1、第2章 不同電壓形式下空氣的絕緣特性,影響空氣間隙放電電壓的因素 電場情況:均勻場,稍不均勻場,極不均勻場 電壓形式:直流電壓,交流電壓,雷電沖擊電壓,操作沖擊電壓(本章討論問題) 大氣條件:氣壓,溫度,濕度等,第2章 不同電壓形式下空氣的絕緣特性,2.1 持續(xù)作用電壓下空氣的絕緣特性 2.2 雷電沖擊電壓下空氣的絕緣特性 2.3 操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性 2.4 提高氣體間隙擊穿電壓的措施,2.1 持續(xù)作用電壓下空氣的絕緣特性,2.1.1 均勻電場中空氣的絕緣特性 2.1.2 稍不均勻電場中空氣的絕緣特性 2.1.3 極不均勻電場中空氣的絕緣特性,持續(xù)作用電壓:直流和工頻的統(tǒng)稱,這類電壓

2、隨時間的變化速度較小,因此放電發(fā)展的時間可忽略不計; 沖擊電壓:包括雷電沖擊和操作沖擊電壓,其持續(xù)的時間極短,以微妙計放電發(fā)展時間不能忽略,間隙擊穿具有新的特點,在不均勻電場中尤其明顯.,2.1.1均勻電場中空氣的絕緣特性,均勻電場的擊穿特點: 擊穿前無電暈,無極性效應(yīng),直流交流和正負50%沖擊電壓的擊穿電壓相同,采用相同公式計算. 計算公式,當(dāng)間隙距離較大(d1cm)時,空氣的電氣強度大約等于30kV/cm. 當(dāng)間隙距離較大時,均勻電場不容易獲得,一般得到的是稍不均勻電場.,2.1.2 稍不均勻電場中空氣的絕緣特性,稍不均勻電場的擊穿特點:擊穿前無電暈,極性效應(yīng)不明顯,直流,工頻和50%沖擊

3、電壓的擊穿電壓幾乎一致. 稍不均勻電場的擊穿電壓與電場不均勻程度f關(guān)系很大,因此沒有統(tǒng)一的經(jīng)驗公式,只能根據(jù)類似的典型電極結(jié)構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)進行估算. 稍不均勻電場的擊穿電壓通常根據(jù)起始場強經(jīng)驗公式進行估算.,利用 f 取決于電極布置.下頁圖給出了幾種典型電極結(jié)構(gòu)下的電場不均勻系數(shù). 對于稍不均勻電場,當(dāng)Emax達到電暈起始場強E0時,U達到擊穿電壓Ub,從而得:,對稍不均勻場,E0不好求,可以采用E0 =30kV/cm進行估算.,對稍不均勻場,間隙擊穿電壓Ub即為電暈起始電壓Uc.,圖 幾種典型電極結(jié)構(gòu)示意圖及其不均勻系數(shù) 1 同心球 2 球-平板 3 球-球 4 同軸圓柱 5 圓柱-平板 6

4、圓柱-圓柱 7 曲面-平面 8 曲面-曲面,典型電極結(jié)構(gòu)的計算公式: 其中:E0電暈起始場強 Emax電極表面最大場強 f 電場不均勻系數(shù) Uc電暈起始電壓,(1),(2),(3),(4),(5),(6),2.1.3 極不均勻電場中空氣的絕緣特性,極不均勻場擊穿電壓特點: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.因此可以采取極端結(jié)構(gòu)的擊穿電壓數(shù)據(jù)進行分析估算. 典型的極不均勻電場極端結(jié)構(gòu): 棒-板(尖-板): 電場分布不均勻時 棒-棒(尖-尖): 電場分布均勻時,1.直流電壓下的擊穿電壓 極不均勻場中,直流擊穿電壓的極性效應(yīng)十分明顯. (1) 空氣間隙較小時,尖-板結(jié)構(gòu)

5、和尖-尖結(jié)構(gòu)的直流擊穿電壓與空氣間隙的關(guān)系.見下圖: 同樣間隙距離下,不同極性間,擊穿電壓相差一倍以上; 尖-尖結(jié)構(gòu)的擊穿電壓介于兩種極性的尖-板結(jié)構(gòu)的擊穿電壓之間,因為該電場有兩個強電場曲,同等間隙距離下,電場的均勻程度較好.,1.直流電壓下的擊穿電壓 極不均勻場中,直流擊穿電壓的極性效應(yīng)十分明顯. (2) 空氣間隙較大時,棒-板結(jié)構(gòu)的直流擊穿電壓與空氣間隙的關(guān)系.見下圖: 正棒-板:空氣間隙的電氣強度Eb4.5kV/cm; 負棒-板:空氣間隙的電氣強度Eb10kV/cm; 較大間隙距離0.5 3m的棒-棒結(jié)構(gòu),直流電壓下的擊穿場強為: Eb4.85.0kV/cm.,2. 工頻電壓下的擊穿電

6、壓 擊穿都發(fā)生在正半周期值附近,所以擊穿電壓與直流電壓下的正極性相似.見下圖:棒-棒及棒-板結(jié)構(gòu)工頻擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系曲線 間隙距離不太大時,擊穿電壓與間隙距離呈線性上升關(guān)系; 間隙距離很大時,擊穿電壓不再隨間隙距離增大而線性上升,呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象,這在棒-板結(jié)構(gòu)中尤為明顯. 以棒-板間隙為例: d=1m,Eb 5.23kV/cm(峰值) d=10m,Eb 2.1kV/cm(峰值),可見,間隙距離很大時,平均擊穿場強明顯降低,對棒-板結(jié)構(gòu)間隙表現(xiàn)明顯. 因此,在電氣設(shè)備上,應(yīng)盡量采用棒-棒類對稱型的電極結(jié)構(gòu),而避免棒-板類不對稱的電極結(jié)構(gòu). 關(guān)系曲線隨著實驗用的”棒”板”不同而有所不同,使用

7、時應(yīng)注意其實驗條件.,2.2 雷電沖擊電壓下空氣的絕緣特性,2.2.1雷電沖擊電壓的形成與標準波形 雷電沖擊電壓的形成 標準雷電沖擊電壓波形 2.2.2 放電時延 2.2.3 50%放電電壓 2.2.4 沖擊系數(shù)與伏秒特性 沖擊系數(shù) 伏秒特性及其制訂 伏秒特性的應(yīng)用,2.2.1雷電沖擊電壓形成與標準波形,1.雷電沖擊電壓的形成 (1)雷電放電概述 雷電現(xiàn)象是自然界中一種瞬間放電現(xiàn)象，同時伴隨有雷聲，具有高電流、高電壓、變化快、放電時間短、輻射強等特征。 雷閃:雷云中聚積了大量電荷而在大氣中引起的放電現(xiàn)象,分為云內(nèi)閃,云間閃和云地閃,對地面設(shè)備造成危害的主要是云地閃. 按雷電的發(fā)展方向可分為下行

8、雷和上行雷.下行雷是在雷云中產(chǎn)生,向大地發(fā)展;上行雷是由接地物體頂部激發(fā),向雷云方向發(fā)展.最常見的是下行雷. 雷電的極性是按照從雷云流入大地的電荷的符號決定.實際測量表明:無論什么地質(zhì)情況,絕大部分的雷電是負極性雷.,雷電的特征 *1 雷電具有很大的電流 每次雷擊閃電電流大小和波形有很大差別，尤其是不同種類放電差別更大。雷電流在流通過程中是變化的，其大小與地理位置、地質(zhì)條件、季節(jié)等因素都有關(guān)系。一般平原地區(qū)比山地雷電流大，正閃電比負閃電能量大，第一閃擊比隨后閃擊電流大。 *2 雷電具有很高的電壓 閃電電荷量是指一次閃電中正電荷與負電荷中和的數(shù)量。這個數(shù)量直接反映一次閃電放出的能量，也就是一次閃

9、電的破壞力。閃電電荷的多少是由雷云帶電荷情況決定的，與地理條件和氣象情況有關(guān)，也存在很大的隨機性。大量觀測數(shù)據(jù)表明，一次閃電放電電荷可從零點幾庫侖到1000多庫侖，這些電荷在微秒內(nèi)瞬時放電，所以，云層對大地之間的將電壓高達幾百萬到幾千萬伏。,雷電的特征 *3. 雷電波的能量主要集中在低頻范圍 從雷電波頻譜結(jié)構(gòu)可以獲悉雷電波電壓、電流的能量在各頻段的分布，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以估算被保護系統(tǒng)在其頻帶范圍內(nèi)雷電沖擊波的幅度和能量大小，進而確定防雷措施； 另一方面，可以根據(jù)它的頻譜特性來選擇合適的傳輸線。 根據(jù)雷電的標準波形，雷電流主要分布在低頻部分，隨頻率升高而遞減。在波尾相同時，波前越陡高次諧波越豐富

10、；在波前相同的情況下，波尾越長，低頻部分越豐富。根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以估算通信系統(tǒng)頻帶范圍內(nèi)雷電沖擊的幅度和能量大小，進而確定雷電防護措施。,雷電的特征 *4 雷電活動規(guī)律 雷電活動從季節(jié)來講以夏季最活躍，冬季最少，從地區(qū)分布來講是赤道附近最活躍，隨緯度升高而減少，極地最少。 雷災(zāi)事故的歷史資料統(tǒng)計和實驗研究證明，雷擊的地點以及遭受雷擊的部位是有一定規(guī)律，同一區(qū)域容易遭受雷擊的地點和部位有： 土壤電阻率較小的地方，如有金屬礦床的地區(qū)、河岸、地下水出口處、湖沼、低洼地區(qū)和地下水位高的地方； 山坡與稻田接壤處； 具有不同電阻率土壤的交界地段。,雷電的特征 *4 雷電活動規(guī)律 易遭受雷擊的建（構(gòu)）筑物：

11、高聳突出的建筑物，如水塔、電視塔、高樓等； 排出導(dǎo)電塵埃、廢氣熱氣柱的廠房、管道等； 內(nèi)部有大量金屬設(shè)備的廠房； 地下水位高或有金屬礦床等地區(qū)的建（構(gòu)）筑物； 孤立、突出在曠野的建（構(gòu)）筑物。 同一建（構(gòu)）筑物易遭受雷擊的部位： 平屋面和坡度的屋面，檐角、女兒墻和屋檐； 坡屋度1/10且1/2的屋面； 屋角、屋脊、檐角和屋檐； 坡度1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角； 建筑物屋面突出部位，如煙囪、管道、廣告牌等。,雷電的形成 雷電的形成與帶電的云層雷云的存在分不開，有關(guān)雷云形成至今尚未有一種被公認為無懈可擊的完整學(xué)說,目前比較完善的假說-威爾遜假說。 地球本身是一個電容器，攜帶穩(wěn)定的負電荷，地球上

12、空存在一個帶正電的電離層，兩者之間形成一個充好電的電容器，它們之間的場強為上正下負。 大量的水性質(zhì)點,如水滴,雪片等,在強烈氣流和地球引力場作用下具有不同的空氣動力學(xué)特性,最終造成了水性質(zhì)點強烈的荷電過程,在雷云的不同部位聚積了異號電荷,構(gòu)成電場.其綜合效果造成強烈的電荷分離能力,使雷云橫向擴展幾公里,縱向分離成兩個大的電荷中心.(下頁圖) 帶電云層構(gòu)成雷云空間電場，其方向和地面與電離層之間的電場方向一致，都是上正下負，因而加強了大氣的電場強度，使大氣中水成物的極化更厲害，在上升氣流存在的情況下，更加劇重力分離作用，使雷云發(fā)展得更快。,一般,雷云上層帶正電荷，下層帶負電荷。在云的最底部區(qū)域還可

13、能有正電荷的局部聚積. 實際上,氣流并不單是只有上下移動，而是比這種運動更為復(fù)雜。因此雷云電荷的分布也比上面講的要復(fù)雜得多。,尖端放電現(xiàn)象 當(dāng)天空中有帶大量電荷雷云的時候，由于靜電感應(yīng)作用，雷云下方的地面和地面上的物體都帶上與雷云相反的電荷。雷云與其下方的地面構(gòu)成一個已充電的電容器. 當(dāng)雷云與地面之間的電壓高到一定值，地面上突出的物體會放電，同時，天空帶電的雷云在電場的作用下，少數(shù)帶電微粒向地面靠攏，形成先驅(qū)注流,產(chǎn)生電離的微弱導(dǎo)通，這一階段稱為先驅(qū)放電。 先驅(qū)放電是不連續(xù)的，是一個一個脈沖的相繼向前發(fā)展。因為放電沿著空氣電離最強、最容易導(dǎo)電的路徑發(fā)展,因此先驅(qū)放電常表現(xiàn)為分枝狀。這些分枝狀的

14、先驅(qū)放電通常只有一條放電分支達到大地,形成雷擊, 開始主放電階段。,(2)下行的負極性雷通常分為3個主要階段: 先導(dǎo)放電 雷電先導(dǎo)與長間隙火花的先導(dǎo)性質(zhì)相似,下行負先導(dǎo)具有分級發(fā)展的特點.平均速度約為11058105m/s.先導(dǎo)過程持續(xù)約幾毫秒. 雷電先導(dǎo)通道高電導(dǎo),高溫的部分很狹窄,但是還有大量電荷分布在半徑相當(dāng)大的周圍空氣中,構(gòu)成外圍電離區(qū). 當(dāng)下行雷先導(dǎo)從雷云向建筑物方向發(fā)展時,從接地建筑物上可能產(chǎn)生向上的迎面先導(dǎo),影響了下行先導(dǎo)的發(fā)展路線,決定了雷擊點的位置.,(2)下行的負極性雷通常分為3個主要階段: 主放電 當(dāng)下行先導(dǎo)與大地短接時,進入主放電過程。在主放電中雷云與大地之間所聚集的大

15、量電荷，通過先驅(qū)放電所開辟的狹小電離通道, 發(fā)生猛烈的電荷中和，放出能量，以至發(fā)出突發(fā)的強烈的閃光和震耳的轟鳴雷響,主放電階段造成雷電放電最大的破壞作用. 主放電通道的起始過程 主放電通道向上延伸 徑向放電 主放電發(fā)展速度極快,約在0.07 0.5倍光速范圍內(nèi),離地越高,速度越慢; 主放電延續(xù)的時間很短,一般不超過100微秒; 電流峰值極大,達到 幾十幾百kA.電流瞬間值隨著主放電向高空發(fā)展逐漸減小,形成雷電流沖擊波形.,(2)下行的負極性雷通常分為3個主要階段: 余光 主放電后,云中的余量電荷沿雷電通道繼續(xù)流向大地,可以看到一片模糊的發(fā)光.稱為余光放電. 余光放電階段,電流逐漸衰減,約為10

16、3101A,延續(xù)的時間較長,約為幾個毫秒.,后續(xù)分量 先導(dǎo)放電,主放電和余光放電三個階段組成了下行負雷的第一個組成部分,稱為一個分量. 通常雷電流是重復(fù)的,第一分量之后還有幾個后續(xù)分量構(gòu)成重復(fù)放電. 每次負極性雷的分量數(shù)目多的可以達到10多個甚至20多個.相鄰分量之間的間隔時間約為幾十ms. 后續(xù)分量形成的原因: 由于雷云非常大，它各部分密度不完全相同，導(dǎo)電性能也不一樣,即雷云中存在多個電荷聚集中心,所以它所包含的電荷不能一次放完.第一次放電是由雷云最低層發(fā)出的，隨后放電是從較高云層、或相鄰區(qū)發(fā)出的。,后續(xù)分量組成: 仍然包括:先導(dǎo),主放電和余光三個階段. (1) 先導(dǎo)階段:總是沿著第一分量的

17、通道前進.因為原先通道沒有充分去電離,所以后續(xù)分量先導(dǎo)可以順利地連續(xù)前進,而不再需要分級發(fā)展了. (2) 主放電階段:與第一分量的主放電過程機理相同,只是電流較小,通常為第一分量的30% 50%,但電流波前時間比第一分量小的多,因此其電流上升最大陡度反而比第一分量的最大陡度大3 5倍,在電感性被擊物體上造成較高的過電壓. (3)余光階段: 每次雷電對地泄放電荷的總量是變化的,從不足1庫侖 幾百庫侖,平均約為35C,其中約有30% 50%是在余光放電階段中泄放入地.,后續(xù)分量 雷閃放電時,雷云對地的靜電電位很高,可以達到107108 V. 雷電沖擊電壓:雷云對地放電時,巨大的沖擊電流在接地阻抗上

18、產(chǎn)生的巨大的電壓降,或者極大的電流變化率在電感性被擊物體上產(chǎn)生的高電壓.另外,當(dāng)輸電線路附近落雷時,由雷電沖擊電流引起的電場,磁場的劇烈變化,也會在線路上感應(yīng)出很高的電壓. 因此,雷擊巨大的破壞力來自雷電沖擊電流.分量中的最大電流和電流最大增長率是造成被擊物過電壓,電動力,電磁脈沖等的主要因素;余光階段中流過的較長時間的電流是造成雷電熱效應(yīng)的主要因素.,采用沖擊電壓發(fā)生裝置產(chǎn)生沖擊電壓,人工模擬雷電沖擊下空氣間隙的擊穿,2 標準雷電沖擊電壓波形 雷電流具有沖擊波形特點:迅速上升,平緩下降.雷電流在接地阻抗上形成的雷電壓也具有沖擊波形特征. 國際電工委員會(IEC)制定 雷電沖擊電壓標準波形,分

19、為全波和截波兩種.截波是模擬雷電沖擊波被某處放電而截斷的波形. 全波沖擊試驗電壓如下圖所示,是非周期性沖擊電壓,波形先是很快上升到峰值,然后逐漸下降到零. 我國國家標準規(guī)定的波形參數(shù)與IEC推薦的一致:視在波前時間/視在半峰值時間=1.2/50微秒;對正負極性雷電沖擊波的標準波形規(guī)定是一樣的.,雷電沖擊電壓全波波形參數(shù)確定方法:GH視在波前時間T1(Tf)=1.2微秒,允許偏差30%;GK視在半峰值時間T2(Tt)=50微秒,允許偏差20%; 當(dāng)波形有振蕩時,取其平均曲線為基本波形,以此作為實驗電壓波形,峰值允許偏差3%;,波前截斷及波尾截斷的截波沖擊實驗電壓波形示意圖: 截斷時間Tc (25

20、微秒),截波峰值Uc,截斷時刻電壓Uj,截波電壓驟降視在陡度CD線的斜率,電壓過零系數(shù)U2/Uc(0.3)等.,2.2.2 放電時延,靜態(tài)擊穿電壓:長時間作用在間隙上,能使間隙擊穿的最低電壓. 沖擊電壓擊穿間隙的必要條件:沖擊電壓值大于靜態(tài)擊穿電壓. 沖擊電壓擊穿間隙的充分條件:需要足夠的擊穿時間.因為當(dāng)電壓上升到靜態(tài)擊穿電壓時,間隙并不馬上擊穿,而是還要經(jīng)過一段時間后才能擊穿. 擊穿時間:從開始加壓的瞬間起到氣隙完全擊穿為止的總的時間.由3部分組成(見下圖).,氣隙的擊穿時間由3部分組成:升壓時間,統(tǒng)計時延和放電形成時延,其中后兩者共稱為放電時延.,升壓時間t0:電壓從0升高到靜態(tài)擊穿電壓U

21、0所需時間; 統(tǒng)計時延ts:電壓從升到U0時刻起到氣隙中形成第一個有效電子的時間; 放電形成時延tf:從形成第一個有效電子時刻起到氣隙完全被擊穿的時間. 所謂”第一個有效電子”:電子能發(fā)展一系列的電離過程,最后導(dǎo)致間隙完全擊穿的那個電子. 氣隙中出現(xiàn)的自由電子并一定是有效電子,因為: 其可能被中性質(zhì)點俘獲,形成負離子,失去電離活力; 其可能擴散到間隙以外,不參加電離過程; 其即使引起電離過程,當(dāng)電離過程可能中途衰亡而停止.,當(dāng)短間隙,且電場比較均勻時, 放電時延統(tǒng)計時延. 統(tǒng)計時延具有統(tǒng)計性質(zhì),通常取平均值,稱為平均統(tǒng)計時延.其值與電壓,電場,外界照射都有關(guān),一般電壓 ,照射 ,則ts . 當(dāng)

22、長間隙,且電場不均勻時,放電時延中放電形成時延占主要部分.,2.2.3 50%放電電壓,當(dāng)幅值為Um的沖擊電壓加在間隙上,已知間隙的靜態(tài)擊穿電壓為U0時: UmU0,超過U0所持續(xù)的時間TU0,放電時延縮短,且T放電時延時,每次沖擊都能使間隙擊穿; 電壓在上述兩者之間,擊穿概率隨電壓的升高而提高. 存在一個電壓值,當(dāng)該電壓加到間隙上時,發(fā)生擊穿與不擊穿的概率各為50%,稱為該間隙的50%放電電壓 U50.對沖擊電壓,一般采用U50來衡量間隙的絕緣特性.,2.2.3 50%放電電壓,確定間隙的U50的方法: 保持標準波形不變,逐級升高電壓幅值,每級電壓值加10次,直到每10次中有46次擊穿,則此

23、電壓可作為該間隙大致的U50.每級加壓次數(shù)越多,所得的U50越準確. 采用多級法確定 采用50%放電電壓決定絕緣距離: 對外絕緣常用96%U50作為間隙的耐受電壓,其耐受概率為90%,即10次中有一次擊穿. 安全要求高的場合,可取91%U50作為間隙的耐受電壓,其耐受概率為99.85%. 典型結(jié)構(gòu)下(棒-棒結(jié)構(gòu),棒-板結(jié)構(gòu))的U50的實驗曲線(下圖所示).,棒-板間隙的極性效應(yīng)明顯;棒-棒間隙的極性效應(yīng)不大. 除了間隙很小的情況,擊穿電壓和間隙距離呈直線關(guān)系.,2.2.4 沖擊系數(shù)與伏秒特性,1 沖擊系數(shù): U50/U0 其中,50%放電電壓U50,靜電擊穿電壓U0. 均勻場和稍不均勻場,沖擊

24、系數(shù)=1.即直流擊穿電壓,交流擊穿電壓峰值和U50,靜電擊穿電壓U0三者相等. 由于放電時延短, 在U50下,擊穿通常發(fā)生在波形峰值附近. 極不均勻場, 沖擊系數(shù)通常1.由于放電時延較長,在U50下,擊穿通常發(fā)生在波形尾部.,2.2.4 沖擊系數(shù)與伏秒特性,2 伏秒特性及其制定 由于放電時延的影響,氣隙的擊穿需要一定的時間.對非持續(xù)作用的電壓,如脈沖電壓,氣隙的擊穿電壓與電壓作用的時間有關(guān). 同一個氣隙,沖擊電壓的峰值較低但延續(xù)時間較長,在此電壓作用下,可能被擊穿;沖擊電壓的峰值較高但持續(xù)時間較短,可能反而不被擊穿. 可見,在沖擊電壓下僅用單一的擊穿電壓值描述間隙的絕緣特性是不全面的.一般,用

25、間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和間隙擊穿時間的關(guān)系曲線來表示間隙的沖擊絕緣特性,此曲線稱為:間隙的伏秒特性.,伏秒特性的求取 保持一定波形而逐漸升高沖擊電壓的峰值.以每個等級沖擊電壓下的擊穿時刻和對應(yīng)沖擊電壓的峰值作為坐標,確定對應(yīng)的伏秒特性點.這些點連成的一條曲線就是該氣隙在該電壓波形下的伏秒特性曲線.,伏秒特性是以上下包線為界的帶狀區(qū)域.每級電壓下,放電時間小于下包線橫坐標所示數(shù)值的概率為0%,而小于上包線橫坐標所示數(shù)值的概率為100%,因此,上下包線相應(yīng)地稱為0%和100%伏秒特性. 工程上還采用50%伏秒特性曲線,又稱平均伏秒特性.繪制方法:在上下限間選取一個數(shù)值,即某電壓下的50%概率放電時

26、間.以該時間和該電壓為坐標,獲得的點,連成曲線即為50%伏秒特性曲線. 平均伏秒特性大致反映該間隙的伏秒特性,但應(yīng)注意其兩側(cè)有一定的分散區(qū)域. 同一個氣隙,對不同的電壓波形,其伏秒特性不一樣,一般情況下,指的是標準沖擊波下的伏秒特性.,伏秒特性的應(yīng)用 間隙伏秒特性的形狀取決于電極間電場的分布 (1) 極不均勻場中,平均擊穿場強較低,放電時延較長,其伏秒特性隨放電時間的減少有明顯上翹; (2) 均勻場和稍不均勻場中,平均擊穿場強較高,放電時間較短,伏秒特性比較平坦. 伏秒特性對于比較不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性有重要意義. 不同伏秒特性的氣隙并聯(lián)時,加上一個電壓導(dǎo)致其中某個氣隙被先擊穿,則電壓被短

27、接截斷,另一個就不會再被擊穿.利用這一點,可以采用保護裝置作為易被首先擊穿的氣隙,來保護對應(yīng)的電氣設(shè)備.,伏秒特性的應(yīng)用 兩個氣隙的不同伏秒特性曲線關(guān)系: 如下圖所示 圖2-19中,S2全面位于S1的下方,即任何電壓波形下,S2都比S1先被擊穿,可以可靠保護S1不被擊穿; 圖2-20中,當(dāng)沖擊電壓峰值較低,時延較長的區(qū)域,S2在S1下方,S2先被擊穿,S1可以得到保護;在沖擊電壓峰值很高,時延較短的區(qū)域,則S1先被擊穿,無法得到保護;而在交叉區(qū)域,可能S1先被擊穿,也可能S2先被擊穿. 因此,要保證S1能得到可靠的保護,則S2的伏秒特性顯然必須全面低于S1. 比如,在閥式避雷器等保護裝置中,保

28、護間隙都盡量采用均勻電場結(jié)構(gòu),以確保在各種電壓下,保護裝置的伏秒特性曲線都低于被保護設(shè)備.,2.3 操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性,2.3.1 操作沖擊電壓的形成與波形 操作沖擊電壓的形成 操作沖擊電壓波形 2.3.2 操作沖擊放電電壓的特點,2.3.1 操作沖擊電壓的形成與波形,1. 操作沖擊電壓的形成 操作沖擊電壓:電力系統(tǒng)的輸電線及電氣設(shè)備具有電感和電容性,由于系統(tǒng)運行狀態(tài)的突變,導(dǎo)致電感和電容元件間的電磁能轉(zhuǎn)換,引起振蕩性的過渡過程.該過程會在某些設(shè)備和電網(wǎng)上造成很高的電壓,遠遠超過正常運行的電壓,稱為操作過電壓. 操作過電壓的幅值,波形與電力系統(tǒng)的電壓等級有關(guān).過渡過程的振蕩基值=系統(tǒng)

29、運行電壓,電壓等級越高,操作過電壓幅值也越高. 這與雷電過電壓不同,后者取決于接地電阻,與系統(tǒng)電壓等級無關(guān).,過去認為,操作過電壓下的空氣間隙及絕緣子的閃絡(luò)電壓=操作沖擊系數(shù)工頻放電電壓,且波形的影響可忽略. 220kV及以下電壓等級的電力系統(tǒng),操作沖擊系數(shù)=1.1; 220kV以上電壓等級的電力系統(tǒng),操作沖擊系數(shù)=1. 隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高,操作沖擊下的絕緣問題越來越突出.近幾年來研究發(fā)現(xiàn),操作沖擊電壓下的氣體絕緣放電特性有許多新的特點,應(yīng)根據(jù)操作沖擊電壓波形下的放電電壓進行設(shè)計.,2. 操作沖擊電壓波形 該波形與電壓等級,系統(tǒng)參數(shù),設(shè)備性能,操作性質(zhì),操作時機等因素有關(guān). IEC和我

30、國國家標準:250/2500微秒(波前時間/半峰值時間)的操作沖擊電壓標準波形.如下圖所示. 當(dāng)標準操作沖擊波形不能滿足要求時,推薦采用: 100/2500微秒波形 500/2500微秒波形 另外建議一種衰減振蕩波:第一個半波的持續(xù)時間在2千3千微秒,反極性的第二個半波的峰值約為第一個峰值的80% 近年來,國際上趨向于采用:長波尾的非周期沖擊波來模擬操作過電壓的作用.,2.3.2 操作沖擊放電電壓的特點,操作沖擊電壓的作用時間: 介于工頻電壓與雷電沖擊電壓之間. 在均勻場和稍不均勻場中,操作沖擊50%放電電壓,雷電沖擊U50,直流放電電壓和工頻放電電壓等幅值幾乎相同,分散性不大,擊穿發(fā)生在峰值

31、附近. 在極不均勻場中,操作沖擊表現(xiàn)出許多的特點 U形曲線; 極性效應(yīng); 飽和現(xiàn)象; 分散性大; 鄰近效應(yīng); 操作沖擊50%放電電壓極小值經(jīng)驗公式,(1) U形曲線 實驗結(jié)果: 非振蕩操作沖擊電壓下,閃絡(luò)電壓隨著波前時間的增加而減少,在100500微秒范圍內(nèi)達到最小值;半峰時間對閃絡(luò)電壓影響較小.如圖所示. 原因:閃絡(luò)幾乎總發(fā)生在波峰前和波峰處.,(1) U形曲線 實驗結(jié)果: 臨界波前時間:當(dāng)該時間為定值,間隙的50%擊穿電壓為最小值.見圖:棒-板間隙距離d增大時,臨界波前時間隨之增大.在d7m的間隙,臨界波時間約在100300微秒范圍內(nèi). 間隙距離d越大,放電發(fā)展所需的時延越大,因此相應(yīng)的臨

32、界波前時間就越大.(圖2-23 棒-板氣隙的操作沖擊擊穿電壓),原因: (1) U形曲線左半支的上升特征 當(dāng)波前時間從臨界值減小,則放電發(fā)展時間縮短,放電時延減小,要求有更高的擊穿電壓才能實現(xiàn)擊穿; (2) U形曲線右半支的上升特征 當(dāng)波前時間從臨界值增大,留給放電發(fā)展的時間足夠長,再增大放電時間,對放電發(fā)展沒有意義; 另一方面,起暈棒極附近電離處的與棒極同極性的空間電荷,能有足夠的時間被驅(qū)趕到更遠處,造成附加電場減弱,則不利于放電的進一步發(fā)展,從而要求更高的擊穿電壓才能擊穿. 棒-板間隙的U形曲線最顯著,其他結(jié)構(gòu)間隙也大多存在該規(guī)律;伸長形電極(如分裂導(dǎo)線)形成的間隙最不顯著;正極性電壓比負

33、極性電壓顯著.,(1) U形曲線 實驗結(jié)果: 棒-板間隙在某種波前的操作波作用下的擊穿電壓甚至比工頻電壓還低很多.其他結(jié)構(gòu)的間隙也有這種情況,但程度較輕. 原因: 工頻半波相當(dāng)于波前時間5000微秒,該值位于U形曲線的右半支.因此,其擊穿電壓反而比臨界波前操作沖擊擊穿高. 這一點值得特別注意:對工程中各個氣隙尺寸的選定有極其重要的影響.,(2) 極性效應(yīng) 在不同的電場結(jié)構(gòu)中,正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負極性的低,因此更危險.一般討論時都指正極性情況. 在同極性的雷電沖擊標準波的作用下, 棒-板結(jié)構(gòu)間隙的擊穿電壓 棒-棒結(jié)構(gòu)間隙的擊穿電壓 在同極性的操作過電壓的作用下, 棒-板結(jié)構(gòu)間隙的

34、擊穿電壓 棒-棒結(jié)構(gòu)間隙的擊穿電壓 因此,設(shè)計高電壓電力裝置時,應(yīng)盡量避免棒-板型氣隙.,(3) 飽和現(xiàn)象 在操作過電壓作用下,長間隙的擊穿電壓呈現(xiàn)出顯著的飽和現(xiàn)象,特別是棒-板型氣隙飽和程度尤為明顯(見圖).這一點與工頻擊穿電壓的規(guī)律類似.而雷電過電壓下的飽和現(xiàn)象卻不明顯.,原因:工頻和操作波下,長間隙的作用時間長,先導(dǎo)形成后,放電更易于發(fā)展.而雷電沖擊時,作用時間太短,因此雷電的放電電壓與氣隙距離呈線性關(guān)系.,(4)分散性大 操作沖擊電壓作用下,氣隙的50%擊穿電壓的分散性大: 集中電極(如棒極)比伸長電極(如導(dǎo)線)更大; 波前時間較長的(如1000微秒以上)比波前時間較短的(如10030

35、0微秒)更大; 對棒-板間隙,對波前時間較長的,50%擊穿電壓的相對標準偏差8%,對波前時間較短的,5%. 雷電沖擊電壓下,分散性小的多,3%; 工頻電壓下,分散性更小, 2%,(5)鄰近效應(yīng) 電場分布對操作沖擊50%放電電壓影響很大: 接地物體靠近放電間隙,會顯著降低正極性的擊穿電壓,但也會部分提高負極性的擊穿電壓,稱為鄰近效應(yīng). (6)操作沖擊50%放電電壓極小值經(jīng)驗公式 正棒-板空氣間隙操作電壓的U性曲線中,50%放電電壓極小值U50.min與間隙距離d的關(guān)系,有以下經(jīng)驗公式: 其中,U50.min(kV),d(m) 對d=120m的長間隙,該公式與實驗結(jié)果十分吻合.,2.4 提高氣體間

36、隙擊穿電壓的措施,2.4.1 電極形狀的改進 2.4.2 空間電荷的利用 2.4.3 極不均勻場中屏障的采用 2.4.4 固體絕緣覆蓋層 2.4.5 高氣壓的采用 2.4.6 高真空的采用 2.4.7 高電氣強度氣體 (SF6 ) 的采用,高壓電氣設(shè)備中經(jīng)常遇到氣體絕緣間隙.為了減少設(shè)備尺寸,一般希望間隙的絕緣距離盡可能小.因此,必須采取措施,以提高氣體間隙的擊穿電壓. 提高氣體間隙擊穿電壓的方法: 改善電場分布,使之盡可能均勻 (1) 改進電極形狀 (2) 利用氣體放電本身的空間電荷畸變電場的作用. 利用其他方法來削弱氣體中的電離過程 在解決實際工程問題時,應(yīng)根據(jù)具體情況,決定采用合適的方法

37、.,2.4.1 電極形狀的改進,一般來說,電場分布越均勻,平均擊穿場強也越高.方法如下: 改進電極形狀,增大電極曲率半徑,來改善電場分布,提高間隙的擊穿電壓. 電極表面應(yīng)盡量避免毛刺,棱角等,以消除電場的局部增強現(xiàn)象. 如極不均勻電場不可避免,應(yīng)盡量采用對稱電場,如棒-棒類型. 極不均勻場中,經(jīng)常采用增大電極曲率半徑的方法來避免工作電壓下出現(xiàn)的強烈電暈放電.,工程上,常用的一些改變電極形狀來調(diào)整電場的方法,歸納如下:(見下頁圖) 增大電極曲率半徑,來減小表面場強: 如變壓器套管端部加球形屏蔽罩(a圖);采用擴徑導(dǎo)線,保證截面相同,半徑增大(b圖). 改善電極邊緣,以消除邊緣效應(yīng): 如電極邊緣做

38、成弧狀,或盡量使其與某等位面相近 (c圖). 使電極具有最佳外形,以此改善其電場分布: 如穿墻高壓引線上加金屬扁球,墻洞邊緣做成近似垂鏈線旋轉(zhuǎn)體(d圖). 調(diào)整電場,減低局部過高場強,對氣體間隙及其他各種絕緣結(jié)構(gòu)都可以提高其電氣強度.,改變電極形狀調(diào)整電場,2.4.2 空間電荷的利用,極不均勻電場中,間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象.在一定條件下(如持續(xù)作用的電壓),利用放電自身產(chǎn)生的空間電荷來改善電場分布,以提高擊穿電壓.但是擊穿前會出現(xiàn)持續(xù)的電暈現(xiàn)象,這在很多場合是不允許的. 導(dǎo)線-平板結(jié)構(gòu)的間隙, 在工頻電壓下,在一定的間隙距離范圍內(nèi),具有”細線”效應(yīng)(見下頁圖所示) : 導(dǎo)線直徑位16mm和

39、20mm時,擊穿電壓直線部分與尖-板間隙相近; 導(dǎo)線直徑位3mm和0.5mm時,擊穿電壓在很大范圍內(nèi)反而比直徑大的導(dǎo)線的擊穿電壓更高,特別是0.5mm直徑的導(dǎo)線的擊穿電壓曲線與均勻電場的接近;,2.4.2 空間電荷的利用,導(dǎo)線-平板結(jié)構(gòu)的間隙, 在工頻電壓下,當(dāng)間隙距離超過一定值時,細線也會產(chǎn)生刷狀放電,從而破壞均勻的電暈層,此后的擊穿電壓與尖-板結(jié)構(gòu)間隙的相近. 在雷電沖擊電壓下,沒有細線效應(yīng)(見下頁圖所示).,“細線”效應(yīng)分析 (1)當(dāng)導(dǎo)線直徑很小時, 導(dǎo)線周圍容易形成比較均勻的電暈層.電壓增加,電暈層也擴大.電暈放電所形成的空間電荷使電場分布發(fā)生改變.由于電暈層比較均勻,所以電場分布得到

40、改善,從而提高了擊穿電壓; (2)當(dāng)導(dǎo)線直徑較大時, 電極表面不可能完全光滑,總存在局部電場強的地方,從而存在電離局部強的現(xiàn)象. 另外,導(dǎo)線直徑大,則導(dǎo)線表面附近的強場區(qū)也較大,電離一經(jīng)發(fā)展就很強烈.局部電離的發(fā)展,加強了電離區(qū)前方的電場,而削弱了周圍附近的電場,從而該電離區(qū)得到進一步發(fā)展,電暈很容易進入刷狀發(fā)電. 因此擊穿電壓變小,并與尖-板間隙相近.,2.4.3 極不均勻場中屏蔽的采用,在極不均勻場的空氣間隙中,放入薄片固體絕緣材料(如紙板),在一定條件下,可以顯著提高間隙的擊穿電壓,這就是屏蔽作用. 屏蔽的效果與屏障位置,電壓類型有關(guān)(見下頁圖). 正尖-板間隙,設(shè)置屏障間隙擊穿電壓顯著

41、提高.原因如下: 無屏障時,尖極附近形成的正極性空間電荷加強了前方電場,促進了電離區(qū)向前推進,因此擊穿電壓很低. 當(dāng)設(shè)置屏蔽后,正離子在屏障上聚集,因為同號電荷相斥,正離子在屏障表面分布較均勻,從而在屏障前方形成較均勻電場,改善了整個間隙的電場分布,因此可以提高擊穿電壓. 當(dāng)屏障靠近尖極時,屏障與板極尖的均勻電場區(qū)擴大,間隙的擊穿電壓上升;但屏障離尖極過近時,屏障上的正電荷分布不再均勻,屏障前方又出現(xiàn)極不均勻電場,屏蔽作用減弱.,2.4.3 極不均勻場中屏蔽的采用,對負尖-板間隙,屏障的作用效果 某些部分與正尖-板相似,但是有許多不同的地方,說明如下:(見下圖) 當(dāng)屏蔽較靠近板極處,間隙擊穿電

42、壓反而降低. 因為無屏障時,負離子擴散于空間,部分消失于電極,影響電場分布的主要是正離子,它削弱了前方的電場.但是設(shè)置屏障后,屏障上聚集大量的負離子影響了電場分布,加強了前方電場.因此屏障較遠離尖極后,設(shè)置的屏障反而減低了間隙的擊穿電壓. 當(dāng)屏障離尖極過近時,仍然具有屏障作用. 因為電子速度高,可以穿透屏障,從而屏障上無法聚集大量負電荷,而屏障另一邊由電離造成的正電荷被屏蔽阻擋,使屏蔽帶正點,因此屏蔽和板極間的電場被削弱,當(dāng)屏障緊靠尖極時,仍具有屏蔽效應(yīng).,尖-板間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系曲線:直流電壓下,尖-板間隙的擊穿電壓和屏障位置的關(guān)系曲線:工頻電壓下,尖-板間隙的擊穿電壓和屏障位置

43、的關(guān)系曲線:雷電沖擊電壓下,尖-板間隙中,屏蔽作用與電壓種類有關(guān). 直流電壓下,設(shè)置屏障后的擊穿電壓得到提高.其中,正尖-板間隙的擊穿電壓提高顯著. 工頻電壓下,設(shè)置屏障后的擊穿電壓得到顯著提高. 因為在無屏障時,尖-板間隙中,都是在尖極為正極性的半周內(nèi)發(fā)生擊穿.因此,設(shè)置屏障后,間隙的擊穿電壓得到顯著提高. 雷擊沖擊電壓下, 正尖-板間隙時,屏障可以顯著提高間隙的擊穿電壓;負尖-板間隙時,間隙的擊穿電壓與無屏障時相近. 雷電沖擊電壓的作用時間極短,屏障上來不及聚集大量的空間電荷,因此其屏障作用與持續(xù)作用的電壓下的原理不同. 有人假設(shè):屏障防礙了光子的傳播,從而影響了流注的發(fā)展,提高了間隙的擊

44、穿電壓. 實驗表明,屏障上有小孔時,雷電沖擊電壓下,間隙的擊穿電壓不能提高;持續(xù)作用的電壓下,對屏障效應(yīng)的影響很小(屏障過分靠近尖極情況除外).,屏蔽作用發(fā)生在極不均勻場中,效果明顯. 在均勻電場和稍不均勻電場中,設(shè)置屏障并不能提高氣體間隙的擊穿電壓. 因為這種電場中,擊穿前沒有電暈放電階段,且擊穿前間隙中各處場強都很高,所以屏障不能聚集空間電荷而起改善電場的作用,以不能防礙流注的發(fā)展,因此,屏障起不了提高擊穿電壓的作用.,2.4.4 固體絕緣覆蓋層,在稍不均勻電場中,在高場強電極表面覆蓋固體紙絕緣層,能顯著提高間隙擊穿電壓. 對上述在電極上覆蓋絕緣層來提高氣隙擊穿電壓的研究,還有待進一步深入

45、.,2.4.5 高氣壓的采用,采用改善電場分布,來提高擊穿電壓的方法,其平均擊穿場強仍然大氣壓下空氣的電氣強度(約30kV/cm),這個數(shù)值并不高. 因此,采用另一種措施:削弱氣體中的電離過程,來提高擊穿電壓. 比如在設(shè)備內(nèi)絕緣等有條件的情況下,提高氣體壓力,以減少電子的平均自由行程,從而削弱電離過程.,(1) 電場均勻程度的影響 均勻電場中,空氣間隙擊穿電壓與間隙距離,大氣壓力的關(guān)系,見下圖. 間隙距離一定,壓力 ,則擊穿電壓 ; 當(dāng)壓力增加到一定程度,擊穿電壓增加的幅度減小,說明此后再增加壓力效果下降.,(1) 電場均勻程度的影響 高氣壓下,電場的均勻程度對擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著多: 電場均勻程度 ,擊穿電壓 . 因此,采用高氣壓的電氣設(shè)備應(yīng)盡可能使電場均勻. 工程上實際采用的高氣壓值不會太大,原因如下: 氣壓太高時,擊穿電壓隨氣壓升高的規(guī)律不再符號巴申定律,壓力越大,分歧越大. 壓力越大,對容器的機械強度及密封等問題的要求也越高,大大增加了制造成本.,2.4.6 高真空的采用,目的:削弱電極間氣體的電離過程.因為,雖然電子的自由行程很大,但間隙中沒有氣體分子可