气体介质的电气强.pptx
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1、高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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靠的。掌握气体介质的电气强度及其各种影响因素,了解提高气体介质电气强度的途径和措施非常重要。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系通常都采用实验的方法来求取某些典型电极所构成的气隙的击穿特性,以满足工程实用的需要。典型电极如:“棒一板棒一板”电极电极 “棒一棒棒一棒”电极电极 “球一球球一球”电极电极 同轴圆筒电极同轴圆筒电极高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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/cm v极不均匀电
2、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操作过电压高电压技术三峡电力职业学院动力工程系第一节 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性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同轴圆筒高电压技术三峡电力职业学院动力工程系一、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系均匀电场:两个电极形状完全相同且对称布置,因而不存在极性效应。均匀电场中各
3、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 击穿电压的分散性很小,伏秒特性很快就变平,冲击系数1高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 图2-1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:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系由上式或图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)高电压技术三峡电力职
4、业学院动力工程系二、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1,冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压相等。1、球间隙 若球间距离d,球极直径为D dD/4时,不均匀度增大,大地影响加大 一般取d D/2范围内工作高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系小 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高电压
5、技术三峡电力职业学院动力工程系第二节 极不均匀电场气隙的击穿特性直流电压 工频交流电压 雷电冲击电压 操作冲击电压高电压技术三峡电力职业学院动力工程系“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:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系一、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系
6、二、工频交流电压升压方式: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穿电压值的3。“棒-棒”气隙的工频击穿电压要比“棒-板”气隙高一些,因为相对而言,“棒-棒”气隙的电场要比“棒-板”气隙稍为均匀一些。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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
7、验结果。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系当气隙的击穿场强“饱和”时,再增大“棒-板”气隙的长度,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,其标准偏差值不会超过2%-3%。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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、雷电冲击电压高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 气隙长度更大的实验结果见图29。对于1.2/50uS标准冲击
8、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系四、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系(1)操作冲击
9、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 (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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系(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
10、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系小 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高电压技术三峡电力职业学院动力工程系对空气密度的校正 对湿度的校正 对海拔的校正第三节 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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
11、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系压力: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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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
12、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:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系一、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.高电压技术三峡电力职业学院动力工程系实验表明,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
13、大气条件下,气隙的击穿电压随 的增大而提高。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系气隙不很长(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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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,
14、具体取值国家标准中有规定。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系二、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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系在极不均匀电场中,湿度的影响就很明显了
15、,这时可以用下面的湿度校正因数来加以修正:式中的因数k与绝对湿度和电压类型有关,而指数之值则取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系三、对海拔的校正 我国幅员辽阔,有不少电力设施(特别是输电线路)位于高海拔地区。随着海拔高度的增大,空气变得逐渐稀薄,大气压力和相对密度减小,因而空气的电气强度也将降低。海拔高度对气隙的击穿电压和外绝缘的闪络电压的影响可利用一些经验公式求得。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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乘以海拔校正因数足
16、Ka即:而:式中H为安装点的海拔高度,单位是m。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系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。对空气密度、湿度和海拔,分别有不同的校正方法。小 结 高电压技术三峡电力职业学院动力工程系第四节 提高气体介质电气强度的方法改进电极形状以改善电场分布 利用空间电荷改善电场分布 采用屏障 采用高气压 采用高电气强度气体 采用高真空高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 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得小一些,为此就应采取措施来提高气体介质的电气强度。从实用角度出发,要提高气隙的击穿电压不外乎采
17、用两条途径:改善气隙中的电场分布,使之均匀;设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系一、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。因此,可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度,以改善电场分布,提高气隙的击穿电压。如:增大电极的曲率半径 消除电极表面的毛刺 消除电极表面尖角高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法。以电气强度最差的“棒一板”气隙为例,如果在棒极的端部加装一只直径适当的金属球,就能有效地提高气隙的击穿电压。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 图2-13表明采用不同
18、直径屏蔽球时的效果,例如在极间距离为100cm时,采用一直径为75cm的球形屏蔽极就可使气隙的击穿电压约提高1倍。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 许多高压电气装置的高压出线端(例如电力设备高压套管导杆上端)具有尖锐的形状,往往需要加装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。屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始电压 大于装置的最大对地工作电压 ,即:高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极,它的半径R按下式选择:超高压输电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有:超高压线路绝缘子串上安装的保护金具(均压环)、超高压线路上采用的扩
19、径导线等。式中 :电晕放电起始场强。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系二、利用空间电荷改善电场分布 由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放电,所以在一定条件下,还可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布,以提高气隙的击穿电压。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系三、采用屏障 由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切有关,所以在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障,也是提高气体介质电气强度的一种有效方法。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷,这
20、样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小,从而使整个气隙的电场分布均匀化。屏障用绝缘材料制成,但它本身的绝缘性能无关紧要,重要的是它的密封性(拦住带电粒子的能力)。它一般安装在电晕间隙中,其表面与电力线垂直。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 如图(2-14),虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强度反而增大了,但其电场形状变得更象两块平板电极之间的均匀电场,所以整个气隙的电气强度得到了提高。高电压技术三峡电力职业学院动力工程系 有屏障气隙的击穿电压与该屏障的安装位置有很大的关系。以图215所示的“棒一板”气隙为例,最有利的屏障位置在x=(1/51/6)d处,这时该气隙的电气强度在正极性
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