气体绝缘电气设备.ppt

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项目一：

高电压绝缘材料的认识项目一：

高电压绝缘材料的认识学习情境一：

气体绝缘材料的认识学习情境一：

气体绝缘材料的认识能用相关理论解释均匀电场和不均匀电场的击穿过程。

能区别在不同电场、不同性质电压下，气体间隙的击穿特性。

能正确运用各种提高气体间隙击穿电压的方法。

教学目标气体放电的发展过程比较复杂、影响因素很多，因而要想气体放电的发展过程比较复杂、影响因素很多，因而要想用理论计算的方法来求取各种气隙的击穿电压是相当困难和不可用理论计算的方法来求取各种气隙的击穿电压是相当困难和不可靠的。

靠的。

掌握气体介质的电气强度及其各种影响因素掌握气体介质的电气强度及其各种影响因素,了解提高气体了解提高气体介质电气强度的途径和措施非常重要。

介质电气强度的途径和措施非常重要。

气体电气强度取决于：

电场形式v均匀或稍不均匀电场中，气体击穿场强为30kV/cmv极不均匀电场，达到30kV/cm出现电晕所加电压的类型v工频交流电压v直流电压v雷电过电压v操作过电压均匀直流电场的击穿特性稍不均匀电场气隙的击穿特性o球间隙o同轴圆筒均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性一、均匀直流电场的击穿特性如果平板间距很大，则为了消除电极边缘效应，必须将电极的尺寸选得很大，这是不现实的。

因此工程中一般极间距离（d）不大。

均匀电场只有一种，那就是消除了电极边缘效应的平板电极之间的电场。

均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场：

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。

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在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都相同击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数击穿电压的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数11图为实验所得到的均匀电场空气间隙击穿电压特性。

它也可用下页的经验公式来表示：

均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性kV-击穿电压峰值,kV-极间距离-空气相对密度上式完全符合巴申定律，因为它也可改写成：

均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性由上式或图2-1可知，随着极间距离d的增大，击穿场强Eb稍有下降，在d=110cm的范围内，其击穿场强约为30kV/cm。

相应的平均击穿场强：

（kV/cm）均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性二、稍不均匀电场气隙的击穿特性二、稍不均匀电场气隙的击穿特性与均匀电场相似，冲击系数接近与均匀电场相似，冲击系数接近11，冲击击穿电压与工频击，冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压相等。

穿电压及直流击穿电压相等。

11、球间隙、球间隙若球间距离若球间距离dd，球极直径为，球极直径为DDdD/4dD/4dD/4时，不均匀度增大，大地影响加大时，不均匀度增大，大地影响加大一般取一般取ddD/2D/2范围内工作范围内工作均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性2、同轴圆筒外筒内半径R=10cm，改变内筒外半径r之值，气隙起始电晕电压Uc和击穿电压随内筒外直径r变化规律如图2-3所示。

均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性小结均匀电场o消除电极边缘效应的平板电极o板间距离d一般不大o击穿特性符合巴申定律稍不均匀电场冲击系数接近1，冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压相等均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性直流电压工频交流电压雷电冲击电压操作冲击电压极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性“棒棒”气隙：

完全对称性“棒板”气隙：

最大不对称性其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之间。

对于实际工程中遇到的各种极不均匀电场气隙来说，均可按其电极的对称程度分别选用“棒-棒”或“棒-板”两种典型气隙的击穿特性曲线来估计其电气强度。

在各种各样的极不均匀电场气隙中：

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性一、直流电压“棒棒”和“棒板”击穿特性见图2-4。

可以看出：

“棒板”负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性二、工频交流电压二、工频交流电压升压方式：

升压方式：

电压慢电压慢慢升高，直至发生击穿。

升压的速率一般控制在每秒升高预期击电压慢电压慢慢升高，直至发生击穿。

升压的速率一般控制在每秒升高预期击穿电压值的穿电压值的33。

“棒棒-棒棒”气隙的工频击穿电压要比气隙的工频击穿电压要比“棒棒-板板”气隙高一些，因为相对而言，气隙高一些，因为相对而言，“棒棒-棒棒”气隙的电场要比气隙的电场要比“棒棒-板板”气隙稍为均匀一些。

气隙稍为均匀一些。

图2-6是空气中棒间隙的工频击穿电压与气隙长度的关系曲线，可以看出，在气隙长度d不超过1m时，“棒-棒”与“棒-板”气隙的工频击穿电压几乎一样，但在d进一步增大后，二者的差别就变得越来越大了。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性图2-7是空气间隙更长时的试验数据，为了进行比较，图中同时绘有“导线-导线”和“导线-杆塔”空气间隙的试验结果。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性从图中可以看出，随着气隙长度的增大，“棒-板”气隙的平均击穿场强明显降低，即存在“饱和”现象。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性当气隙的击穿场强当气隙的击穿场强“饱和饱和”时，再增大时，再增大“棒棒-板板”气隙的长度，气隙的长度，已不能有效地提高其工频击穿电压。

已不能有效地提高其工频击穿电压。

各种气隙的工频击穿电压分散性一般不大，其标准偏差各种气隙的工频击穿电压分散性一般不大，其标准偏差值不会值不会超过超过2%-3%2%-3%。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性在1.5/40uS雷电冲击电压作用下，“棒-棒”和“棒-板”气隙的50冲击击穿电压与极间距离d的关系如图28所示。

三、雷电冲击电压极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性气隙长度更大的实验结果见图29。

对于1.2/50uS标准冲击电压波上述两图亦适用。

由图可见，“棒板”气隙的冲击击穿电压具有明显的极性效应，棒极为正极性的击穿电压比负极性时数值低得多。

“棒板”气隙的极性效应对击穿特性的影响比“棒棒”气隙的要大。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性四、操作冲击电压我国采用如图117所示的250/2500us标准操作冲击波形。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性随着输电电压的不断提高：

额定电压超过220kV的超高压输电系统，应按操作过电压下的电气特性进行绝缘设计超高压电力设备也应采用操作冲击电压来进行高压试验下面来看一下极不均匀电场长气隙时操作冲击电压下的击穿具有的特点：

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性

（1）操作冲击电压波形对气隙的电气强度有很大的影响，击穿电压U50%（s）与波前时间Tcr的关系曲线呈现“U”形，在某一最不利的波前时间Tc下，出现极小值。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性

（2）气隙的操作冲击电压不但远低于雷电冲击电压，在某些波前时间范围内，甚至比工频击穿电压还要低。

各种类型作用电压下，以操作冲击电压下的电气强度最小。

在确定电力设施的空气间距时，必须考虑到这一重要情况。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性（4）操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性都要比雷电冲击电压下大得多。

（3）极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和特征”，而其雷电冲击击穿特性却是线性的。

电气强度最差的正极性“棒板”气隙的饱和现象最为严重，尤其是在气隙长度大于5m以后，这对特高压输电技术来说，是一个极其不利的制约因素。

极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性小结直流电压下“棒板”负极性击穿电压大大高于正极性击穿电压工频交流电压下“棒-棒”气隙的击穿电压要比“棒-板”气隙高一些雷电冲击电压下“棒板”电极，棒极为正极性的击穿电压比负极性时数值低得多掌握操作冲击电压下击穿特点极不均匀电场气隙的击穿特性极不均匀电场气隙的击穿特性对空气密度的校正对湿度的校正对海拔的校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性均对应于标准大气条件和正常海拔高度。

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。

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。

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正压力：

p0=101.3kPa（760mmHg）；温度：

t0=20摄氏度或T0=293K；绝对湿度：

hc=11g/m3。

国标规定的大气条件：

正由于此，在不同大气条件和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。

上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外绝缘的沿面闪络电压。

：

空气密度校正因数：

湿度校正因数实验条件下的气隙击穿电压与标准大气条件下的击穿电压之间关系：

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。

下面分别讨论各个校正因数的取值：

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正一、对空气密度的校正空气密度与压力和温度有关。

由教材第13页式（1-19）可知，空气的相对密度：

式中：

气压,kPa：

温度,K.大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正实验表明，当处于0.951.05的范围内时，气隙的击穿电压几乎与成正比，即此时的空气密度校正因数，因而：

在大气条件下，气隙的击穿电压随的增大而提高。

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正气隙不很长（例如不超过1m）时：

上式能足够准确地适用于各种电场型式和各种电压类型下作近似的工程估算。

更长的空气间隙：

击穿电压与大气条件变化的关系，并不是一种简单的线性关系，而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂复杂关系。

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正除了在气隙长度不大、电场也比较均匀或长度虽大、但击穿电压仍随气隙长度呈线性增大（如雷电冲击电压）的情况下，上式仍可适用外，其他情况下的空气密度校正因数应按下式求取：

式中指数m，n与电极形状、气隙长度、电压类型及其极性有关，其值在0.41.0的范围内变化,具体取值国家标准中有规定。

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正二、对湿度的校正正如上一章“负离子的形成”一段中所介绍的那样，大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也会增高。

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正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较大，电子的运动速度较快，不易被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显，可以忽略不计。

例如用球隙测量高电压时，只需要按空气相对密度校正其击穿电压就可以了，而不必考虑湿度的影响。

大气条件对气隙击穿特性的影响及校正大气条件对气隙击穿特性的影响及校正在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这时可