电厂分布对气隙电气强度的影响
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发布时间：2023-01-02 18:13
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时间：2023-10-09 21:02
（2）在长间隙不均匀场中，由于电场的不均匀性容易产生有效电子，使tf 〉〉ts → tl ＝tf即：不均匀长间隙电场中，先导放电的发展占放电时延的主要部分影响tf 的因素：间隙长度、电场均匀度、外加电压§3-2气隙的伏秒特性和击穿电压的概率分布一．标准试验电压波形对于不同性质、不同波形的电压，气隙的击穿电压是不同的。为此，需对各种电压的波形制定统一的标准。分述如下：1、直流电压：直流试验电压大多由交流整流而得，其波形必然有一定的脉动，通常所称的电压值是指其平均值。直流电压的脉动幅值是最大值与最小值之差的一半。纹波系数为脉动幅值和平均值之比。国家标准规定，被试品上直流试验电压的纹波系数应不大于3%。2、工频交流电压：工频交流试验电压应近似为正弦波，正负两半波相同，其峰值与方均根值（有效值）之比应在以内。频率一般在45-65Hz范围内。3、雷电冲击电压模拟雷电过电压 ，在实验室由冲击电压发生器产生。分为：全波――非周期性冲击电压，很快到峰值再逐渐下降。截波－－雷电冲击波被某处放电而截断的波形4、操作冲击电压：操作过电压波形是随着电压等级，系统参数、设备性能、操作性质等因素而变化的，如图3-2-3。二．伏秒特性曲线气隙的击穿放电需要一定的时间才能完成。对于长时间持续作用的电压来说，气隙的击穿电压有一个确定的值，但对于脉冲性质的电压，气隙的击穿电压就与该电压的波形（即作用的时间）有很大关系。比如，同一个气隙，在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下可能被击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能反而不能击穿。所以，对某一定的非持续作用的电压波形，气隙的耐压性能需用外加电压的峰值和延续时间共同表示，这就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性．伏秒特性：在电压波形一定的情况下，气隙击穿时的外加电压峰值与延续时间的关系
Ub ＝f（tb ）1．伏秒特性的作法保持一定的波形而逐级升高电压，以示波图来求取。电压较低时，击穿发生在波尾，在击穿前的瞬间，电压虽已从峰值下降到一定的数值，但该电压峰值依然是气隙击穿过程中的主要因素，因此，应以该电压峰值为纵坐标，已击穿时刻为横坐标，得到点“1”。同样的得到了点“2”，在电压升高到波峰时，击穿可能正好发生在波峰，该点当然也是特性曲线上的点，当电压继续升高，击穿可能发生在还未到达波峰之前，此时的点也是伏秒特性上的点。把这些点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性曲线。关于伏秒带（分散性）：同一气隙在同一电压（包括波形和峰值）作用下，每次击穿前时间也不完全一样，具有一定的分散性。因此，一个气隙的伏秒特性，不是一条简单的曲线，而是一组曲线族。如图3-2-5所示的。族中各曲线代表不同击穿概率下的伏秒特性称为伏秒特性带。0、、、、70%、80%、、100%2．伏秒特性特点（1）伏秒特性有分散性，为一组曲线，代表不同击穿几率（同一气隙在同一电压作用下，每次击穿时间不完全一样）如图3-2-5.。Ψ＝0 下包络线，其左方完全不击穿Ψ＝1 上包络线，其右方完全击穿一般取Ψ＝0 . 5（50％曲线）为平均伏秒特性（2）曲线形状与电场均匀度的关系：均匀场电场的短气隙中，曲线低且平坦，上翘范围小－－均匀场、短间隙各处场强相差不大，某处达到自持放电值时放电很快贯穿整个间隙→ 击穿时间短；在均匀场中，tb ＝ts，若击穿电压幅值稍降低→ts加长→tb加长→曲线平坦．不均匀电场的长气隙中，曲线较高且陡－－间隙大的不均匀场，由于电场分布的不均匀性，使击穿时间tb加长, 若保证与均匀电场相同的击穿时间，需加大电压幅值 → 曲线高；放电时延由tf 决定，电压幅值的变化对tf影响很大→曲线陡．
3．伏秒特性在工程中的实用意义A C AA BB B  (1) (2) (3)图（ 1 ）： A －－设备，B－－保护间隙图（ 2 ）：保护间隙的伏秒特性曲线（ B ）低于设备的曲线（A ），能保护设备图（ 3 ）：间隙曲线B较陡，间隙在交叉点C前不能保护设备，在C后能保护设备曲线A、B形状可以改变，若曲线B过低，运行不安全；但若抬高曲线A，将会增加经济投入。可见，若保护间隙是不均匀场，其伏秒曲线较陡，只能保护不重要设备。4．50％击穿电压U50％50％击穿电压：是指气隙被击穿的概率为50%的冲击电压的峰值。该值已经接近伏秒特性带的下边缘，它反映了该气隙的基本耐电强度，是一个重要的电气参数；但另一个方面，也应该注意到，它并不能全面的代表该气隙的耐电强度。还需考虑到2μs冲击击穿电压，即某气隙在该电压作用下会产生击穿放电，其击穿前时间小于和大于2μs的几率各为50％．即：50％曲线与2μs时间标尺相交点的电压。§3-3 大气条件对气隙击穿电压的影响 一．大气条件对击穿电压的影响空气间隙的击穿电压以及电气设备外部绝缘和绝缘子的闪络电压要受到大气条件的影响，主要受到大气的压力、温度、湿度等的影响。为了使不同大气条件下的击穿电压、闪络电压能够互相进行比较，就需要将击穿电压换算成统一大气条件下的值，这就是标准大气压（,绝对湿度）。一般技术资料，曲线和文献中的击穿电压，除了特别说明外，都是指在标准大气条件下的值。
1．空气密度对击穿电压的影响由于气压和湿度的改变都反映为空气密度的改变，而空气密度增大时电子的平均自由行程缩短，从而使游离减弱，空气间隙的击穿电压提高。在大气条件下，气隙的击穿电压随空气的相对密度δ的增大而提高。当δ处于0.95～1.05的范围内时，气隙的击穿电压几乎与δ成正比。式中-标准大气条件下空气间隙的击穿电压（幅值）；-实际大气条件下空气间隙的击穿电压（幅值）。空气的相对密度为实际大气条件下的密度与标准大气条件下的密度之比，而空气的密度与大气压力成正比，与温度成反比，所以上述是对1m以下的间隙进行试验的基础上得到的，对于均匀电场，不均匀电场、直流电压、工频或冲击电压都适用。2．湿度湿度反映了空气中所含水蒸气的多少，空气中所含水蒸气的密度，即单位体积空气中所含水蒸气的质量，称为空气的绝对湿度，是以为单位来表示的。大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，这对气体的放电过程起着抑制作用，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很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获，因而湿度影响不太明显，可以忽略不计。在极不均匀电场中，平均击穿场强低，电子运动速度小，而击穿时间长，因此水蒸气吸附电子程度强，游离能力减弱，这样湿度的影响就很明显了，可用下面的湿度校正因数来校正。湿度不等于标准大气条件下的湿度（但没有达到凝露的程度）时，空气间隙击穿电压的换算可用下式计算式中-湿度校正系数；-绝对湿度及电压类型的函数；-指数，其值与电极形状、距离以及电压类型、极性有关。，值与温度，电压形式，电压极性等因素有关，可查表 。*3．海拔高度修正随着海拔高度的增加，空气的压力和密度均会下降。正由于此，在不同的海拔高度下所得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准条件下才能互相进行比较。
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KaU = Ka ×UpKa ＝1／（1.1 － H*10－4 ）每升高 1000 米，空气密度δ↓→Ub ↓ 10 ％总之：δ↑→λe ↓→不易撞击游离→Ub ↑h↑→水是电负性，易获电子形成负离子，阻碍游离 →Ub↑§3-4电场放电形式对放电电压的影响1、 均匀电场中的击穿电压工程中很少遇到很大的均匀电场间隙，通常只有间隙不太大的均匀电场。在均匀电场中，间隙各处场强大致相等，因此在间隙中不可能出现持续的局部放电，流注一旦形成，间隙就被击穿。击穿电压就等于起始放电电压，且无极性效应。当时，均匀电场中空气的电气强度大致等于30kV/cm。2、 稍不均匀电场中的击穿电压稍不均匀电场中，一旦出现局部放电，立即导致整个间隙的完全击穿。在稍不均匀电场中击穿电压与电场的均匀程度关系极大。没有能概括各种电场分布的试验数据，具体间隙的击穿电压要通过实验才能确定。但有这样一个规律：电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压就越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。稍不均匀场的结构形式有多种多样。工程中较典型的电场结构：球-球，球-板，圆柱-板，同轴圆柱、两平行圆柱等，其中球球间隙可以用来测量高电压峰值的一种方法，既简单，又准确。此时稍不均匀电场中的电气强度比均匀电场电气强度稍低一点。3、 极不均匀电场下的击穿电压工程上常用的电场，绝大多数是极不均匀电场。在极不均匀电场中，各处场强差别很大，在所加电压小于间隙击穿电压时，可以出现局部的持续的电晕放电。电晕放电的空间电荷使外电场强烈畸变，使得决定击穿电压的主要因素是间隙距离，电极形状对击穿电压的影响不大。根据这一现象，可以选择几种形状简单的电极如棒-板，棒-棒电极作为典型电极，它们的击穿电压具有代表性。
在极不均匀的电场中，放电分散性较大，且极性效应明显；棒极为正时的击穿电压比棒极为负时的击穿电压要低。1cm的气隙大概是12Kv。由上述几点可见，间隙距离相同时，电场越均匀，气隙的击穿电压就越高。一般情况下，极间距离越大，放电电压也就越高，但不是成比例的增加。因此可以改进电极形状，增大电极曲率半径，以改善电场分布，提高间隙的击穿电压。如果必须采用极不均匀电场，则尽可能采用棒-棒类型的对称电场。§3-4提高气隙击穿电压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小一些，为此就得采取措施提高气体介质的电气强度。从使用角度出发，要提高气隙的击穿电压通过两种途径：一是改善气隙中的电场分布，使之尽量均匀；二是设法消弱或抑制气体介质中的电离过程。具体方法有：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也就越大。改进电极形状（增大电极的曲率半径、消除电极表面的毛刺、尖角等）减小气隙中的最大电场强、改善电场分布、提高气隙的击穿电压。具体措施有：(1) 增大电极的曲率半径利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法。许多高压电气装置的高压出线端具有尖锐的形状，须加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。最简单的屏蔽罩是球型屏蔽极；超高压线路上采用的扩径导线，超高压线路绝缘子串上安装的保护金具（均压环）都是在超高压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(2) 提高电极表面的光洁度，消除局部强场2． 增高气压减小λe ，阻碍游离在一定的气压范围内有效，超出则饱和 。提高气压会大大减小电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程，使气体的电气强度得到提高。如果在采用高压的同时再以某些高强度的气体（例如SF6 气体）来替代空气，能获得更好的效果。3．采用高真空 高真空可以减弱气体的碰撞电离过程从而显著提高气隙的击穿电压。在极间距离较小时，高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用。
4．采用高耐电强度气体在众多气体中，有一些含卤族元素的强电负性气体（例如六氟化硫（SF6）、氟里昂（CCl2F2）等）的电气强度特别高可称为高电器强度气体。采用这些气体来代替空气可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高电气性能。原因：a．分子量大，分子直径大，不易撞击游离b．很强的电负性，俘获电子成负离子这类气体要在工程上获得应用除电气强度高外，还必须满足其它方面的要求，如：(1) 液化温度要低(2) 良好的化学稳定性(3) 有实用的经济性同时满足上述条件的气体是很少的，工程上唯一广泛应用的是SF6 ，它还具有优异的灭弧能力。*SF6 应用最广泛。其特性为：(1) 无色，无味，无毒，不燃的惰性化合物 ;－40 ℃ <θ<80 ℃， P<0.6MPa 范围内气态占优势 ;500 ℃高温持续作用下不会分解 ;中等压力下可被液化 , 便于储藏和运输(2) 适用范围：均匀电场和稍不均匀电场在极不均匀电场中 , 持续的局部放电使 10% 的 SF6离解 ,分解物有很大的腐蚀性。用于： SF6断路器，电容器，高压充气电缆， SF6全封闭组合电器§3-5气体电介质中的沿面放电一般指气体介质中沿固体表面的放电现象，也称闪络一、沿面放电的一般概念一切导体都要靠固体绝缘装置（各类绝缘子）固定，这些固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用。它们丧失绝缘功能有两种可能：一是固体介质本身的击穿。二是沿着固体介质表面发生闪络。电力系统的外绝缘一般都是自恢复绝缘，绝缘子闪络或空气间隙击穿后，它们的绝缘性能很快自动恢复。实验表明：沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取决与沿面闪络电压。在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时，沿面闪络电压其者决定性作用。在表面潮湿污染的情况下，沿面闪络电压会更低。
二、沿面放电的几种典型情况固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型三种情况。（1） 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，这种情况在工程中比较少见，但实际结构中会遇到固体处于稍不均匀电场中、且界面与电力线大致平行的情况。此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似（2）固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量En比平行于表面的切线分量 Et大得多如右上图（3）固体介质处于极不均匀电场中，但大部分分界面上的电场切线分量Et大于垂直分量 En右下图。三、均匀和稍不均匀电场中的沿面放电。情况1中，虽界面与电力线平行，但沿面闪络电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下：（1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子眼固体介质表面移动，畸变了原有电场。可采用在固体介质表面喷吐导电粉末的办法消除。（2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动，降低了闪络电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。（3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。由上述分析可知，为了提高该条件下的沿面闪络电压，应注意固体电介质与电极的紧密结合。同时也看到空气的湿度及固体电介质表面吸附水分的能力对闪络电压有较为显著的影响。湿度越大或固体电介质越容易吸附水分，则闪络电压越低。由于引起电场畸变的离子移动，电荷集聚都需要一定的时间，因此工频或直流下的沿面闪络电压要比雷电冲击电压下的闪络电压要低。四、极不均匀电场1、界面电场具有强垂直分量时的沿面放电在电压还不高时，
