第二章氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

第二章氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度第1頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣體放電的物理過(guò)程：氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生、湯遜放電、流注放電、電暈放電、沿面放電（微觀特性）工程上，要用擊穿特性表示（擊穿場(chǎng)強(qiáng)，擊穿電壓）（宏觀特性）第二章氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度第2頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性2.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備第二章氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度第3頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性平行板電極(消除邊緣效應(yīng))工程上很少有極間距很大的均勻電場(chǎng)氣隙均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓第4頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一a、分散性小

直流、交流、50%沖擊擊穿電壓基本相同b、均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度大致為：30kV(峰值)/cm

經(jīng)驗(yàn)公式為：

d：間隙距離；：空氣相對(duì)密度2.1均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓第5頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一a、典型的稍不均勻電場(chǎng)球隙、同軸圓筒、氣體絕緣組合電器中的分相封閉母線筒2.1均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓第6頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓以球隙為例分析擊穿特性

第7頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1均勻和稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性稍均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓以球隙為例分析擊穿特性

關(guān)鍵點(diǎn)D越大，電場(chǎng)越均勻，擊穿場(chǎng)強(qiáng)越高直流、交流、沖擊電壓基本相同第8頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常見(jiàn)的極不均勻電場(chǎng)氣隙工程上的極不均勻電場(chǎng)氣隙，均可以用兩類極端的模型表示，實(shí)際的工程應(yīng)用可依據(jù)這兩類電場(chǎng)類型的測(cè)量值進(jìn)行推算：

a).棒-棒電極（完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)）

2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第9頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常見(jiàn)的極不均勻電場(chǎng)氣隙工程上的極不均勻電場(chǎng)氣隙，均可以用兩類極端的模型表示，實(shí)際的工程應(yīng)用可依據(jù)這兩類電場(chǎng)類型的測(cè)量值進(jìn)行推算：

b).棒-板電極（完全不對(duì)稱結(jié)構(gòu)）

2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第10頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.直流電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性顯著特征：極性效應(yīng)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)：正極性棒-板間隙：7.5kV/cm負(fù)極性棒-板間隙：20kV/cm棒-棒間隙：8.5kV/cm稍短間隙第11頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性顯著特征：極性效應(yīng)平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)：正極性棒-板間隙：4.5kV/cm負(fù)極性棒-板間隙：10kV/cm正極性棒-棒間隙：4.8kV/cm1.直流電壓較長(zhǎng)間隙第12頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.工頻交流電壓特點(diǎn)：1、棒-板間隙擊穿總是在棒的極性為正時(shí)擊穿。2、擊穿電壓與距離近似成直線關(guān)系，大間隙下?lián)舸╇妷河酗柡挖厔?shì)（見(jiàn)后頁(yè)）3、平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)棒-棒間隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板間隙：3.35kV(有效值)/cm

2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第13頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顯著特征：飽和特性2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性長(zhǎng)間隙第14頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.雷電沖擊電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第15頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.雷電沖擊電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第16頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.雷電沖擊電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性特點(diǎn)：1、棒-板間隙沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)；正棒擊穿電壓比負(fù)棒低得多。2、棒-棒間隙也有不大的極性效應(yīng)，這是由于大地的影響，使不接地的那個(gè)電極附近電場(chǎng)增強(qiáng)。第17頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.操作沖擊電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第18頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.操作沖擊電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第19頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.操作沖擊電壓第2節(jié)極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性第20頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.操作沖擊電壓2.2極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性特點(diǎn)：1、50%的操作沖擊電壓依賴于沖擊電壓的上升時(shí)間Tcr。2、50%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(yuǎn)低于雷電沖擊電壓，甚至在某些上升時(shí)間范圍內(nèi)，還低于工頻交流擊穿電壓。3、飽和特性4、分散性更大（可以理解為伏秒特性帶寬更寬）。第21頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高海拔地區(qū)的高緯度地區(qū)沿海地區(qū)2.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正為何要對(duì)不同大氣條件下的擊穿特性進(jìn)行校正第22頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一我國(guó)國(guó)標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件2.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正壓力：101.3kPa溫度：293K絕對(duì)濕度：11g/m3大氣條件改變，如在高海拔地區(qū)，氣壓、氣體密度、溫度、濕度等條件均改變。在此條件下測(cè)量的氣隙擊穿數(shù)據(jù)與在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下所測(cè)數(shù)據(jù)不具有可比性。第23頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正空氣密度校正因數(shù)濕度校正因數(shù)采用校正的方法第24頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.對(duì)空氣密度的校正2.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正適用于短氣隙(<1m)適用于長(zhǎng)氣隙情況式中的m是與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及極性有關(guān)的值，應(yīng)用時(shí)可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。第25頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.對(duì)濕度的校正2.3大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正大氣中的水分可以吸附電子形成負(fù)離子，抑制放電的發(fā)生。均勻電場(chǎng)或稍不均勻電場(chǎng)：濕度對(duì)這類電場(chǎng)的影響不大。極不均勻電場(chǎng)：濕度對(duì)這類電場(chǎng)的影響較大。需用濕度校正因數(shù)加以修正。k與絕對(duì)濕度和電壓類型有關(guān)與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及其極性有關(guān)第26頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.對(duì)海拔高度的校正第3節(jié)大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及其校正

我國(guó)幅員遼闊，運(yùn)行于高海拔地區(qū)的電力設(shè)施不占少數(shù)。特別是近年來(lái)的西部開(kāi)發(fā)和青藏鐵路的建設(shè)，大量的電氣設(shè)備涌入西部的高海拔地區(qū)。1000m<H<4000m第27頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一絕緣安全：氣隙盡可能大。設(shè)備尺寸：經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性——?dú)庀侗M量小一些。2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法如何調(diào)和上述矛盾：思路/途徑/原則改善氣隙中的電場(chǎng)分布，使之盡量均勻；設(shè)法削弱或抑制氣體介質(zhì)的電離過(guò)程。第28頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法1、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布2、利用空間電荷改善電場(chǎng)分布3、采用介質(zhì)阻擋方法4、采用高氣壓的方法5、采用高電氣強(qiáng)度氣體6、采用高真空第29頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法1、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布電場(chǎng)均勻——擊穿場(chǎng)強(qiáng)高——通過(guò)改善電極形狀均勻電場(chǎng)方法：增大電極的曲率半徑，消除電極表面毛刺，尖角通常采用屏蔽的方法來(lái)增大電極的曲率半徑，即在棒極的端部加裝一只直徑適當(dāng)?shù)慕饘偾颉?shí)例：大型試驗(yàn)設(shè)備出線端的球形電極；超高壓線路絕緣子串上的均壓環(huán)；超高壓線路上采用的擴(kuò)徑導(dǎo)線；第30頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法1、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布Uc為加裝屏蔽罩后的起始電壓；Ugmax為設(shè)備對(duì)地最大電壓；R為球屏蔽罩的半徑；Ec為球屏蔽罩的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。第31頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法2、利用空間電荷改善電場(chǎng)分布細(xì)線效應(yīng)：當(dāng)架空線路的導(dǎo)線直徑減小到一定程度時(shí)，對(duì)應(yīng)間隙的工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)反而會(huì)增大。其原因就是電暈產(chǎn)生的空間電荷改善了電場(chǎng)。利用空間電荷效應(yīng)改善電場(chǎng)在應(yīng)用中難度較大，因?yàn)榭臻g電荷的密度、位置等均不易控制。電暈空間電荷改善電場(chǎng)第32頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法3、采用介質(zhì)阻擋方法

目的：阻礙帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，積聚空間電荷并改善電場(chǎng)分布。第33頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法3、采用介質(zhì)阻擋方法安裝距離：正極性直流擊穿電壓可提高2-3倍負(fù)極性直流擊穿電壓可提高約10%因此，對(duì)改善工頻交流擊穿電壓很有效對(duì)于均勻電場(chǎng)作用不大屏蔽材料：絕緣介質(zhì)（玻璃、環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙烯等）放置位置：放在電極之間，其表面與電力線垂直。第34頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法4、采用高氣壓的方法

原理：減小電子的平均自由行程，抑制電離過(guò)程的發(fā)生。第35頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法5、采用高電氣強(qiáng)度氣體原理：鹵族元素具有很強(qiáng)的電負(fù)性，由其化合成的氣體通常具有很強(qiáng)的俘獲電子能力，進(jìn)而可以抑制放電。氣體：六氟化硫、氟里昂——高電氣強(qiáng)度氣體六氟化硫是目前電氣工程領(lǐng)域除空氣外應(yīng)用最多的絕緣氣體。第36頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法6、采用高真空原理：分子間距大，碰撞電離難。第37頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備簡(jiǎn)介六氟化硫氣體在20世紀(jì)60年代開(kāi)始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧介質(zhì)。首先應(yīng)用于斷路器，之后不斷發(fā)展，已成為除空氣外應(yīng)用最廣泛的介質(zhì)。第38頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備1.六氟化硫氣體的性能無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的優(yōu)良?xì)怏w，分解溫度高約800K。其電氣強(qiáng)度是空氣耐電強(qiáng)度的2.3~2.5倍,其原因?yàn)椋?、分子量大（為146），密度大（相同條件下，是空氣的5倍），屬重氣體。2、具有電負(fù)性（親和勢(shì)約為4.10eV），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100倍）。第39頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性a.

均勻和稍不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿

在分析電負(fù)性氣體的碰撞電離和放電過(guò)程時(shí)，除考慮電子碰撞電離的α過(guò)程，還要考慮電負(fù)性氣體吸附電子的η過(guò)程。

η定義為：一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程中，發(fā)生的電子附著次數(shù)的平均值。

電負(fù)性氣體的有效電子碰撞電離系數(shù)為：

第40頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性均勻電場(chǎng)中電子崩的增長(zhǎng)規(guī)律：a.

均勻和稍不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿第41頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備SF6的擊穿電壓為：工業(yè)上pd>1Mpa.mm，上式近似的?。簆：氣壓Mpa，

d：極間距離，mm則100kPa時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為88.5kV/cm，是空氣的3倍。2.六氟化硫氣體的擊穿特性a.

均勻和稍不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿第42頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性氣壓對(duì)擊穿特性的影響均勻和稍不均勻電場(chǎng)第43頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性b.極不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿極不均勻電場(chǎng)第44頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性粗糙度對(duì)擊穿特性的影響關(guān)鍵詞毛刺凸起電極粗糙度面積效應(yīng)第45頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性導(dǎo)電微粒對(duì)擊穿特性的影響-+第46頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備2.六氟化硫氣體的擊穿特性表面電荷對(duì)擊穿特性的影響-+表面電荷第47頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備3.六氟化硫理化特性方面的若干問(wèn)題a.液化問(wèn)題SF6高壓斷路器工作氣壓0.7MPa；GIS工作氣壓0.45MPa。-20℃-40℃第48頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一b.毒性分解物SF4:無(wú)色，有刺激氣味，與水作用生成HF，有毒。S2F10:無(wú)色、易揮發(fā)、劇毒。SOF2：無(wú)色，有刺激性，有毒。SO2F2：無(wú)色，無(wú)味，有毒。SOF4：無(wú)色、有刺激性氣味，有毒。SF2：化學(xué)性能不穩(wěn)定，有毒。在GIS中放入吸附劑（如活性氧化鋁等），吸附有毒物質(zhì)和水2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備3.六氟化硫理化特性方面的若干問(wèn)題第49頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一GIS中對(duì)微水含量要求十分嚴(yán)格，超標(biāo)的水分與SF6分解物反應(yīng)，容易生成氫氟酸，腐蝕電極和固體介質(zhì)。含水量一般在100ppm以內(nèi)。c.

含水量2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備3.六氟化硫理化特性方面的若干問(wèn)題第50頁(yè)，共54頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備常見(jiàn)的廉價(jià)氣體，如氮?dú)狻⒍趸?、空氣等，混入很少量的六氟化硫，即可提高其擊穿電壓。解決高寒地區(qū)的SF6氣體液化問(wèn)題。d.

六氟化硫混