1、第二章第二章气体介质的电气强度气体介质的电气强度为什么要研究气体介质的电气强度？为什么要研究气体介质的电气强度？气体介质的电气强度与哪些因素有关？气体介质的电气强度与哪些因素有关？1.1.气隙的电气强度与电场形式有关气隙的电气强度与电场形式有关相对于均匀电场和稍不均匀电场，极不均匀电相对于均匀电场和稍不均匀电场，极不均匀电场更容易被击穿。场更容易被击穿。2.2.气隙的电气强度与所加电压的类型有关气隙的电气强度与所加电压的类型有关工频交流电压工频交流电压直流电压直流电压雷电过电压雷电过电压操作过电压操作过电压0%50UU冲击系数d2.2.均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特性均匀和稍不均匀电场气隙的击
2、穿特性1.1.均匀电场气隙的击穿特性均匀电场气隙的击穿特性Ub：击穿电压：击穿电压Eb：平均击穿场强：平均击穿场强UbEbUbEb击穿电压的经验公式：击穿电压的经验公式：24.556.66bUdd击穿电压的击穿电压的峰值（峰值（kVkV）空气的相空气的相对密度对密度极间距离极间距离（cmcm）注：很显然此式符合巴申定律注：很显然此式符合巴申定律击穿场强的经验公式：击穿场强的经验公式：24.556.66bbUEdd注：由此式可以估算出，在极间距离在注：由此式可以估算出，在极间距离在1 1至至10cm10cm范围内范围内，击穿场强约为，击穿场强约为3030kV cm1.1.稍不均匀电场气隙的击穿特
3、性稍不均匀电场气隙的击穿特性工程上常见的两类稍不均匀电场：工程上常见的两类稍不均匀电场：球间隙球间隙同轴圆桶同轴圆桶球间隙球间隙（球隙测压器）（球隙测压器）UbdD25D50D75注：由此图可以注：由此图可以看出，在看出，在dD/4dD/4时，球间隙的电时，球间隙的电场形式类似与均场形式类似与均匀电场匀电场同轴圆桶同轴圆桶（标准电容器或分相封闭母线桶）（标准电容器或分相封闭母线桶）注：当内桶半径注：当内桶半径比较小时，气隙比较小时，气隙电场为极不均匀电场为极不均匀电场。电场。R=10Ubr(cm)UcUb击穿电压击穿电压电晕起始电压电晕起始电压极不均匀电场极不均匀电场不均匀电场不均匀电场2.2
4、2.2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典型的极不均匀电场典型的极不均匀电场棒棒气隙棒棒气隙棒板气隙棒板气隙具有完全的对称性具有完全的对称性具有最大的对称性具有最大的对称性注：工程实际中的不注：工程实际中的不均匀电场的击穿特性均匀电场的击穿特性界于这两者之间。界于这两者之间。1.1.直流电压直流电压dUb棒棒气隙棒棒气隙棒板气隙（正）棒板气隙（正）棒板气隙（负）棒板气隙（负）极间距离较短时的气隙击穿特性极间距离较短时的气隙击穿特性 about 20kV/cmabout7.5kV/cm10cm棒板气隙（正）棒板气隙（正）棒板气隙（负）棒板气隙（负）dUb 极间距离较长时的气隙击
5、穿特性极间距离较长时的气隙击穿特性10kV/cm10kV/cm左右左右4.5kV/cm4.5kV/cm左右左右300cmHIGH VOLTAGE DC CURRENT TRANSIMISSIONHIGH VOLTAGE DC CURRENT TRANSIMISSION2.2.工频交流电压工频交流电压棒棒棒棒气隙气隙棒板气隙棒板气隙dUb 极间距离较短时的气隙击穿特性极间距离较短时的气隙击穿特性250cm注：各种气隙的工频击穿电注：各种气隙的工频击穿电压分散性一般不大，其标准压分散性一般不大，其标准差不会超过差不会超过2 23 3。棒棒棒棒气隙气隙棒板气隙棒板气隙dUb 极间距离较长时的气隙击穿
6、特性极间距离较长时的气隙击穿特性14m导线杆塔气隙导线杆塔气隙导线导线导线导线气隙气隙3.3.雷击冲击电压雷击冲击电压U50（kV）250cm棒棒棒棒气隙气隙（负）（负）棒棒棒棒气隙气隙（正）（正）棒板气隙（正）棒板气隙（正）d 极间距离较短时的气隙击穿特性极间距离较短时的气隙击穿特性棒板气隙（负）棒板气隙（负）U50（kV）棒棒棒棒气隙气隙（负）（负）极间距离较长时的气隙击穿特性极间距离较长时的气隙击穿特性棒棒棒棒气隙气隙（正）（正）棒板气隙（正）棒板气隙（正）d棒板气隙（负）棒板气隙（负）6m注：在雷击过电压的冲击下，击穿电注：在雷击过电压的冲击下，击穿电压的分散性比较大其标准差可达压的分
7、散性比较大其标准差可达3。在在50击穿电压下，击穿通常发生在击穿电压下，击穿通常发生在冲击电压的波尾部分。棒间隙工频击冲击电压的波尾部分。棒间隙工频击穿电压和雷击冲击击穿电压也可以利穿电压和雷击冲击击穿电压也可以利用用39页表页表21的经验公式求取。的经验公式求取。4.4.操作过电压操作过电压Before 1960操作过电压操作过电压等效工频电压等效工频电压操作冲操作冲击系数击系数4.4.操作过电压操作过电压1.1.操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大的影响很大的影响Tcr（波前时间）（波前时间）U50（kV）？U50min2.2.在某些波前时间内，操作
8、冲击电压的击穿在某些波前时间内，操作冲击电压的击穿电压甚至远低于工频击穿电压。（图电压甚至远低于工频击穿电压。（图2 21111）U50min可以利用以下经验公式求得：可以利用以下经验公式求得：350%(min)33.4 1021581(1.40.055)1015mdmUdddm3.3.操作冲击电压的击穿电压具有明显的饱和操作冲击电压的击穿电压具有明显的饱和效应效应利用上面的经验公式可以看出，在气隙距离为利用上面的经验公式可以看出，在气隙距离为10m10m时，时，平均击穿场强为平均击穿场强为2kV/cm2kV/cm，而当气隙距离增大到，而当气隙距离增大到20m20m时，时，却降至却降至1.25
9、1.25kV/cm。4.在操作冲击电压的冲击下，击穿电压的分散性在操作冲击电压的冲击下，击穿电压的分散性比较大其标准差可达比较大其标准差可达58。也就是说它的。也就是说它的伏秒特性带比较宽。伏秒特性带比较宽。2.32.3大气条件对气隙击穿电压的影响大气条件对气隙击穿电压的影响 GBGB规定的标准大气条件为：规定的标准大气条件为：0101.3pkPa00020293tCorTK311/chg m标准大气条件下标准大气条件下的气隙击穿电压的气隙击穿电压dohKUUK实际试验条件下实际试验条件下的气隙击穿电压的气隙击穿电压空气密度校正因数空气密度校正因数湿度校正因数湿度校正因数关于密度：关于密度：气
10、隙不长时：气隙不长时：2.9pT空气相对密度：空气相对密度：dK关于湿度：关于湿度：均匀电场均匀电场不均匀电场不均匀电场对海拔高度的校正对海拔高度的校正411.110appUK UUH2.42.4提高气体介质电气强度的方法提高气体介质电气强度的方法 1.1.改进电极形状以改善电场分布改进电极形状以改善电场分布e2.2.利用空间电荷改善电场分布（利用空间电荷改善电场分布（细线效应细线效应）3.3.采用屏障采用屏障强场区电场减小强场区电场减小当屏障与棒极之当屏障与棒极之间的距离约等于间的距离约等于间隙的距离的间隙的距离的15%至至20%时，时，间隙的击穿电压间隙的击穿电压提高得最多可达提高得最多可
11、达到无屏障时的到无屏障时的2至至3倍倍4.4.采用高气压采用高气压气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均自由行程，从而削弱了碰撞游离的过程。如高压空气断自由行程，从而削弱了碰撞游离的过程。如高压空气断路器和高压标准电容器等路器和高压标准电容器等5.5.采用高强度气体采用高强度气体SF6SF6气体属强电负性气体气体属强电负性气体,容易吸附电子成为容易吸附电子成为负离子负离子,从而削弱了游离过程从而削弱了游离过程.提高压力后可提高压力后可相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度.它是一种无色、无味、无臭、无毒、不
12、燃的它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是空气的空气的100100倍，故极适用于高压断路器中倍，故极适用于高压断路器中6.6.采用真空采用真空 气体间隙中压力很低时，电子的平均自由行程已增大气体间隙中压力很低时，电子的平均自由行程已增大到极间空间很难产生碰撞游离的程度。如真空电容器、到极间空间很难产生碰撞游离的程度。如真空电容器、真空断路器等真空断路器等真空电容器真空电容器真空断路器真空断路器2.5 2.5 六氟化硫和气体绝缘电气设备六氟化硫和
13、气体绝缘电气设备户外式（户外式（outdoor）SF6气体绝缘负荷开关气体绝缘负荷开关SF6气体绝缘金属封闭开关柜气体绝缘金属封闭开关柜 为什么使用为什么使用SF6气体作为绝缘介质和气体作为绝缘介质和灭弧介质？灭弧介质？电气强度好（电气强度好（空气的空气的2.5倍倍）灭弧性能佳（灭弧性能佳（空气的空气的100倍倍）对电场的均匀程度更为敏感对电场的均匀程度更为敏感（相对于空气）（相对于空气）1.1.六氟化硫的绝缘性能六氟化硫的绝缘性能均匀电场中均匀电场中SFSF6 6的击穿的击穿电负性气体的有效碰撞电离系数：电负性气体的有效碰撞电离系数：电子附着系数电子附着系数电负性气体电负性气体流注流注自持放
14、电条件自持放电条件610.5()dKSF击穿电压击穿电压88.50.38()bUpdkVMpadmmp：气压，：极间距离，均匀电场中均匀电场中SFSF6 6的击穿的击穿稍不均匀电场中稍不均匀电场中SFSF6 6的击穿的击穿击穿场强不与击穿场强不与气压气压成正比（成正比（均匀电场中成均匀电场中成正比正比）极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀电场中的情况相反（电场中的情况相反（负极性下的击穿电压负极性下的击穿电压低低）极不均匀电场中极不均匀电场中SFSF6 6的击穿的击穿冲击电压冲击电压工频交流电压（峰值）工频交流电压（峰值）()bUkV()p MPa0.10.
15、2 0.30.4空间电空间电荷运动荷运动极不均匀电场中极不均匀电场中SFSF6 6击穿的异常现象击穿的异常现象“驼峰驼峰”现象（现象（工频曲线工频曲线）“驼峰驼峰”区段内雷电冲击击穿电压明显低区段内雷电冲击击穿电压明显低于静态击穿电压（于静态击穿电压（冲击系数低至冲击系数低至0.6）影响击穿场强的其它因素影响击穿场强的其它因素为什么气体绝缘电气设备的设计场强远低为什么气体绝缘电气设备的设计场强远低于理论击穿场强？于理论击穿场强？电极表面缺陷：电极表面缺陷：电极表面加工粗糙（以粗糙度电极表面加工粗糙（以粗糙度R Ra a衡量）衡量）电极表面随机缺陷（与面积有关）电极表面随机缺陷（与面积有关）导电
16、微粒：导电微粒：作用与电极作用与电极表面缺陷相似表面缺陷相似固定微粒和自由微粒固定微粒和自由微粒在极间跳动在极间跳动导致的危害更大导致的危害更大2.2.六氟化硫理化特性方面六氟化硫理化特性方面的若干问题的若干问题为什么为什么SF6气体是唯一在工程上得到广泛气体是唯一在工程上得到广泛应用的强电负性气体？应用的强电负性气体？高电气强度高电气强度+良好的理化性能良好的理化性能液化问题（液化问题（液化温度较低，一般不存在液化液化温度较低，一般不存在液化问题问题）毒性分解物（毒性分解物（且具有一定的腐蚀性，通常且具有一定的腐蚀性，通常采用采用吸附剂吸附剂（活性氧化铝与分子筛）（活性氧化铝与分子筛）吸附吸
17、附）含水量（含水量（危害极大危害极大）3.SF3.SF6 6混合气体混合气体纯纯SFSF6 6气体的缺点：气体的缺点：价格较高，液化温度不够低，对电场不均匀度价格较高，液化温度不够低，对电场不均匀度太敏感太敏感催生了催生了SFSF6 6混合气体的出混合气体的出现，目前工业上获得应现，目前工业上获得应用的是用的是SFSF6 6-N-N2 2混合气体混合气体RES1.01.0N2-SF6混合气体中混合气体中SF6气体的含量气体的含量4.4.气体绝缘电气设备气体绝缘电气设备封闭式气体绝缘组合电器（封闭式气体绝缘组合电器（GIS）优点：优点：大大节省占地面积和空间体积；大大节省占地面积和空间体积；运行安全可靠；运行安全可靠；有利于环境保护；有利于环境保护；安装工作量小，检修周期长。安装工作量小，检修周期长。气体绝缘管道输电线气体绝缘管道输电线优点：优点：电容量小；电容量小；损耗小；损耗小；传输容量大；传输容量大；能用于大落差场合。能用于大落差场合。气体绝缘变压器（气体绝缘变压器（GIS）优点：优点：防火防爆；防火防爆；噪声小；噪声小；气体介质不会老化，维护工作量小。气体介质不会老化，维护工作量小。
