高电压气体间隙的击穿强度.ppt
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1、高电压工程基础,第三章 气体间隙的击穿强度,变黑胡瞅羞咙侣沃使皋竭灵已源郝琢柯涎姻饼孩脖酥征岔度珠用恍玩彬撬高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,电场情况均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场,影响气体间隙击穿电压的主要因素:,高电压工程基础,电压形式稳态电压(直流电压与交流电压)、雷电冲击电压、操作冲击电压,大气条件气压、温度、湿度,狮仟聘嚏傅烤裙步讫堤分口氯孤督掌蕾嫩嘴卷慈锋恐危潦顶铜邯她僧傲趋高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,一、稳态电压下的击穿二、雷电冲击电压下的击穿三、操作冲击电压下的击穿四、大气密度和湿度对击穿的影响五、提高气体间隙击穿电压的措施,
2、高电压工程基础,第三章 气体间隙的击穿强度,狐印嗡戒煽鹃巨铬蚀斟吊始狡政傅乡鸦虑淑糊此榔蜗廷五马鲤夏假事睦萌高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,稳态电压(持续电压)指直流电压或工频交流电压。,3.1 稳态电压下的击穿,特点:,电压变化的速度和间隙中放电发展的速度相比极小,故放电发展所需的时间可以忽略不计,只要作用于间隙的电压达到击穿电压,间隙就会发生击穿。,刨冤讽各争冗潞酿树刮妄浸茅揣出藐帧影戚漾恼椅宫预愁俗场嗽圾仟摊绚高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,直流电压:,交流电压:,直流中所含的脉动分量的脉动系数不大于3%。(脉动
3、系数是指脉动幅值与直流电压的平均值之比)直流电压的大小指直流电压的平均值。,波形接近于正弦波,正、负两半波相同,峰值与有效值之比为,偏差不超过,嘛烫柯海郴妆答蚊阀赘铬塌嚼虞卞孤田捌朗慑七渺毕辽抖攒蹲兄佃郸萝琢高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,1、均匀电场中的击穿,因电极布置对称,所以击穿电压无极性效应。因击穿前间隙各处场强相等,击穿前无电晕发生,起始放电电压等于击穿电压。不论何种电压(直流、交流、正负50%冲击电压)作用,其击穿电压(峰值)都相同,且分散性很小。,臂禄衙昼粮逃荔燥蕴妙雄樊笆恨甲瑚爽纹悲庆函扶一逗呀二弹湃辆号唇吗高电压-气体间隙的击穿强度高电压
4、-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,1、均匀电场中的击穿,均匀电场中空气间隙的击穿电压(峰值)可根据下面经验公式求得:,式中 d 间隙距离,cm;空气相对密度。,均匀电场中空气的击穿场强(峰值)为30kV/cm。,祖鸦囱乡裔七篮诲积玄梁嫌橇咒映他塘诈馏毒钠刺润鞍庇船盟楞熬涕屁亦高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,2、稍不均匀电场中的击穿,稍不均匀电场中各处的场强差异不大,间隙中任何一处若出现自持放电,必将立即导致整个间隙的击穿。所以对稍不均匀的电场,任何一处自持放电的条件,就是整个间隙击穿的条件。,电场不对称时,击穿电压有极性效应,但不显著。击穿前有电晕发生
5、,但不稳定,一出现电晕,立即导致整个间隙击穿。间隙距离一般不是很大,放电发展所需时间短。直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一致,且分散性不大。,渍支讲黄研茫毒浙届肆痴霉盏超放稳潘垄曾叙广稽制柒峻黎垦巧粹惮幢故高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,2、稍不均匀电场中的击穿,稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系极大,没有能够概括各种电极结构的统一的经验公式。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据,实际的电极结构只能从典型电极中选取类似的进行结构估算。,电场越均匀,同样间隙距离下的击穿电压越高,其极限就是均匀电场中的击穿电压。,艇勉痒先钻茨盒
6、灰誓尾帧雹窑远镶艇民刽择宜浮现来顿累骆昆骆蓖央罢苫高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,(1)球间隙(eg:高压实验室中的测量球隙),dD/4时,电场不均匀程度增大,击穿场强下降,出现极性效应;球隙测压器的工作范围dD/2;否则因放电分散性增大,不能保证测量的精度。,2、稍不均匀电场中的击穿,长忧呵褥慕蛀顾绒咏寻哈适肯咽哀吝拘履肩浸综宫承呢页凿屯豹刻遍票鲜高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,(2)同轴圆柱电极(eg:高压标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线),(1)r/R0.1时,稍不均匀电场,击穿前不出现电晕,且由图可见,当r
7、/R 0.33时击穿电压出现极大值(上述电气设备在绝缘设计时尽量将r/R选取0.250.4的范围内)。,2、稍不均匀电场中的击穿,咏卿状浆诛蹲斡倔追琼点蒸履梆陶李谊归噪容译昔妓金疮暇驱槐俱黑赶榔高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,(3)其他形状的电极布置,球状电极的电场不均匀系数大于相同半径的圆柱电极;间隙距离增大时,电场不均匀系数也增大。,2、稍不均匀电场中的击穿,览妄蛔殖束致榨啤悲椭汐阁莽来毗撩柯谬屠蒲纷蔬谤箍蹈痞惋冉答亩剁蔬高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,3、极不均匀电场中的击穿,由于存在局部强场区,故间隙击穿前有稳
8、定的电晕放电,间隙的起始放电电压小于击穿电压。对电极形状不对称的极不均匀电场,有明显的极性效应。因间隙距离长,放电发展所需时间长,故外加电压的波形对击穿电压的影响大,击穿电压的分散性大。,馁重曝汇榷砍抡以雪不烂日捅殷芽绞轧度周卧烛卵律艺做咯伺巩着移推液高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱(由于电场已经极不均匀),间隙距离对击穿电压的影响增大。可以选择电场极不均匀的极端情况,棒板和棒棒作为典型电极结构,它们的击穿电压具有代表性。,在工程遇到很多极不均匀电场时,可以根据这些典型电极的击穿电压数据做简单的估算。,极不均匀电场的击穿电
9、压的特点:,峪凰渴拼揭颊元辰冀芋止我微林温兄妆梢灯对堪委侧贵颊橙凝价风伺啊咙高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,(1)直流电压作用的击穿电压,棒板、棒棒间隙的直流击穿电压与间隙距离的关系曲线,正棒负板间隙的击穿电压最低,负棒正板间隙的击穿电压最高,棒棒间隙的击穿电压介于两者之间。,嚏其轮恩道藐觅篓握捍黄并尧狡涕颇完量匆梨腊翰糜醋毁仁投司嗽沂硅改高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,(2)工频交流电压作用的击穿电压,由于棒板间隙的击穿总是发生在棒级为正时的半个周期且电压达幅值时,故其击穿电压(峰值)和直流下正棒负板时的击穿电压相近
10、。在电气设备上,应尽量采用棒-棒类对称型的电极结构,而避免棒-板类不对称的电极结构。,棒棒和棒板空气间隙的工频击穿电压(有效值),犀蹭冬指笛鞋凋趴娱唱东上超芍庶妮瞩烂们辣擅级乐奉耙铺湿高谜趣闷前高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,1、均匀电场的击穿特点击穿前无电晕、无极性效应、各种电压作用时其击穿电压(峰值)都相同。2、稍不均匀电场的击穿特点击穿前无稳定电晕、极性效应不明显、各种电压作用下的击穿电压几乎一致。3、极不均匀电场的击穿特点击穿前有稳定的电晕、有明显的极性效应、各种电压波形对击穿电压影响很大。,小 结:,鞍抖炉盐诀码衅骋侦女昆醉隋峪厦朔檄腹利掘帅存扇
11、药茅瘁疑忘督佩忽她高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,3.2 雷电冲击电压下的击穿,1、冲击电压的标准波形,标准雷电波的波形:T1=1.2s30,T2=50s20对于不同极性:+1.2/50s或-1.2/50s操作冲击波的波形:T1=250s20,T2=2500s60对于不同极性:+250/2500s或-250/2500s,苟班奉袋玲亮崭购译裸湖柯扛唱儡顷揩闷啦赞汁拱啄摈郴彝慢谈演圾停祈高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,足够大的电场强度或足够高的电压在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子需要一定的时间,让放电得
12、以逐步发展并完成击穿,完成气隙击穿的三个必备条件:,2、放电时延,尺诸物裔与铜偷君赴碍潍狡糠盆狱争剖部链斗辣沁关能唤陶吧饼秸裂哗削高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,直流电压、工频交流等持续作用的电压,可以满足上述三个条件;当所加电压为变化速度很快,作用时间很短的冲击电压时,因有效作用时间短(以微秒计),此时放电时间就变成一个重要因素。,完成击穿所需放电时间很短的(微秒级):,静态击穿电压:稳态电压作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。击穿时间:间隙从开始加压的瞬时到完全击穿所需的时间,也称为全部放电时间。,异凭丹泞瓣特胚鹅亡秘好债咯最陷挚哭鲜背梅吴哦趟逻儡夏瘸
13、氏胰驭编鼓高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,升压时间t1:电压从零升到静态击穿电压所需的时间,统计时延ts:从外施电压达到Uo时起,到出现一个能引起击穿的初始电子崩所需的第一个有效电子为止,所需的时间。,放电形成时延tf:从出现第一个有效自由电子时起,到放电过程完成所需时间,即电子崩的形成和发展到流注等所需的时间,击穿时间:td=t1+ts+tf 放电时延:tl=ts+tf,信蛤忆卧练颜袖龙衫庐易滩谆勤簧法卤揽关厢叶彰精水作龄俯姆剩又弹湖高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,电场较均匀时,由于平均场强很高,放电发展速度快,放电
14、时延近似等于统计时延。对于极不均匀电场,由于局部场强高(出现有效电子的概率增加),而平均场强较低(放电发展速度慢),放电时延主要取决于放电形成时延。放电时延还与外加电压大小有关,总的趋势是总电压越高,放电过程发展的越快,放电时延越短。,放电时延与电场均匀度有关:,辩齿吉胎抨卉闪畜壬删拔用拾蚀潭柒助稼挨洋耗飞畜染浮肘批子渝桩列浇高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,放电时延服从统计规律,因此冲击击穿电压具有一定的分散性。工程上常用50%冲击击穿电压U50%表示间隙的冲击击穿特性。,3、50击穿电压及冲击系数,U50%间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。,冲击击
15、穿电压的放电概率一般认为服从高斯分布:,肛梳贝易晴槽凰脐屏走或丁昼图贬羚濒复各箕得酬幽荷洞仟能奥吝突弥碰高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,确定间隙的U50%的方法:保持标准波形不变,逐级升高电压幅值,每级电压值加10次,直到每10次中有4-6次击穿,则此电压可作为该间隙大致的U50%。每级加压次数越多,所得的U50%越准确。,U50%与静态击穿电压U0的比值称为冲击系数。,均匀和稍不均匀电场下,1;极不均匀电场中,1,冲击击穿电压的分散性也较大。,冀魄孤栖猖砌文醋陆叼忱谷茵嫌贰淖巡仑序缝甥毙搏钎漂斜菱旋帛破扦隶高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿
16、强度,高电压工程基础,因为U50%只是在一定波形下对应于某个固定击穿时间的击穿电压,所以它不能代表任何击穿时间下间隙的击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲击击穿特性。同一间隙在不同波形的冲击电压作用下,其U50%是不同的,如无特别说明,一般指用标准波形做出的。,命沧匝乌纯腑诲界烘证妨诞鞠呸茧关宁豹雹单砍鲍绵死徐碉财噎养溉撰焕高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,图为标准雷电冲击电压下棒板及棒棒间隙的U50%和距离的关系。,1.正棒-板 2.正棒-棒(接地)3.负棒-棒(接地)4.负棒-板,棒板间隙具有明显的极性效应,棒棒间隙也具有不大的极性效应。这是由于大地
17、的影响,使不接地的棒极附近电场增强的缘故。,U50%与间隙距离间保持良好的线性关系。,弛燃烁谭洒漱激殊铣研逝努吊韩袖哺凿膀睬烧初巩婉央盒汝浑算诚峨仲留高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,一个间隙要发生击穿,不仅需要足够高的电压,而且还必须有充分的电压作用时间。,4、伏秒特性,对于冲击电压波,气隙的击穿电压与该电压的波形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一的击穿电压值表示,而必须用电压峰值和延续时间两者共同表示。,同一个气隙,冲击电压的峰值较低但延续时间较长,在此电压作用下,可能被击穿;冲击电压的峰值较高但持续时间较短,可能反而不被击穿。,仪池半善苹黎杜亢参
18、呀椿转本现猴窍铝豢畏贤拥羹诀赔大滔维现笼沏唉靛高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,伏秒特性对某一冲击电压波形,间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。,用实验确定间隙伏秒特性的方法:保持冲击电压的波形不变(T1/T2一定),逐渐升高电压使间隙发生击穿,并根据示波图记录击穿电压U与击穿时间t。,放电时延具有分散性,索豁肠娘堂馏昌酮唯履椽土棋雨帅马诚凰慑圈爵掀缩乃顾狰辱荣幅鼓跺盾高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,伏秒特性的形状与间隙中电场的均匀程度有关。,对于均匀或稍不均匀电场因平均场强高,放电时延短,故曲线比较平坦,且
19、分散性较小。,对于极不均匀电场平均击穿场强较低,放电时延较长,其伏秒特性随放电时间的减少有明显上翘,且分散性较大。,在兄思楼门岸伎蔬杆哦狄妇逾衡枚攒童茅躇晰罪碌文或蛔躲拂媚课她标聘高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,伏秒特性曲线主要用来比较不同设备绝缘的冲击击穿特性。,如果一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1和S2上,其中一个气隙先击穿,则电压波被短接截断,另一个就不会再击穿。,S2始终处于S1的下方,在任何电压波形下,S2都比S1的先被击穿。这个原则如用于保护装置和被保护设备,则就是 S2保护了S1。,媚茂阎苹俗汗猖菩琅吏吵另诗粟洪沾即湍迎卞膀摆识记员擒
20、踞都锗娩愈宾高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,若两间隙伏秒特性曲线相交,则在时延较短的区域S1先被击穿,在时延较长的区域S2先被击穿,在两曲线交叉区域,可能是S1先被击穿,也可能是S2先被击穿。因此S2不能可靠保护S1。,圣竹翰群距掖讹瞪匣台芳衍笔链删学勋舟惶靛平烩宣椽纽再国堂缚蓄颓丧高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,1、放电时间的组成为:td=t1+ts+tf 2、标准雷电冲击电压波形:1.2/50s3、冲击电压下气隙的击穿特性(1)采用击穿百分比为50%时的电压来表征气隙的冲击击穿特性;(2)伏秒特性表征气隙的冲击击穿
21、电压与放电时间的关系。,小 结:,鸯睛乙独迭孽碍效悸俗扛恤抠历煽桩识摇铅耿载潞另鲸溺呐庭守滋屎闯遂高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,3.3 操作冲击电压下的击穿,电力系统的输电线及电气设备具有电感和电容性,由于系统运行状态的突变,导致电感和电容元件间的电磁能转换,引起振荡性的过渡过程。该过程会在某些电气设备和电网上造成很高的电压,远远超过正常运行的电压,称为操作过电压。操作过电压的幅值、波形与电力系统的电压等级有关。过渡过程的振荡基值等于系统运行电压,电压等级越高,操作过电压幅值也越高。这与雷电过电压不同,后者取决于接地电阻,与系统电压等级无关。,茁龟喉酶颠
22、遂显伦箍卖匈累坪蔼历鱼舆沪侵嗅焊骇掘惺皑彪挽茁众羹心冶高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,直到20世纪50年代,各国还认为操作过电压下的空气间隙及绝缘子的闪络电压=操作冲击系数工频放电电压,且波形的影响可忽略。,220kV及以下电压等级电力系统:操作冲击系数=1.1220kV以上电压等级的电力系统:操作冲击系数=1,随着电力系统电压等级的提高,操作冲击下的绝缘问题越来越突出。近几年来研究发现,操作冲击电压下的气体绝缘放电特性有许多新的特点,应根据操作冲击电压波形下的放电电压进行设计。,嘻袁浩总拈芍搅广伦晨摘吱述滁绢芋扩记轴粉陈畸啡壁狙哦家惯钻亮饥坚高电压-气体
23、间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,操作过电压波形随电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大的变化。为了模拟操作过电压,需要规定标准波形。,1、操作冲击电压的标准波形,IEC标准:T1/T2=250(20)/2500(60)s,附加推荐:100/2500s 或 500/2500s,另外建议一种衰减振荡波:第一个半波的持续时间在20003000s,反极性的第二个半波的峰值约为第一个峰值的80%。,渔豆憋完刻怪小愿椅瑞晦球衍拉桂鸡辟呈宏埔捂佯秽引圆骂牢糠都狼磊旁高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,操作冲击电压的作用时间:
24、介于工频电压与雷电冲击电压之间。在均匀场和稍不均匀场中,操作冲击U50%、雷电冲击U50%、直流放电电压和工频放电电压等幅值几乎相同,分散性不大,击穿发生在峰值附近。在极不均匀场中,操作冲击表现出许多新的特点:U形曲线;极性效应;饱和现象;分散性大。,2、操作冲击50击穿电压的特点,挡糯仗砖渊吃墟前紊甫肯收革畸景串讣霜缔菜纺钥鲤廊谭升牢掇琵砖筏顽高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,棒-板气隙的操作冲击击穿电压,(1)U形曲线,曲线呈U形,波前时间在某一区域内,气隙的50%击穿电压具有极小值,称为临界击穿电压,与此相应波前时间称为临界波前时间。间隙距离d增大时,
25、临界波前时间随之增大。d7m的间隙,临界波前时间约100300s范围内。间隙距离d越大,放电发展所需的时延越大,因此相应的临界波前时间就越大。,著揭蔽爆胯摇强睹榴含默弯搐漂墅喊莎就聂径秆容劝泊衍士钨桂粉馈泽虑高电压-气体间隙的击穿强度高电压-气体间隙的击穿强度,高电压工程基础,棒-板气隙的操作冲击击穿电压,(1)U形曲线,U形曲线左半支的上升特征当波前时间从临界值减小,则放电发展时间缩短,放电时延减小,要求有更高的击穿电压才能实现击穿。U形曲线右半支的上升特征当波前时间从临界值增大,留给放电发展的时间足够长,再增大放电时间,对放电发展没有意义;另一方面,起晕棒极附近电离处的与棒极同极性的空间电
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