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气体电介质的击穿电压特性

更新时间:2024-06-07      点击次数:311

气体电介质的击穿特性

根据气体放电理论,可以说明气体放电的基本物理过程,有助于分析各种气体间隙在各种高电压下的放电机理和击穿规律。但是,由于气体放电的发展过程比较复杂,影响因素较多,气隙击穿的分散性较大,所以要想利用理论计算的方法来获取各种气隙的击穿电压相当困难。因此,通常都是采用实验的方法来得到某些典型电极结构所构成的气隙(如棒板间隙、棒棒间隙、球间隙及同轴圆筒间隙等)在各种电压下的击穿特性,以满足工程设计的需要。

气隙的电场形式对气隙的击穿特性影响很大,气隙所加电压的类型对气隙的击穿特性也有较大影响。在电力系统中,常见的电压类型归纳起来主要有四种:工频交流电压、直流电压、雷电冲击电压和操作冲击电压工频交流电压和直流电压都是持续作用于气隙上的电压,所以通常称为稳态电压;存在时间极短、变化速率很大的雷电冲击电压和操作冲击电压,也称为暂态电压。气隙在稳态电压作用下的击穿电压也称为静态击穿电压U0

气体电介质的击穿电压特性

气体电介质的击穿电压特性



3.1稳态电压下气隙的击穿特性

3.1.1 均匀电场下的击穿特性

严格来说,均匀电场只有一种情况,即无限大平行板电极之间的电场,这在工程实际中是无法见到的。工程上所使用的平行板电极一般都是采用了消除电极边缘效应的措施(比如将板电极的边缘弯曲成曲率半径比较大的圆弧形,高压静电电压表的两个电极就是如此处理的),这时当两平行板电极间的距离相对于电极尺寸比较小时,即可将这两个电极间的电场视为均匀电场。

3.1.1 均匀电场下的击穿特性

严格来说,均匀电场只有一种情况,即无限大平行板电极之间的电场,这在工程实际中是无法见到的。工程上所使用的平行板电极一般都是采用了消除电极边缘效应的措施(比如将板电极的边缘弯曲成曲率半径比较大的圆弧形,高压静电电压表的两个电极就是如此处理的),这时当两平行板电极间的距离相对于电极尺寸比较小时,即可将这两个电极间的电场视为均匀电场。

由于均匀电场的两个平板电极的形状相同,且平行布置,因而气隙的放电不存在极性效应,而且也不存在电晕现象。一旦气隙放电就会引起整个气隙的击穿,所以其直流、工频交流和冲击电压作用下的击穿电压都相同,放电的分散性也很小,击穿电压电压作用时间基本无关。

均匀电场下气隙的击穿电压遵从巴申定律。

3.1.2 稍不均匀电场下的击穿特性

稍不均匀电场气隙在稳态电压下的击穿特性与均匀电场相似,典型的稍不均匀电场实例有高电压试验中使用的球间隙,以及SF6封闭式组合电器(GIS)中的分相母线圆筒等。

需要注意,球隙电场的均匀程度随着球间距离d与球电极直径D之比(d/D)而变,不同球隙的击穿特性曲线如图3-1所示。由图可见,只有当d/D0.5时,球隙的击穿特性才接近于均匀电场气隙的击穿特性,即此时才可将球隙电场视为稍不均匀电场,所以球隙一般应设置在d/D0.5的范围内工作。需要指出,球隙的工频击穿电压通常都是指工频电压峰值电压,这是因为工频击穿都是发生在峰值电压附近。因此,当用球隙测量工频电压时,测得的是工频电压的峰值。

气体电介质的击穿电压特性

实验结果表明,像SF6组合电器中的分相封闭母线与其圆筒外壳所构成的同轴圆筒间隙电场的均匀程度,具有与球间隙相似的特点。也就是,只有当内筒外半径r与外筒内半径R之比(r/R) 大于10%时,其电场才接近于均匀电场,且气隙击穿电压的最大值出现在r=1/3R左右,所以通常在同轴圆筒的绝缘设计中将r设计在R的25%~40%范围内。

3.1.3极不均匀电场下的击穿特性

棒一板间隙和棒一棒间隙是典型的极不均匀电场,前者具有最大的不对称性,后者则具有的对称性,其他类型的极不均匀电场气隙的击穿特性均介于这两种典型气隙的击穿特性之间。在工程上对于实际的不均匀电场往往按其电极的对称程度,分别选用棒一板间隙或棒一棒间隙这两种典型气隙的击穿特性曲线来估计所遇到的气隙的击穿特性,以确定该气隙的电气强度。比如输电线路的导线与大地之间就可看作是棒板间隙,导线与导线之间则可看作是棒棒间隙。

1.直流电压作用下

由实验获得的棒一板和棒一棒气隙在直流电压下的击穿特性曲线如图3-2所示。如第2章所述,在直流电压下棒一板间隙的击穿特性具有明显的极性效应。在所测的极间距离范围内(d=10cm),负极性击穿场强约为20kV/cm,而正极击穿场强只有7.5kV/cm,相差较大。棒一棒间隙由于两极对称,所以无明显极性效应,其击穿特性介于棒一板间隙在两种极性下的击穿特性之间。

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为了进行超高压直流输电线路的绝缘设计,则需要研究长间隙棒一板气隙的直流击穿特性。300cm以内的棒一板气隙的实验结果如图3-3所示,这时负极性的平均击穿场强降至10kV/cm左右,而正极性的击穿场强约为4.5kV/cm,与均匀电场中大约30kV/cm的击穿场强相比,相差甚大。

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2.交流电压作用下

由于极性效应,在工频交流电压下,棒一板间隙的击穿则总是发生在棒极为正极性的半周期内的峰值电压附近。棒一板间隙和棒一棒间隙在极间距离小于2.5m的击穿特性曲线如图3-4所示。与图3-3相比,其工频击穿电压的峰值还稍低于其直流击穿电压,这是因为前半周期留下的空间电荷对于棒电极前方的电场有所加强的缘故。同时,在d<1m的范围内,棒一棒与棒一板间隙的工频击穿特性几乎一样,但随着d的增大,二者的差别越来越大。棒一棒间隙的击穿电压相对较高,这是由于棒一棒隙作为对称电场,比棒一板问隙要均匀一些,前者的最大场强是分散在靠近两棒极处,而后者的最大场强则集中在棒电极附近。当间隙距离大于40cm时,棒一棒和棒一板间隙的交流击穿电压(幅值)可分别采用相应的近似计算公式进行估算。

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棒一棒间隙 Ub=70+5.25d       3-1

棒一板间隙 Ub=40+5d          3-2

式中:Ub击穿电压(幅值),kV;d为间隙距离,cm。

长气隙棒一板和棒一棒间隙的击穿特性曲线如图3-5所示,随着气隙长度的增大,棒-板间隙的平均击穿场强明显降低,即存在“饱和"现象,显然这时再增大棒一板间隙的长已不能有效地提高工频击穿电压,这是一个应该引起注意的问题。

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3.2雷电冲击电压下气隙的击穿特性

3.2.1雷电冲击电压波形

雷电冲击电压由自然界中的雷电放电或实验室中的模拟雷电放电所产生,电力系统中的雷电过电压是由大气中的雷电放电引起的。大气中的雷电放电包括雷云对大地、雷云对雷云和雷云内部的放电,其中雷云对大地的放电是造成电力系统中雷害事故的主要因素。

按照雷电发展的方向可区分为上行雷和下行雷两种。上行雷是指由接地物体顶部激发起向雷云方向发展的雷电放电,下行雷是指在雷云中产生并向大地发展的雷电放电。人们通常看到的雷电放电绝大多数是下行雷。根据雷电放电从雷云流入大地的电荷的极性不同,又可将雷电分为正极性雷和负极性雷。实测表明,90%的雷是负极性雷,因此在防雷设计中一般都采用负极性雷。

统计结果显示,需电放电所形成的电压具有单次脉冲性质,通常称之为雷电冲击电压。在高电压试验中是用冲击电压发生器来产生这种雷电冲击电压的。尽管大自然中雷电冲击电压的波形各异,但为了统一实验结果,并对实验作出统一的评价,人们根据统计规律将雷电冲击电压波形理想化、标准化。

国际电工委员会(IEC)和我国国家标准(GB)规定的标准雷电冲击电压波形如图3-6所示。图中,T1=1.2μs(视在波前时间),容许偏差士30%;T2=50μs(视在半峰值时间),容许偏差士20%;0为视在原点。T1T2统称为波形参数,简写成T1/T2=1.2/50μs,并可在前面加上正、负号以标明其极性。T1T2通常也分别称为波前时间和半峰值时间。Um为雷电冲击电压的峰值,通常即用此值来表示雷电冲击电压的大小。

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当雷电冲击电压施加于绝缘介质上,在某一时间发生击穿或闪络(如避雷器放电),波形即被截断,被截断的雷电冲击电压波称为雷电冲击电压截波,如图3-7所示。截波由于变化速率大,对有绕组的设备(如变压器、发电机)的危害极大,因此截波更引起人们的关注。IEC标准和GB标准规定的标准雷电冲击电压截波参数为:T1=1.2μs,容许偏差为士30%;Tc=2~5μs,称为截断时间,也可写成T1/Tc=1.2/(2~5)μs。

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3.2.2雷电冲击电压下气隙的击穿特性

1.放电时间

由于雷电冲击电压的持续时间极短(几微秒至几十微秒),已可与气隙击穿所需要的时间相比较,所以使气隙的击穿特性受到影响,不像直流和工频交流等持续电压的作用时间远远大于气隙击穿所需要的时间。

气体电介质的击穿电压特性

3-8表示冲击电压作用在气隙上的电压波形,从冲击电压加上的瞬间经过t1时间,由零升到气隙的静态击穿电压U0,但这时气隙并未击穿。这是因为要引起放电必须在阴极附近出现一个能引起初始电子崩并能导致间击穿的电子,称为有效电子。由于有效电子的出现具有随机性,且需要一定的时间,所以ts称为统计时延。当有效电子出现到发展电子崩直至气隙击穿还需要一定的放电发展时间tf称之为放电形成时延,它也具有统计性。因此,整个放电时间tb由三部分组成,即

tb=t1tstf              (3-3)

式中:t1称为电压上升时间;tstf总称为放电时延tlag

放电时延与许多不能准确估算的因素有关,如宇宙射线辐射产生的电离情况,气隙去电离的情况等,因此,放电时延具有分散性,并与所加电压大小有关。总的趋势是电压越高,所需放电时间越短;电场越均匀,放电时间的分散性越小,电场越不均匀,放电时间的分散性则越大。

2. 50%冲击击穿电压(U50%)

由于气隙冲击击穿电压的分散性,所以很难确定气隙的冲击击穿电压的准确值。在工程上采用50%冲击击穿电压(U50%)作为气隙的冲击击穿电压值。也就是说,在气隙上加N次同一波形及峰值的冲击电压,可能只有n次发生击穿,这时的击穿概率P=n/N×100%。如果增大或减小外施电压的峰值,则击穿概率也随之增加或减小。当击穿概率等于50%时的电压即称为气隙的50%击穿电压,写为U50%。对击穿分散性的大小,则用标准偏差σ表示。标准偏差σ能够反映一个数据集的偏离程度,σ越小,说明这些数据偏离其算术平均值越小,反之亦然。显然,确定U50%时所施加电压的次数N越多,得到的U50%越准确,但工作量也越。在实际中,通常以施加10次电压中有4~6次击穿,即可认为这一电压就是气隙的50%冲击击穿电压

工程设计上,如果采用U50%,来决定所用气隙长度时,必须考虑一定的裕度,裕度的大小取决于该气隙冲击击穿电压的分散性大小。在均匀和稍不均匀电场中,冲击击穿电压的分散性很小,其U50%与静态击穿电压U0几乎相同。U50%U0之比称为冲击系数β。均匀和稍不均匀电场的β1,由于放电时延短,在50%击穿电压下,击穿通常发生在波前峰值附近。在极不均匀电场中,由于放电时延较长,击穿电压分散性较大,其冲击系数β1,标准偏差可取为3%,在50%击穿电压下,击穿通常发生在波尾部分。

3.伏秒特性

由于气隙在冲击电压下的击穿存在时延现象,所以其冲击击穿特性不仅与冲击电压的大小有关,还与放电时间有关。工程上用气隙击穿期间出现的冲击电压的最大值和放电时间的关系来表征气隙在冲击电压下的击穿特性,称为伏秒特性,表示击穿电压和放电时间关系的曲线称为伏秒特性曲线,如图3-9所示。

伏秒特性曲线通常用实验的方法得到,保持加在气隙上的冲击电压波形不变(如1.2/50μs标准雷电冲电压),依次提高冲击电压的峰值。当电压较低时,击穿一般发生在波尾部分。当在波尾击穿时,不能用击穿时的电压作为气隙的击穿电压,因为在击穿过程中起决定作用的应是曾经作用过的冲击电压的峰值,所以这时应把该峰值电压作为气隙的击穿电压它与放电时间的交点p1才是伏秒特性的一个点。当较高时,放电时间大大缩短,击穿发生在波前部分。在波前击穿时,即以击穿时的电压作为气隙的击穿电压值,它与放电时间的交点p3为伏秒特性的一个点。如此作出一系列的点,依次连接p1p2p3……各点得到的曲线即为所要作的伏秒特性曲线。

气体电介质的击穿电压特性

实际上,由于放电时间的分散性,在每一电压下可得到一系列放电时间,所以伏秒特性曲线是一个带状区域。图3-9中虚线是其上、下包络线,实线则是平均伏秒特性曲线或50%伏特秒性曲线,通常使用的是平均伏秒特性曲线。

气隙的伏秒特性形状与极间电场的分布情况有关,如图3-10所示,均匀或稍不均匀电场气隙的伏秒特性比较平坦,其放电形成时延较短,也比较稳定,只在放电时间小于1μs左右时略向上翘,这是因为放电时间小于1μs左右时,ts的缩短需要提高电压的缘故。极不均匀电场气隙的伏秒特性比较陡峭。

气体电介质的击穿电压特性

伏秒特性在绝缘配合中有重要的实用意义。如用作过电压保护的设备(避雷器或间隙),则要求其伏秒特性尽可能平坦,并位于被保护设备的伏秒特性之下,且二者相交。只有这样,被保护设备才能免遭冲击过电压的侵害。

显然,用伏秒特性来表征一个气隙的冲击击穿特性是比较全面和准确的,但获得伏秒特性的工作比较繁琐。因此,在某些工程中不用伏秒特性,而是前述的50%冲击击穿电压"和击穿概率为50%的“2μs冲击击穿电压",这两个特定的冲击击穿电压值近似地表征气隙的冲击击穿特性。前者主要反映伏秒特性的平缓部分,后者反映伏秒特性的陡峭部分,两者相差越大,则表明伏秒特性越陡峭;反之,表明越平缓。

4.气隙的雷电冲击击穿特性

在标准雷电冲击电压作用下,当间隙距离d<250cm时,棒板及棒棒气隙的50%冲击击穿电压与气隙距离的关系如图3-11所示。由图可见,棒板气隙有明显的极性效应;棒棒气隙也有不大的极性效应,这是由于大地的影响,使不接地的棒极附近电场增强的缘故。同时还可以看出,棒棒间隙的击穿特性介于棒板间隙两种极性的击穿特性之间。

气隙长度d更大的实验结果如图3-12所示。由图可见,击穿电压和气隙距离呈直线关系。在确定气隙的雷电冲击击穿电压时,可以采用上述的各种实验曲线,也可以利用某些经验公式。表3-1列出了空气中棒隙的雷电冲击50%击穿电压的经验计算公式。

气体电介质的击穿电压特性气体电介质的击穿电压特性

3-1             空气中棒间隙的雷电冲击50%击穿电压的近似计算公式

                        (标准大气条件,间隙距离d>40cm

气隙

电压类型

近似计算公式[d(cm),Ub(kV)]

气隙

电压类型

近似计算公式[d(cm),Ub (kV)]

—棒

正极性雷电冲击

Ub =75+5.6d

—棒

正极性雷电冲击

Ub =40+5d

负极性雷电冲击

Ub=110+6d 

负极性雷电冲击

 Ub=215+6.7d

3.3操作冲击电压下气隙的击穿特性

3.3.1 操作冲击电压波形

用来等效模拟电力系统中操作过电压电压波形,一般采用双指数脉冲波。IEC标准和我国国家标准规定,波前时间Tcr=250μs±20%,半峰值时间T2=2500μs士60%,写成Tcr/ T2=250/2500μs,如图3-13(a)所示。当在试验中采用上述标准操作冲击电压波形不能满足要求或不适用时,推荐采用100/2500μs和500/2500μs冲击波。此外,还可采用一种衰减振荡波,如图3-13(b)所示图中第一个半波的持续时间在2000~3000μs之间,极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%。

气体电介质的击穿电压特性

3.3.2操作冲击电压下气隙击穿的特点

1.操作冲击电压波形对气隙击穿电压影响  

实验结果表明,气隙的50%操作冲击击穿电压U50%与波前时间Tcr的关系呈U形曲线,如图3-14所示。在某一最不利的波前时间Tc (称为临界波前时间)下,U50%有最小值,且Tc的值随气隙长度d的增加而增大。在工程实际所遇到的气隙长度d范围内,Tc值在100~500μs之间,这正是将标准操作冲击电压波的波前时间Tcr规定为250μs的主要原因,图3-14 中虚线表示不同长度气隙的最小值U50%Tcr的关系。

气体电介质的击穿电压特性

上述现象可以用前面介绍的气体放电理论予以解释。任何气隙的击穿过程都需要一定的时间,当波前时间Tcr较小时,说明电压上升极快,穿电压将会超过静态电压许多,所以击穿电压较高;当波前时间Tcr较大时,说明电压上升较慢,使极不均匀电场长间隙中的冲击电晕和空间电荷都有足够的时间形成和发展,从而使棒极附近的电场变得较小,使整个气隙电场的不均匀程度降低,从而使击穿电压稍有提高。而Tcr100~500μs范围内时,既保障了击穿所需的时间,又不至于减小棒极附近的电场,所以此时的击穿电压低。

2.气隙的操作冲击击穿电压有可能低于工频击穿电压

实验表明,在某些波前时间范围内,气隙的操作冲击击穿电压甚至比工频击穿电压还低,在确定电气设备的空气间距时,必须考虑这一重要情况。因此,在额定电压大于220kV的超高压及特高压输电系统中,往往按操作过电压下的电气特性进行绝缘设计;超高压及特高压电气设备的绝缘也应采用操作冲击电压进行试验,而不宜像一般高压电气设备那样用工频交流电压作等效性试验。

—板气隙的50%操作冲击击穿电压的最小值U50% (min)的经验公式为

气体电介质的击穿电压特性

式中:d为气隙长度,m。

上式适用于d=2~15m的气隙。当15m<d<27m时,经验公式为

U50% (min)=(1.4 +0.055d)×103(kV)        (3-5)

3.长间除操作冲击击穿“饱和"效应

极不均匀电场长间隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和"效应,这一现象的出现与间隙击穿前先导阶段能较为充分的发展有关。比如用上述的经验公式可以算得,当d=10m时,气隙的平均击穿场强已不到2kV/cm;当d=20m时,更降低到1.25kV/cm。也就是气隙的增大并不能有效地提高其击穿电压,尤以正极性棒一板间隙的“饱和"现象最为严重。

当气隙长度大于5m以后,就开始明显地表现出“饱和"现象,如图3-15所示,这对发展高压输电技术是一个极为不利的制约因素。

气体电介质的击穿电压特性

4.操作冲击击穿电压的分散性大

操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性均比雷电冲击电压下大得多,此时极不均匀电场气隙的相应标准偏差σ值可达5%~8%。

3.4不同大气条件下气隙的击穿电压

通常所说的大气条件是指大气的压力、温度和湿度。不同的大气条件,同一气隙的击穿电压也不同。从气体放电的基本理论可知,由于气压,温度和湿度都会影响空气的密度、电子的自由行程、碰撞电离及吸附效应,所以必然会影响气隙的击穿电压。海拔高度的影响也与此相类似,海拔高度的增加,空气的压力和密度均下降,因此,为了对不同大气条件和海拔高度所得出的击穿电压实测数据进行分析和比较,就必须将大气条件换算到标准大气条件。

我国国家标准GB/T 16927.1—2011《高电压试验技术第1部分:一般定义及试验要求》规定的标准大气条件为:气压p0=101.3kPa(760mmHg),温度t0=20℃或T0=293K,绝对湿度hc=11g/m3

在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0之间可以通过相应的校正系数进行如下换算

U=KdKhU0     (3-6)

式中:Kd为空气密度校正系数;Kh为湿度校正系数。

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。需要指出,书中所引用的有关空气间隙击穿电压的曲线和数据,除特别注明者外,一般都是指标准大气条件的情况。下面将分别就各个校正系数的取值加以讨论。

(1)空气密度校正系数。空气密度与压力和温度有关。空气的相对密度为实际气体密度与标准大气条件下的密度之比,即

气体电介质的击穿电压特性

式中:δ为空气的相对密度;p为气压,kPa;t为试验时摄氏温度,℃;t0为标准摄氏温度,℃;T为试验时绝对温度,K;T0为标准绝对温度,K

由巴申定律可知,在大气条件下,气隙的击穿电压随的增大而升高。实验表明,当δ处于0.95~1.05的范围内,气隙的击穿电压几乎与δ成正比,即此时的空气密度校正系数可取为Kd=δ,因而有

U=δU0               (3-8)

当气隙距离不超过1m时,上式无论对于均匀电场或不均匀电场,还是直流、工频或冲击电压都适用。

当利用球隙测量击穿电压时,如果空气的相对密度δ1相差较大时,可用表3-2中的校正系数Kd校正击穿电压值。

3-2                  空气密度校正系数Kd

空气相对密度δ

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

空气密度     校正系数Kd

0.72

0.77

0.81

0.86

0.91

0.95

1.00

1.05

1.09

对于更长的空气问隙,其击穿电压与大气条件变化并不是简单的线性关系,而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系,这时需要使用空气密度校正系数Kd,其表达式为

Kd= δm        (3-9)

气体电介质的击穿电压特性

式中:指数m与电极形状、气隙长度、电压类型及其极性有关,其值在0.4~1.0的范围内变化,具体取值可参阅GB/T 16927.1-2011

空气密度校正系数Kd的数值在0.8~1.05范围内时是可靠的。

(2)湿度校正系数。由于吸附效应,大气中所含水汽的分子对气隙的放电过程起着抑制的作用,所以大气的湿度增大,气隙的击穿电压也随之提高。不过在均匀或稍不均匀电场中,放电开始时整个气隙电场强度都较大,电子的运动速度较快,不易被水汽分子吸附,因而湿度对击穿电压的影响可以忽略不计。例如用球隙测量电压时,只需根据空气相对密度校正其击穿电压,而不必考虑湿度的影响。在极不均匀电场中,一般都需要对湿度进行校正,这时湿度校正系数可表示为

Kh=kω      (3-10)

式中:k与绝对湿度、空气相对密度和电压类型有关;指数ω的值与电极形状、气隙长度、电压类型及其极性有关,具体取值亦可参阅GB/T 16927.1-2011。

(3)海拔校正系数。随着海拔高度的增加,空气逐渐变得稀薄,大气压力及密度减小,因而空气的电气强度也随之降低。

GB/T 311.1-2012《绝缘配合第1部分:定义、原则和规则》规定,对用于海拔在1000~4000m地区的设备及电力设施的外绝缘,在海拔低于1000m的地区进行耐压试验时,其试验电压U应按规定的标准大气条件下平原地区外绝缘耐受电压Up乘以海拔校正系数Ka校正,即

U=Ka Up            (3-11)

              气体电介质的击穿电压特性

式中:H为设备使用地点海拔,m;q为海拔校正因子, 工频、雷电冲击试验q=1.0,操作冲击试验q=0.75。

3.5提高气隙击穿电压的方法

从实用的角度出发,提高气隙的击穿电压可以有效地减小电气设备的气体绝缘间隙距离,使整个电气设备的尺寸缩小,综合前面所述影响气隙击穿电压的各种因素,提高气隙击穿电压的具体方法可归纳为以下儿种。

3.5.1改善电场分布

电场分布越均匀,气隙的平均击穿场强越大。因此,可以通过改进电极形状或采用屏蔽罩来增大电极的曲率半径,对电极表面进行抛光,除去毛刺和尖角等,来减小气隙中的最大场强,改善电场分布,使之尽可能趋于均匀,从而提高气隙的电晕起始电压击穿电压

利用球形屏蔽罩来增大电极的曲率半径是一种常用的方法。以棒—板间隙为例,如果在棒端部加装一只直径适当的球形屏蔽罩,就能有效地提高气隙的击穿电压。图3-16表示采用不同直径(D)的屏蔽罩对提高气隙击穿电压的不同效果。由图可见,对于极间距离为100cm的棒板间隙,当在棒电极上加装一直径为75cm的球形屏蔽罩时,可使气隙的击穿电压提高1倍左右。

气体电介质的击穿电压特性

许多高压电气设备的高压引线端部具有尖锐的形状,如高压套管的接线端子。为了降低引线端子附近的最大电场强度,往往就需要加装球形屏蔽罩。屏蔽翠尺寸的选择应使其在最大对地工作电压Ugmax下不发生电晕。

需要指出,与利用改进电极形状来改善电场分布相类似,还可利用空间电荷来改善电场分布。比如,导线—平板或导线—导线的电极布置方式,当导线直径减小到一定程度后,气隙的工频击穿电压反而会随导线直径的减小而提高,这种现象称为细线效应。其原因在于细线引起的电晕放电所形成了围绕细线的均匀空间电荷层,相当于扩大了细线的等值半径,改善了气隙中的电场分布。

3.5.2 采用绝缘屏障

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中的产生、运动和分布情况密切相关,所以在气隙中放置形状适当、位置合适、能有效阻拦带电粒子运动的绝缘屏障能有效地提高气隙的击穿电压。比如,在棒—板气隙中放置一块与电力线相垂直的薄片固体绝缘材料,如图3-17所示,则棒电极附近由电晕放电产生的与棒电极同号的空间电荷,在向板极方向运动中会被放置的屏障所阻拦,而聚积在薄片固体绝缘材料的左侧上面,并由于同性电荷之间的相斥力,使其比较均匀地分布在屏障上。显然,这些空间电荷削弱了棒极与屏障间的电场,提高了其抗电强度,这时虽然屏障与板极之间的电场强度增大了,但其间的电场已变得接近于两平行板间的均匀电场,因此也提高了其抗电强度,从而使整个气隙的击穿电压得到提高。

带有绝缘屏障的气隙击穿电压与屏障的位置有很大关系,如图3-18所示。对棒板间隙,屏障与棒极距离等于气隙距离的1/5~1/6时击穿电压提高得最多。当棒极为正时可达无屏障时的2~3倍,但棒极为负时只能略微提高气隙的击穿电压(约为20%)。而且棒极为负时屏障远离棒极,击穿电压反而会比无屏障时还要低。这主要是由于聚集在屏障上的负电荷,一方面使部分电场变得均匀,另一方面聚集的负电荷所形成的空间电荷又有加强与板极间电场的作用,而当屏障离棒极较远时,后一种作用占优势的缘故。在工频电压下,因为击穿总是发生在棒极为正的半周期内,所以设置屏障后击穿电压的提高同直流下正棒极时一样在雷电冲击电压下,由于屏障上来不及聚积起显著的空间电荷,因此屏障的作用要小一些。

气体电介质的击穿电压特性气体电介质的击穿电压特性

在棒-棒间隙中,因为两个电极都将发生电晕放电,所以应在两个电极附近设置屏障,也可以获得提高击穿电压的效果。显然,屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了。

3.5.3 采用高气压

由巴申定律可知,提高气体压力可以提高气隙的击穿电压。因为气压提高后气体的密度增大,减少了电子的平均自由行程,从而削弱了电离过程。比如早期的压缩空气断路器就是利用加压后的压缩空气作内部绝缘的,在高压标准电容器中也有采用加压后的空气或氮气作绝缘介质的,在SF6电气设备中则是用加压后的SF6体作绝缘介质。图3-19为不同绝缘介质的绝缘强度比较。由图可见,2.8MPa(1个标准气压0.1MPa)的压缩空气已具有很高的耐电,但采用这样高的气压会对电气设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求。如果采用高耐强度SF6气体来代替空气,要达到同样的电气强度,则只需采用0.7MPa左右的气压就够了。

气体电介质的击穿电压特性

3.5.4采用高耐电强度的气体

在气体电介质中,有一些含卤族元素的强电负性气体,如六氟化硫(SF6)、氟利昂(CCl2F2)等,因其具有强烈的电子吸附效应,在相同的压力下只有比空气高得多的耐电强度,为此被称为高耐电强度的气体。显然,采用这些高耐电强度的气体来替代空气,可以大大提高气休间隙的击穿电压

3.5.5 采用高真空

依据巴申曲线,采用高度真空可以大大减弱间隙中的碰撞电离过程,而显著地提高间隙的击穿电压。真空间隙的击穿电压大致与间隙距离的平方根成正比。真空间隙的击穿电压与电极材料、表而光洁度和纯净度等多种因素有关,因而分散性较大。真空不但绝缘性能较好,而且具有良好的灭弧能力,因此在配电型真空断路器中得到了广泛的应用。

3.6   SF6气体特性

SF气体的电气强度约为空气的2.5倍,以高耐电强度气体而著称,日前它是除空气以外应用得最为广泛的气体介质。目前,SF6气体已不仅应用于一些单一的电气设备(如SF6断路器、变压器、避雷器等)中,而且被广泛应用于全封闭组合电器Gas Insulared Switchgear, GIS)或气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation. GIS)中。

3.6.1  SF6气体的理化特性

气体作为绝缘介质应用于工程实际,不但要求具有比较高的耐电强度,而且还要求具备良好的理化特性。SF6气体之所以被广泛应用于电气设备的绝缘,这与其良好的理化特性分不开

SF6气体是一种人工合成、无色、无味、无嗅、无毒、不燃的气体,其分子结构简单和对称,化学稳定性高,在不太高的温变下,接近惰性气体的稳定性。在500K温度的持续作用下,一般不会分解,也不会与其他材料发化学反应,只有在电弧或局部放电的高温作用下,SF6气体才会产热离解或碰撞分离,生成低氯化物,同时低氟化物会与杂质气体中的氧气作用生成含氧化合物,有的分解物有,通常采用活性氧化铝和分子筛等吸附剂,以吸附其分解物及水分。当气体中含有水分时,出现的低氟化物还会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸或硫酸等,对其他绝缘材料或金属材料造成腐蚀,使沿面闪络电压大大降低,对局部放电水平也有影响,这是应该引起注意的问题。为此,应严格控制SF6气体中所含的水分和杂质气体国标规定,设备SF6气体的水分容许含量(体积)的交接验收值在有电弧分解物的隔室为150X10-6,无电弧分解物的隔室为500×10-6。此外SF6的分子量为146,密度大(为空气的5倍),属重气体。在通常使用条件(-40℃θ80℃,p0.6MPa)下,主要呈现为气体。比如,在20℃,充气压力为0.75MPa(相当于断路器中常用的工作),所对应的液化温度为-25℃,如果20℃时的压力为0.45MPa,则对应的液化温度为-40℃所以一般不存在液化问题。只有在高寒地区才需考虑采取加热措施来防止其液化,或采用SF6-N2混合气体(通常混合气体的体积比为1:1左右)降低液化温度,这样还会使气体的费用大约减少40%,具有显著的经济效益和工程实用意义。SF6-N2混合气体的相对耐电强度(以纯SF6气体的耐电强度为基准)如图3-20所示。

气体电介质的击穿电压特性

3.6.2  SF6气体的绝缘特性

虽然SF6气体的电气强度比空气高得多,但是电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响却远比空气为大。因此,SF6优异的绝缘性能只有在比较均匀的电场中才能得到充分的发挥。

1.均匀电场中SF6气体的击穿

均匀电场中,SF6气体的击穿特性同样遵从巴定律,只是由于其强烈的吸附效应,在碰撞电离过程中,使碰撞电离系数α大打折扣,折扣率用电子附着系数η来表示。η表示一个电子沿电场方向运动单位距离的行程中所发生的电子附着次数的平均值。如此考虑,在电负性气体中的有效碰撞电离系数a应为

气体电介质的击穿电压特性

对于SF6气体,其击穿电压的经验计算公式为

Ub= 88.5pd+0.38 (kV)   (3-14)

式中:p为气压,MPa;d为极间距离,mm。

由式(3-14)计算可得,SF6气体在一个大气压(0.1MPa)下的击穿场强Eb88.5kV/cm.几乎是空气的3倍。

2.极不均匀电场中SF6气体的击穿

对一般气体,电场越不均匀,提高气压对提高气隙击穿电压的作用越小,对SF6体更是如此,并且在一定的气压范围里,气隙的击穿电压与气压的关系存在异常的低谷。同时,在0.1~0.2MPa的区段内还存在雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压的异常现象,其冲击系数低至0.6,如图3-21所示。这种异常现象与空间电荷的运动状态有关。因此,在进行充有SF6气体的绝缘结构设计时应尽可能避免极不均匀电场的情况。

气体电介质的击穿电压特性

此外,SF6气隙的极性效应与空气间隙相同,即曲率半径小的电极为负极性时其起晕电压低于正极性,而气隙的击穿电压高于正极性。

与空气间隙相比,SF6气隙的伏秒特性在短时(t<5μs)范围内上翘较少。所以,用避雷器来保护具有SF6气体绝缘的设备时,应特别注意在上述短时范围内的保护配合。

总之,电场不均匀对SF6气体的绝缘特性是极为不利的。因此,要求SF6气体绝缘的电气设备,其电场设计应尽可能均匀,对电极的要求较高,要做到表面光滑,没有缺陷。

3.全封闭组合电器(GIS)

全封闭组合电器(Gas Insulated'Switchgear,GIS)是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连线和出线终端等组合而成,全部封闭在充有一定压力的SF6气体的金属外壳中,构成封闭式组合电器,组成一个气体绝缘变电站。与传统的敞开式变电站相比,GIS具有下列突出优点:

(1)大大节省占地面积,额定电压越高,节省越多。例如,110kV电压等级,GIS占地仅为敞开式的1/10,500kV的GIS占地则为敞开式的1/50。如果以变电站所占空间的大小来比较,GIS所占空间更小。因此,GIS特别适用于深山峡谷中的水电站、地下变电站及城市中心变电站等。

(2)由于GTS的全部电气设备都密封在接地金属外壳,不受恶劣的大气条件的影响,所以运行安全可靠,且占用空间小、噪声小、无电磁辐射,有利于环境保护。

(3)安装成套性好,维护工作小。

鉴于上述优点,GIS已在世界各得到广泛应用,我国已有110~1000kV电压等级的GIS在电网中运行。但对于GIS的绝缘检测,由于其封闭性面显得更为困难和重要。

尚需指出,由于SF6气体的温室效应非常严重,全球温暖化潜能值(GWP)是CO223900倍,1997年的《京都议定书》将SF6气体列为全球限制使用的六种气体之。因此,近几十年来,研究者在积极寻求SF6的替代气体,一类为SF6混合气体替代,通过添加其他环保气体(如SF6/N2SF6/CO2SF6/空气、SF6/氟碳气体等)并提升气体压强,从而满足绝缘要求,达到减少SF6气体用量的的。另一类为SF6气体替代,即新型绝缘介质及其混合气体,如C3F8cC4F8CF3I、C4F7N和C5F10O等,虽然目前科研人员已经测试了上千种气体,但都在绝缘性能或理化性能等方面还远不如SF6气体,满足不了电力行业的要求,至今尚无一种气体配方可以与SF6媲美。因此,在相当长的一段时间内,SF6还将作为主流的气体绝缘介质在电力领域得到使用,寻求替代SF6气体绝缘的研究工作仍然是电力行业关注的热点。

3.7 电晕放电

电晕放电是极不均匀电场中有的一种气体自持放电形式。它与其他形式的放电的区别,主要在于电晕放电电流并不是取决于电源电路中的阻抗,而是取决于电极外气体空间的电导。因此,电晕放电取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体的性质和密度等。

电晕放电对超高压和特高压输电线路具有特殊的重要性,与这些线路的导线选择、电能平衡和环境保护等均有密切的关系。

3.7.1 电晕放电的基本特性

电晕放电主要是指电气设备电压端外绝缘稳定的局部放电,且有明显的极性效应。以棒—板间隙为例,当棒电极为负极性时,电压升到一定值,电晕平均电流接近微安级时,开始出现有规则的重复电流脉冲。电压继续升高时,电流脉冲幅值基本不变,但频率增高,重复脉冲的频率最高可达MHz。电压继续升高到一定值时,电晕电流则会失去有规则高频脉冲的性质而转变成持续电流。电压再进一步升高,就会出现电流幅值大得多的刷状放电。刷状放电是一种比电晕更为强烈的局部放电,往往出现刷状放电后,电压再升高气隙会很快击穿

当棒电极为正极性时,电晕电流也具有重复脉冲的性质,但没有整齐的规则。当电压继续升高,电流的脉冲特性变得越来越不显著,以至基本上转为持续电流。电压再继续升高,就会出现幅值大得多的不规则的刷状放电。

不同极性的电晕放电电流波形示于图3-22和图3-23。电晕放电具有下列几种效应:

气体电介质的击穿电压特性 气体电介质的击穿电压特性

(1)具有声、光、热等效应。放电的“咝咝"声造成可闻的环境噪声,同时有紫蓝色的光晕,引起发热并使周围的气体温度升高,造成能量损耗。

(2)在电极的某些凸起处,电子和离子在局部强场的驱动下高速运动并与气体分子交换动量,形成所谓的“电风",引起电极或导线的振动。

(3)电晕产生的高频脉冲电流会造成对无线电的干扰。

(4)在空气中产生臭氧O3NO或NO2,在其他气体中也会产生许多化学反应。O3是强氧化剂,对金属及有机绝缘物有强烈的氧化作用。NO或NO2会与空气中的水分合成硝酸类,具有强烈的腐蚀性。所以,电晕是促使有机绝缘老化的重要因素之一。

(5)上述电晕的某些效应也有可利用的一面。比如电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压波的幅值和陡度;电晕放电还可改善电场的分布;也可利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。

需要指出,我国超特高压输电线路的设计和运行经验表明,可闻环境噪声已成为超特高压输电线路的一个重要控制因素;而对于无线电干扰也是超特高压输电线路需要控制的重要指标,具体可参见GB/T 15707—2017《高压交流架空输电线路无线电干扰限值》。

3.7.2 输电线上的电晕放电

对于半径为r、离地高度为h的单根导线,导线表面的电场强度E与导线对地电压U的关系式为

气体电介质的击穿电压特性

当平行导线间的距离D远大于导线半径r时,线间电压U,可求得导线表面的电场强度E为

气体电介质的击穿电压特性

导线表面起晕场强Ec可按下述经验公式(皮克公式)进行近似计算,即

气体电介质的击穿电压特性

式中:Ec单位为kV(峰值)/cm;r为起晕导线的半径,cm;δ为空气的相对密度;m1为导线表面光洁度(光滑导线m11,绞线m10.8~0.9);m2为气象系数(根据不同气象情况,在0.8~1.0范围内)。

若三相导线对称排列,则导线的起晕临界电压Uc (对地)有效值为

气体电介质的击穿电压特性

式中:Uc单位为kV;D为线间距离,cm;δ为导线半径,cm。

导线水平排列时,式(3-18)中的D应以Dm代替,Dm为三相导线的几何平均距离,即

气体电介质的击穿电压特性

式中:DabDbcDca分别为A-B、B-C、C-A相间的距离。

输电线上电晕损耗功率的经验公式为

气体电介质的击穿电压特性

式中:P单位为kW/kmf为电源频率,Hz;U和U0为相电压有效值,此处U0仅为一具有计算意义的电压值,约为70kV。

实验表明,式(3-20)只适用于220kV及以下线路电晕损耗较大的情况,而不适用于较好的天气情况和光滑导线以及超高压大直径导线的情况。

研究表明对于500~750kV超高压输电线路,在晴好天气时的电晕损耗一般不超过几个kW/km,而在雨天时可高达100kW/km以上。

从式(3-16)可以看出,要降低导线表面场强可用两种办法:①增大线间距离D;②增大导线半径r。增大r的通用办法是采用分裂导线。分裂导线在保持同样截面的条件下,导线表面积比单导线时增大,但导线的电容及电荷都增加得很少,这就使导线表面场强得以降低。图3-24给出了500kV线路的三分裂导线表面最大场强Em与分裂间距S的关系。同时,通过对分裂导线的合理布置,还可以有效地改善线路参数,增大线路电容,减小线路电感,实现阻抗匹配,达到提高线路输送功率的目的,这就是现代紧凑型输电线路的基本原理。

气体电介质的击穿电压特性

我国有关规程规定,在海拔不超过1000m的地区,如导线直径不小于表3-3所列的数值,一般不必验算电晕。此时,导线表面工作场强已低于电晕起始场强。

3-3        不必验算电晕的导线最小直径(海拔不超过1000m)

额定电压kV)

60以下

110

154

200

330

导线外直径(mm)

9.6

13.7

21.3

33.2

2×21.3





3.8沿面放电与污秽闪络

3.8.1沿面放电基本特性

沿面放电是指沿着固体绝缘表面的放电。在固体介质和空气的交界面上产生的沿面放电,一旦发展到使整个极间沿面击穿时,称为沿面闪络。沿面闪络电压不仅比固体介质本身的击穿电压低很多,而且比纯空气间隙的击穿电压也低得多,并受绝缘表面状态、电极形式、污染程度以及气候条件等因素影响较大。电力系统中外绝缘事故多半是由沿面放电所造成。由此可见,固体绝缘实际耐受电压的能力并非取决于固体介质本身的击穿电压,而是取决于它的沿面闪络电压,所以后者在确定输电线路和变电站外绝缘的绝缘水平时起着决定性的作用。

1.均匀电场中的沿面放电

如在均匀电场中放置圆柱形的固体介质,使柱而与电场中的电力线平行,这时从宏观上看,固休圆柱的存在,似乎并不影响极问气隙的电场,气隙的击穿电压应保持不变。然而,此时气隙的击穿总是以沿着固体介质表面闪络的形式完成,并且沿面闪络电压总是显著地低于纯气隙的击穿电压。其主要原因是:

(1)固体介质表面不可能绝对光滑,其微观上的凹凸不平造成介质表面电场不均匀,表面凸起部分的电场强度比其他部分大。

(2)固体介质表面会或多或少地吸收一些空气中的水分,水分中的离子在电场作用下向两极移动引起介质表面电场的畸变,或者由于固体介质表面电阻的不均匀造成电场分布变形。

(3)固体介质与电极的接触如不十分紧密,存在有极小的气隙,其中的电场强度将会大很多,造成局部放电引起电离,电离产生的带电粒子迁移到固体介质表面后,使介质表面的电场发生畸变。

2.不均匀电场中的沿面放电

不均匀电场中的沿面放电有两种情况。一种是电场强度的方向大体上平行于固体电介质的表面,即介质表面电场的切线分量Et远大于法线分量En,如图3-25(a)所示的支柱绝缘子。这种情况的沿面放电与均匀电场中的沿面放电大体相似,只是由于电场本身已经是不均匀的了,所以任何其他使电场不均匀性增大的因素,对击穿电压的影响都不会像在均匀电场中那样显著,其沿面闪络电压较之均匀电场明显降低。为了提高沿面闪络电压,可适当改变电极的形状,如采用屏蔽电极。另一种是电介质表面的场强具有较大的垂直于固体电介质表面的法线分量,如图3-25(b)所示的高压套管。下面分析高压套管沿面放电的规律。

气体电介质的击穿电压特性

由于套管法兰附近的电力线最密、电场强,所以当所加电压还不太高时,此处可能首先出现电晕放电,如图3-26(a)所示。随着外加电压的升高,放电逐渐变成由许多平行的火花细线组成的光带,称为刷状放电,如图3-26(b)所示,这时放电通道中的电流密度还不大,仍属于辉光放电。当电压超过某一临界值后,放电的性质发生变化,个别火花细线则会突然迅速伸长,转变为分叉的树枝状明亮火花通道在不同位置上交替出现,称为滑闪放电,它是高压套管沿面放电的一种有放电形式,如图3-26(c)所示。滑闪放电通道中的电流密度较大,这时电压的微小升高就会导致放电火花伸长到另一电极,造成套管的沿面闪络。

气体电介质的击穿电压特性

上述现象可以用图3-27所示的等效电路加以解释。图3-27(b)中,r表示固体介质单位面积的表面电阻,而C0则表示介质表面单位面积对导电杆的电容。

3-28表示按图3-27所示等效电路计算的沿介质表面的电压分布。在工频交流电压作用下,导电杆与法兰两电极之问流过的主要足电容电流,沿着套管表面经过r的电流使套管表面的电压分布不均匀。由于靠近法兰F处沿介质表面的电流密度最大,在该处介质表面电阻r上所形成的电位梯度也最大,如图3-28所示。当这个电位梯度大到足以造成气体电离的数值时,该段固体介质表面的气体即发生电离,产生大量的带电粒子,它们在很强的电场垂直分量的作用下,将紧贴固体介质表面运动,从而使某些地方发生局部温度升高。当局部温升引起气体分子的热电离时,火花通道内的带电粒子剧增,电阻骤减,火花通道头部的电场强度变大,火花通道迅速向前延伸,即形成所谓滑闪放电。所以,滑闪放电是以气体分子的热电离为特征,只发生在具有强垂直分量的极不均匀电场的情况下。

气体电介质的击穿电压特性

气体电介质的击穿电压特性

由滑闪放电引起的套管闪络电压Uf的估算经验公式为

气体电介质的击穿电压特性

式中:l为极间沿固体介质表面的距离,m;d为介质厚度,m;εr介质的相对介电常数k为由实验确定的系数。

由式(3-21)可知,增加套管的长度对提高闪络电压的作用很小。这是因为套管长度增加时,通过固体介质体积内的电容电流和漏导电流将随之有很快的增加,使沿面电压分布的不均匀性进一步增强。而增大套管在法兰附近的直径,可以有效地减小芯线与表面间的电容,从而提高套管的闪络电压,这就是高压套管大多采用能有效调节径向和轴向电场分布的电容式结构的原因所在。

固体介质的表面电阻(特别是靠近法兰F处)的适当减小(如涂半导体漆或半导体釉),可使沿面的最大电位梯度降低,以防止滑闪放电的出现,从而使沿面闪络电压得到提高。为了防止套管导电杆与瓷套内表面之间存在的气隙在强电场下的电离,一般应在瓷套的内壁上喷铝,以消除气隙两侧的电位差,从而防止气隙中出现放电现象。

不同固体介质的沿面闪络电压也不同,如图3-29所示,这主要取决于固体介质的亲水性或憎水性。

气体电介质的击穿电压特性

3.8.2悬式绝缘子串的电压分布及闪络特性

我国35kV及以上的高压线路大多使用由盘形悬式绝缘子组成的绝缘子串作为线路绝缘。绝缘子串中绝缘子片数的多少决定线路的绝缘水平。一般35kV线路用3片,110kV用7片,220kV用13片,330KV用19片,500kV用28片,用于耐张杆塔时通常增加1~2片。在机械负荷很大的场合,可用几串同型号和长度的绝缘子串并联使用。

1.电压分布

悬式绝缘子串在线路上工作时,由于其金属部分与接地铁塔或带电导线间存在电容,使绝缘子上的电压分布不均匀。为了说明这个问题,可以利用图3-30的等效电路。图中C为每片绝缘子自身的电容,为50~75pF;CE为每片绝缘子的对地(铁塔)电容,为3~5pF;CL为每片绝缘子对导线的电容,单导线时为0.3~1.5pF,分裂导线时,CL增大;R为每片绝缘子的绝缘电阻。在50Hz工频电压作用下,燥绝缘子的绝缘电阻比其容抗约大一个数量级,故干燥时,R的影响可以略去不计。

气体电介质的击穿电压特性

如果只考虑CE的存在,显然,由于CE的分流,使靠近导线的绝缘子上承受的电压大于远离导线的绝缘子,如图3-30(a)所示。如果只考虑CL的存在,其作用正好相反,如图3-30(b)所示。实际上二者同时存在,各绝缘子上承受的电压U如图3-30(c)所示。显而易见,在工频电压下悬式绝缘子串的电压分布是不均匀的。实际上由于CECL.,绝缘子串中靠近导线的绝缘子上的电压降最大。

随着线路电压的升高和每串绝缘子片数的增多,电压分布的不均匀系数K=Umax/Umin将增大,这就使Umax的绝对数可能达到相当大。一般盘式绝缘子的起晕电压(有效值)为22~25kV,一旦绝缘子承受的电压U超过此值,就会发电晕。电晕会使单片绝缘子的干闪络电压降低25%~35%,湿闪络电压降低40%~47%。所以,单片绝缘子上允许承受的最大电压主要避免出现显著的电晕这一条件所决定。

为了改善绝缘子串的电压分布,通常可在绝缘子串连接导线的一端安装均压环,以加大绝缘子对导线侧的电容CL。可以想象,使CL的值越接近CE的值,电压分布将变得越均匀。通常对电压等级为330kV及以上的线路才考虑使用均压环。均压环对悬挂导线的金具还起到屏蔽作用,能有效地抑制这些连接金具处电晕的产生。

在工程实际中,类似于悬式绝缘子串电压分布不均匀的例子还很多。如变电站中的避雷器由多个元件组合而成,为了改善其电压分布常常也加装均压环。实测一支3.3m高的避雷器绝缘外套的闪络电压588kV,当顶端装上直径为1.5m的圆形均压环后闪络电压可提高到834kV,增加约42%,效果十分显著。工程中还有用加装适当的并联阻抗元件的方法强制均压,或用半导体材料来调整电压分布。

2.闪络特性

绝缘子的电气性能通常用闪络电压来衡量。干闪电压是指表面清洁、干燥的绝缘子的闪络电压,它是反映户内绝缘子绝缘性能的重要参数。湿闪电压是指洁净的绝缘子在淋雨情况下的闪络电压。为了使试验结果能够进行比较,必须规定一定的淋雨条件。我国国家标准规定的淋雨条件为:平均淋雨率的垂直分量和水平分量均为1.0~1.5mm/min,淋雨角为45°,人工雨水的电阻率100±15Ω·m(20℃时)。

为了避免在淋雨情况下整个绝缘子表面都被雨水淋湿,设计时都将绝缘子的形状做成伞状;且为了增大沿面闪络距离,在其下表面做成几个凸起的棱。这样在淋雨时,只会在绝缘子串的上表面形成一层不均匀的导电水膜,而下表面仍保持干燥状态,绝大部分外加电压将由干燥的表面所承受,因此绝缘子的湿闪电压将显著地低于干闪电压。绝缘子伞裙突出主下直径的宽度与伞间距离之比通常为1:2,即使伞裙宽度进一步增大,湿闪电压也不会有显著提高,因为这种情况下放电已离开瓷表面而在伞边缘的空气隙中发生。

由于在淋雨状态下沿绝缘子串的电压分布(主要按电导分布)比较均匀,所以绝缘子串的湿闪电压基本上按绝缘子串的长度呈线性增加。此外,由于干燥情况下绝缘子串电压分布不均匀,绝缘子串的干闪电压梯度将随绝缘子串长度增加而下降。因此,随着绝缘子串长度的增加,其湿闪电压将会逐渐接近甚至超过其干闪电压

3.8.3 污秽闪络的过程

户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界的盐碱、粉尘及鸟粪的污染。在干燥情况下,这种污秽尘埃电阻一般都很大,对运行没有什么大的危害。但当大气湿度较高,尤其在毛毛雨、雾、露、雪等不利的天气条件下(大雨会冲洗掉积污),绝缘子表面污秽尘埃被湿润,表面电导剧增,使绝缘子在工频和操作冲击电压下的闪络电压大大降低,甚至可以在其工作电压下发生绝缘闪络,称为污秽闪络(简称污闪)。

污闪事故往往造成大面积停电,检修恢复时间长,严重影响电力系统的安全运行。污秽闪络过程与清洁表面的闪络过程有很大不同,下面以常用的悬式绝缘子为例予以分析。

污秽绝缘子被湿润后,污秽层中的可溶性物质便溶解于水分中,成为电解质,在绝缘子表面形成一层薄薄的导电膜,使污层的表面电阻大大下降,绝缘子的泄漏电流剧增。如图3-31 所示,在金属帽附近,因直径最小,电流密度最大,发热最甚,该处表面被逐渐烘干。由于烘干,使该区域的表面电阻率大增,迫使原来流经该区域表面的电流转移到与该区域相并联的两侧湿膜上,使流经这些湿膜的电流密度增大,加快了湿膜的烘干过程。如果继续发展下去,在铁帽周围便很快会形成一个环形烘干带。烘干带具有很大的电阻,使整个绝缘子上的几乎都集中到烘干带上,加上烘干带本身范围并不大,所以其电场强度可达到相当大的数值,以致引起表面的空气发生电离,在铁帽周围开始电晕放电或局部沿面放电。由于这种局部沿面放电具有不稳定且时断时续的性质,所以也称之为闪烁放电。于是,大部分泄漏电流经闪烁放电的通道流过,很容易使之形成局部电弧。随后局部电弧处及附近的湿污层被很快烘干,使得干区扩大,电弧被拉长。若此时电压尚不足以维持局部电弧的燃烧,局部电弧即熄灭。加之交流电流每一周波都有两次过零,更促使局部电弧呈现“熄灭一重燃"或“延伸一收缩"的交替变化现象。一圈烘干带意味着多条并联的放电路径,当一条电弧因拉长而熄灭时,又会在另一条距离较短的旁路上出现,所以就外观而言,好像电弧在绝缘子的表面上不断旋转,这样的过程在雾中可能持续几个小时,还不会造成整个绝缘子的沿面闪络。绝缘子表面这种不断延伸发展的局部电弧现象俗称爬电。一旦局部电弧达到某一临界长度时,电弧通道温度已很高,弧道的进一步伸长就不再需要更高的电压,而由热电离予以维持,直到延伸到贯通两极,完成污秽状态下的沿面闪络。

气体电介质的击穿电压特性

由此可见,在污秽闪络过程中,局部电弧不断延伸直至贯通两极所必需的外加电压值,只要能维持弧道就够了,而不必像干净表面的闪络需要很高的电场强度来使空气发生激烈的碰撞电离才能出现。这就是为什么有些已经通过干闪和湿闪试验,沿面放电电压梯度可达每米数百千伏的户外绝缘,一旦污秽受潮后,在工作电压梯度只有每米数十千伏的情况下却会发生污秽闪络的原因。

绝缘污秽度不仅与积污量有关,而且还与污秽的化学成分有关。通常采用“等值附盐密度"(简称等值盐密)来表征绝缘子表面的污秽度,它指的是每平方厘米表面上沉积的等效氯化钠(NaCl)毫克数。等值的方法是:除铁脚和铁帽的黏合水泥面上的污秽外,将所有表面上沉积的污秽收集起来,然后将其溶于300ml的蒸馏水中,测出在20℃水温时的电导率;再在另一杯20℃、300ml的蒸馏水中加入NaCI,直到其电导率等于污秽溶液的电导率时,所加入的NaCl毫克数,即为等值盐量,再除以绝缘子的表面积即可得到等值盐密(mg/cm2)。我国国家标准(GB/T 262182010)将污区按照污秽严重程度分为a、b、c、d、e五个等级,各级对应的等值盐密范围列于表3-4中

3-4                 五级污秽分级的各级等值盐密范围

污秽分级

a(很轻)

b(轻)

c(中等)

d(重)

e(很重)

等值盐密(mg/cm2

0.025

0.025~0.05

0.05~0.1

0.1~0.25

0.25

统一爬电比距(mm/kV)

22.0

27.8

34.7

43.3

53.7

3.8.4防止绝缘子污闪的措施

1.增加电比

污秽等级越重的地区,需配置的绝缘子中总爬电距离就越大。为了便于对不同参数的绝缘子进行选取,通常采用“统一爬电比距"这一参数。统一爬电比距为绝缘子串的爬电距离与绝缘子串承受的最高工作电压的均方根值之比,单位为mm/kV。各级污区使用的陶瓷和玻璃绝缘子最小统爬电比距列于表3-4中。"所谓爬电比距是指绝缘的“相对地"之间的爬电距离(cm)与系统最高工作(线)电压(kV,有效值)之比。

由于爬电比距值是以大量的实际运行经验为基础而规定出来的,所以一般只要遵循规定的爬电比距值来选择绝缘子中的总爬距和片数,即可保证必要的运行可靠性。

2.选用新型的合成绝缘子

合成绝缘子出现于20世纪60年代末期,我国在70年代研制出110kV合成绝缘子,接着又研制成功220kV及500kV交、直流合成绝缘子。图3-32为合成绝缘子结构示意图。纵向玻璃钢芯是用玻璃纤维束沿其纵向经树指浸溃后通过引模加热固化而成,具有很高的抗拉、抗磨强度。其伞裙和护套是由硅橡胶材料一次注塑而成,具有很高的电气强度、很强的增水性和很好的耐电弧性能。由于其水性强,所以其耐污性能好,已成为抗污秽绝缘子的产品,此外,合成绝缘子的质量仅为同等级瓷绝缘子的1/10,所以又称为轻型绝缘子,目前合成绝缘子已得到了广泛的应用

气体电介质的击穿电压特性

3.清洗

定期对绝缘子进行清扫,或采取带电水冲洗的方法清洗。

4.涂覆防污涂料

在绝缘子表而涂憎水性的防污涂料,如有机硅脂、地蜡涂料和室温硫化硅橡胶等,使绝缘子表面不易形成连续的水膜。

5.采用半导体釉绝缘子

半导体釉层的表面电阻率106108Ω·m,在运行中因通过电流而发热,使表面保持干燥,同时使表面电压分布较为均匀,从而能保持较高的闪络电压

6.增大爬电距离

加强绝缘(如增加绝缘子片数)或使用大爬电距离的所谓防污绝缘子。在增加绝缘子片数时会增加整个绝缘子串长度,从而减小了风偏时的空气间距,为此可采用V形串来固定导线。

(1)气体介质击穿特性不仅与电场形式有关,而且与所加电压的类型有关。均匀电场气隙的击穿电压高于不均匀电场中相同气隙的击穿电压。气隙的冲击击穿电压高于其静态击穿电压

(2)均匀电场中气隙的击穿电压稳定,既不存在极性效应,又不存在电晕现象。球间隙当满足d/D0.5时,可视为稍不均匀电场,其击穿特性与均匀电场相似。极不均匀电场的棒一板间隙的击穿具有明显的极性效应。不均匀电场长间隙的击穿电压随间隙距离的增大存在“饱和"现象。

(3)标准雷电冲击电压的波形参数为T1/T2=±1.2/50μs。

(4)雷电冲击电压下气隙的击穿特性与电压作用时间有关。气隙的冲击击穿电压通常用U50%表示。描述气隙冲击击穿电压击穿时间的关系通常用的是伏秒特性。均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较平坦,而不均匀电场气隙的伏秒特性曲线比较陡峭。在绝缘配合中必须考虑保护设备与被保护设备之间伏秒特性的配合。

(5)操作冲击电压下气隙的击穿存在临界波头时间;极不均匀电场长间隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和"效应。

(6)大气条件对气隙击穿电压的影响可以通过校正公式统换算到标准大气条件下气隙的击穿电压来反映,以便对不同大气条件下气隙的击穿电压作出一致性评价。

(7)SF6气体以其具有强烈的吸附效应而成为高电气强度气体。SF6气体的优良绝缘性能只有在比较均匀的电场中才能得到充分发挥。SF6气隙的极性效应与空气相同。

(8)电晕放电是一种局部放电。减少输电线路电晕的有效途径是增大导线间距和增大导线半径,后者通常是通过采用分裂导线的方法来达到。

(9)固体介质的沿面闪络电压低于相同距离的气隙的击穿电压。高压套管的沿面闪络常常是由“滑闪放电"引起。防止滑闪放电的有效方法不是增加套管的长度,而是增大套管在法兰附近的直径。

(10)悬式绝缘子串由于杆塔及导线之间杂散电容的影响,使得在工频交流电压作用下沿绝缘子串的电压分布不均匀,呈U形分布曲线。靠近导线的绝缘子承受的电压最高。

(11)绝缘子的闪络电压区分为干闪电压、湿闪电压和污闪电压,通常UU湿U

(12)污闪具有与干闪不同的过程和机理。污闪不仅与积污量有关,而且与污秽的化学成分及气候条件有关。



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