)致流注和主放電的有效電子；需要有一定的時(shí)間，讓放電得以逐步發(fā)展并完成擊穿。圖1-14 沖擊擊穿所需時(shí)間的示意圖 總放電時(shí)間 后面兩個(gè)分量之和稱為放電時(shí)延 0bsftttt (1-62)lagsfttt 圖1-14 沖擊擊穿所需時(shí)間的示意圖 氣隙在持續(xù)電壓下的擊穿電壓為 ，為所加電壓從0上升到 的時(shí)間； 從t1開始到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子所需的時(shí)間稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)延； sUstst0tsU圖1-14 沖擊擊穿所需時(shí)間的示意圖tf出現(xiàn)有效電子后，引起碰撞電離，形成電子崩，發(fā)展到流注和主放電，最后完成氣隙的擊穿。這個(gè)過程需要的時(shí)間稱為放電形成時(shí)延tf 。 放電時(shí)間tb

11、和tlag放電時(shí)延的長短都與所加電壓的幅值 有關(guān)，總的趨勢是 越高，放電過程發(fā)展的越快，tb和tlag越短。tb和tf都具有統(tǒng)計(jì)性UU3、50擊穿電壓 在工程實(shí)際中廣泛采用擊穿百分比為50時(shí)的電壓（ U50% ）來表征氣隙的沖擊擊穿特性。實(shí)際中，施加10次電壓中有4-6次擊穿了，這一電壓即可認(rèn)為是50沖擊擊穿電壓。 U50%與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓 的比值稱為沖擊系數(shù)：均勻和稍不均勻電場下， ;極不均勻電場中, ，沖擊擊穿電壓的分散性也較大，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取3。050UUb(1-64)10U4、伏秒特性 沖擊擊穿特性最好用電壓和時(shí)間兩個(gè)參量來表示，這種在“電壓時(shí)間”坐標(biāo)平面上形成的曲線，通常稱為伏秒特性曲

12、線，它表示該氣隙的沖擊擊穿電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。如圖1-15所示：圖1-15 伏秒特性繪制方法 實(shí)際的伏秒特性曲線如圖1-16所示，是一個(gè)以上、下包線為界的帶狀區(qū)域。通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲線來表征一個(gè)氣隙的沖擊擊穿特性。圖1-16 50伏秒特性示意圖（虛線表示沒有被試間隙時(shí)的波形）1-0伏秒特性 2100伏秒特性 350伏秒特性450沖擊擊穿電壓 50沖擊擊穿電壓 （靜態(tài)擊穿電壓）返回返回1.2.3 操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性 電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時(shí)，因狀態(tài)發(fā)生突然變化引起電感和電容回路的振蕩產(chǎn)生過電壓，稱為操作過電壓。 目前的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對額定電壓在300kV以上的高壓電

13、氣設(shè)備要進(jìn)行操作沖擊電壓試驗(yàn)。這說明操作沖擊電壓下的擊穿只對長間隙才有重要意義。1、操作沖擊電壓波形 操作過電壓波形是隨著電壓等級、系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備性能、操作性質(zhì)、操作時(shí)機(jī)等因素而有很大變化的。 IEC推薦了2502500 us 的操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形，我國國家標(biāo)準(zhǔn)也采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形。 如圖1-17所示，波形特征參數(shù)為：波前時(shí)間 250us ，允許誤差為土20；半峰值時(shí)間 2500us ，允許誤差為土60；峰值允許誤差土3；90峰值以上持續(xù)時(shí)間 未作規(guī)定。crT2TdT圖1-17 操作沖擊電壓全波圖中0點(diǎn)為實(shí)際零點(diǎn)，u為電壓值，圖中u1.0處為電壓u峰值dTcrT2T 電壓值持續(xù)處于0.9倍電

14、壓峰值以上時(shí)間 波前時(shí)間 半峰值時(shí)間2. 操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)U形曲線極性效應(yīng)飽和現(xiàn)象分散性大 鄰近效應(yīng)返回返回1.2.4 大氣條件對氣體擊穿的影響 濕度校正因數(shù) 空氣密度校正因數(shù) 海拔高度的影響 前面介紹的不同氣隙在各種電壓下的擊穿特性均對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件和正常海拔高度。 由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件都會影響空氣的密度、電子自由行程長度、碰撞電離及附著過程，所以也必然會影響氣隙的擊穿電壓。 海拔高度的影響亦與此類似，因?yàn)殡S著海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均下降。壓力：p0=101.3kPa(760mmHg)；溫度：t0=20攝氏度或T0=293K；絕對濕度：hc=11g/m3。國標(biāo)規(guī)

15、定的大氣條件： 正由于此，在不同大氣條件和海拔高度下所得出的擊穿電壓實(shí)測數(shù)據(jù)都必須換算到某種標(biāo)準(zhǔn)條件下才能互相進(jìn)行比較。 上式不僅適用于氣隙的擊穿電壓，也適用于外絕緣的沿面閃絡(luò)電壓。：空氣密度校正因數(shù) ：濕度校正因數(shù)dKhK 實(shí)驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓 與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓 之間關(guān)系：UdshKUUKSU(1-66) 在進(jìn)行高壓試驗(yàn)時(shí)，也往往要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的大氣條件，將試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的試驗(yàn)電壓值換算得出實(shí)際應(yīng)加的試驗(yàn)電壓值。下面分別討論各個(gè)校正因數(shù)的取值：濕度校正因數(shù) 正如在“負(fù)離子的形成”一段中所介紹的那樣，大氣中所含的水氣分子能俘獲自由電子而形成負(fù)離子，這對氣體中的放

16、電過程顯然起著抑制作用，可見大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓也會增高。在均勻和稍不均勻電場中，放電開始時(shí)，整個(gè)氣隙的電場強(qiáng)度都較大，電子的運(yùn)動(dòng)速度較快，不易被水氣分子所俘獲，因而濕度的影響就不太明顯，可以忽略不計(jì)。 例如用球隙測量高電壓時(shí)，只需要按空氣相對密度校正其擊穿電壓就可以了，而不必考慮濕度的影響。在極不均勻電場中，濕度的影響就很明顯了，這時(shí)可以用下面的濕度校正因數(shù)來加以修正：kKh 式中的因數(shù)k與絕對濕度和電壓類型有關(guān)，而指數(shù)之值則取決于電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性。(1-68)返回返回空氣密度校正因數(shù) 空氣密度與壓力和溫度有關(guān)。空氣的相對密度：(1-67)nsmsdttppK2

17、73273式中 試驗(yàn)條件下的氣壓，Pa； 試驗(yàn)條件下的氣溫，； ， 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣壓和氣溫 ptstsp0UU 在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨 的增大而提高。因而：mdK（1-69）返回返回海拔高度的影響 我國幅員遼闊，有不少電力設(shè)施(特別是輸電線路)位于高海拔地區(qū)。隨著海拔高度的增大，空氣變得逐漸稀薄，大氣壓力和相對密度減小，因而空氣的電氣強(qiáng)度也將降低。 海拔高度對氣隙的擊穿電壓和外絕緣的閃絡(luò)電壓的影響可利用一些經(jīng)驗(yàn)公式求得。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對于安裝在海拔高于1000m、但不超過4000m處的電力設(shè)施外絕緣，其試驗(yàn)電壓U應(yīng)為平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓 乘以海拔校正因數(shù)足 即：411.110A

18、SSUK UUHsU式中 H安裝地點(diǎn)海拔高度，m。(1-70)aK返回返回1.2.5 提高氣體擊穿電壓的措施電極形狀的改進(jìn)空間電荷對原電場的畸變作用極不均勻場中屏障的采用提高氣體壓力的作用高真空和高電氣強(qiáng)度氣體SF6的采用 為了縮小電力設(shè)施的尺寸，總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取得小一些，為此就應(yīng)采取措施來提高氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度。從實(shí)用角度出發(fā)，要提高氣隙的擊穿電壓不外乎采用兩條途徑：改善氣隙中的電場分布，使之均勻；設(shè)法削弱和抑制氣體介質(zhì)中的電離過程。1、電極形狀的改進(jìn) 電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強(qiáng)也就越大。因此，可以通過改進(jìn)電極形狀的方法來減小氣隙中的最大電場強(qiáng)度，以改善電場分布，提

19、高氣隙的擊穿電壓。如：增大電極的曲率半徑改善電極邊緣使電極具有最佳外形2、空間電荷對原電場的畸變作用 極不均勻電場氣隙被擊穿前先出現(xiàn)電暈放電。在一定條件下，可以利用放電本身所產(chǎn)生的空間電荷來調(diào)整和改善空間的電場分布，以提高氣隙的擊穿電壓。3、極不均勻場中屏障的采用 在極不均勻場的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料(如紙或紙板)，在一定條件下可以顯著地提高間隙的擊穿電壓。 屏障的作用在于屏障表面上積聚的空間電荷，使屏障與板電極間形成較均勻的電場，從而使整個(gè)間隙的擊穿電壓提高。 工頻電壓下，在尖板電極中設(shè)置屏障可以顯著提高擊穿電壓，因?yàn)楣ゎl電壓下?lián)舸┛偸前l(fā)生在尖電極為正極性的半周內(nèi)。 雷電沖擊電壓下

20、，屏障也可提高正尖板間隙的擊穿電壓，但是幅度比穩(wěn)態(tài)電壓下要小一些。4、提高氣體壓力的作用 在常壓下空氣的電氣強(qiáng)度比較低，約為30kV/cm。即使采取上述各種措施來盡可能改善電場，其平均擊穿場強(qiáng)也不可能超越這一極限。 可見，常壓下空氣的電氣強(qiáng)度要比一般固體和液體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度低得多。如果把空氣壓縮，使氣壓大大超過0.1MPa，它的電氣強(qiáng)度能得到顯著提高。這主要是因?yàn)樘岣邭鈮嚎梢源蟠鬁p小電子的自由行程長度，從而削弱和抑制了電離過程。如能在采用高氣壓的同時(shí)，再以某些高電氣強(qiáng)度氣體（如SF6）代替空氣，那就能獲得更好的效果。5、高真空和高電氣強(qiáng)度氣體SF6的采用 采用高真空也可以減弱氣隙中的碰撞電離過程，從而顯著提高氣隙的擊穿電壓。 在電力設(shè)備中，實(shí)際采用高真空作為絕緣媒質(zhì)的情況還不多，主要因?yàn)樵诟鞣N設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中大都還要采用各種固體或液體介質(zhì)，它們在真空中都會逐漸釋出氣體，使高真空難以長期保持。 有一些含鹵族元素的強(qiáng)電負(fù)性氣體電氣強(qiáng)度特別高，因而可稱之為高電氣強(qiáng)度氣體。采用這些氣體來替換空氣，可以大大提高氣隙的擊穿電壓，甚至在空氣中混入一部分這樣的氣體也能顯著提高其電氣強(qiáng)度。 但僅僅滿足高電氣強(qiáng)度是不