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1、电气工程基础（II）第十六章 电力系统的绝缘与交流 电气装置的绝缘配合第一节 气体放电及气体绝缘电气设备1.1 均匀电场中的气体放电1.2 不均匀电场中的气体放电1.3 空气间隙的击穿电压1.4 气体绝缘电气设备1.1 均匀电场中的气体放电引言带电粒子的产生与消失电子崩自持放电条件气压与起始电压的关系气体放电的主要类型气体放电的流注理论影响因素分析一 引言电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态有关常见的电场结构问题的提出气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动
2、过程形成电流。（1）气隙中带电粒子是如何形成的？（2）气隙中的导电通道是如何形成的？（3）气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？名词解释之一：电子平均自由行程定义：一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。与气体分子的大小和密度有关。名词解释之二：激励定义：原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道的过程。如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子。名词解释之三：电离（游离）原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离。原子被分解成两种带电粒子电子和正离子。使电子
3、电离出来所需的最小能量称为电离能。名词解释之四：碰撞电离当具有动能的电子碰撞未电离的气体分子时，若电子动能 超过分子电离所需的电离能 时就会产生离子和新增的自由电子，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离的形成与电场强度和电子的平均自由行程的大小有关。二 气体中带电质点的产生和消失产生：1）撞击游离 2）光游离 3）热游离 4）金属表面游离：加热、强电场、撞 击、光照 5）气体分子俘获自由电子形成负离子消失：1）流入电极 2）扩散 3）复合三 气体放电过程的一般描述电子崩电子崩形成过程碰撞电离系数碰撞电离和电子崩形成的电流电子崩的形成电子崩的形成电子崩中的电子数目电子碰撞系数 ：表示一个电子沿电场方向
4、运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数的平均值。电子数目n：对均匀电场：电子崩中的电子数目电子崩中的电子数目对极间距离为d的平板电极形成的均匀电场来说，抵达阳极的电子数应为 。途中新增加的电子数或正离子数应为电流关系式非自持放电：当外施电压小于临界电压 时，间隙内的电流数值很小，间隙还未被击穿，这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流将消失。过程表面游离系数 ：每一个正离子撞击阴极表面时使阴极释放出的电子数。电极间电荷增长的过程过程四 自持放电条件汤逊气体放电理论 过程：一个电子在气体间隙空间对气体分子进行碰撞并产生电子崩的过程该过程具有普遍意义。过程：电离形成的正离子撞击阴极
5、并释放出电子的过程。击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿。适用范围：五 气体放电的主要类型辉光放电气体放电的主要类型电弧放电气体放电的主要类型火花放电气体放电的主要类型电晕放电六 气体放电的流注理论以实验为基础，考虑了高电压、长间隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电过程的影响气体放电的流注理论主要内容（1）空间电荷对原有电场的影响（2）空间光电离的作用气体放电的流注理论流注：电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程。流注理论 七 影响气体放电过程的各种因素气压和间隙影响气体放电过程的各种因素气压和间隙巴申定律击穿
6、电压是气 压p与距离d的 乘积pd的函数击穿电压有最 小值与汤逊机理在 pd较小时相一 致。影响气体放电过程的各种因素温度1.2 不均匀电场中的气体放电稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的极性效应放电时间和冲击电压下的气隙击穿一 稍不均匀电场和极不均匀电场的特征稍不均匀电场中，和均匀电场中的情况类似，放电达到自持时，间隙就被击穿，即击穿电压就是其自持放电电压。极不均匀电场中，自持放电电压为电晕起始电压。电场不均匀系数二 极不均匀电场中的电晕放电电晕放电的一般描述 由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间
7、的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。电晕放电的危害电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和
8、电视广播产生干扰。电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。降低电晕放电的方法从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时的电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。电晕放电的有利之处在列举电晕放电所引起的危害之后，也应提到它有利的一面，例如：在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。三 极不均匀电场中的极性效应
9、极性效应在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙（短间隙，间隙距离小于1米）为例，说明极不均匀电场中放电的极性效应。棒为正极性如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒
10、极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。棒为负极性如图1-13（a）所示：棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动在图1-13（b）中：留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场，电场情况如图1-13（c）所示。所以，当电压进一步提高时，电晕区
11、不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。结论在间隙距离d相同时（短间隙）虽然但是电晕起始电压击穿电压此称为极性效应极性效应长间隙的击穿（长间隙的击穿（d d1m1m时）时）1.先导放电阶段具有热游离过程的通道称为先导通道。2.主放电阶段 温度更高、电导更大，轴向电场更小的等离子体火花通道。此时，间隙接近于短路
12、状态，气隙完全丧失了绝缘性能。结论：a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放电四个阶段。b b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电三个阶段。c、由于间隙越长，先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低。四 放电时间和冲击电压下的气隙击穿完成气隙击穿的三个必备条件：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有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）：直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题；当所加电压变化速度很快、作用时
13、间很短的冲击电压，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。（一）放电时间的组成总放电时间tb=t1+ts+tf后面两个分量之和称为放电时延tlag=ts+tft1气隙在持续电压下的击穿电压为Us，为所加电压从0上升到Us的时间；ts从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts；tf出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf。tb和tf都具有统计性放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短（二）冲击电压波形
14、的标准化（1）标准雷电冲击电压波用来模拟电力系统中的雷电过电压波，标准雷电冲击电压如下图所示：T1视在波前时间；T2视在半峰值时间；Um冲击电压峰值IEC和国标的规定为：T1 1.2s 30T2 50s 20一般写为1.2/50s，有国家为1.5/40 s（2）标准操作冲击电压波）标准操作冲击电压波 图1-17 操作冲击试验电压波形（a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波Tcr波前时间；IEC和国标规定为：T2半峰值时间；Tcr250s20Um冲击电压峰值 T2 2500s60（三）冲击电压下气隙的击穿特性（三）冲击电压下气隙的击穿特性（1 1）5050冲击击穿电压（冲击击穿电压（U U5
15、0%50%）在工程实际中广泛采用击穿百分比为在工程实际中广泛采用击穿百分比为5050时时的电压（的电压（U50%U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。实）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加际中，施加1010次电压中有次电压中有4-64-6次击穿了，这一电次击穿了，这一电压即可认为是压即可认为是5050冲击击穿电压。冲击击穿电压。U U50%50%与与U Ur r静态击穿电压的比值称为静态击穿电压的比值称为冲击系数冲击系数，均匀和稍不均匀电场下，均匀和稍不均匀电场下，1;1;极不均匀电场中极不均匀电场中,1,1，冲击击穿电压的分散，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差可取性也较大，其标准偏差
16、可取3 3。（2）伏秒特性）伏秒特性冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示，这种在“电压时间”坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。如图所示：实际的伏秒特性曲线如图1-19所示，是一个以上、下包线为界的带状区域。通常取50伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性。1上包线；250伏秒特性；3下包线随着时间的延伸，一切气随着时间的延伸，一切气隙的伏秒特性都趋于平坦，隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大与气隙的电场形式有较大关系：关系：如图所示：如图所示：均匀或稍不均均匀或稍不
17、均匀电场匀电场的放电时延（间）的放电时延（间）短，因而其伏秒特性很快短，因而其伏秒特性很快就变平了（例如就变平了（例如1 1ss处）；处）；而而极不均匀电场极不均匀电场的放电时的放电时延（间）较长，因而其伏延（间）较长，因而其伏秒特性到达变平点的时间秒特性到达变平点的时间也就较长。也就较长。图1-20 均匀电场和不均匀电场气隙的伏秒特性比较1均匀电场；2不均匀电场（3）对绝缘配合的要求）对绝缘配合的要求u保护设备绝缘的伏秒特性曲线的上包线始终低于被保护设备的伏秒特性曲线的下包线。u保护设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些，即采用电场比较均匀的绝缘结构。1.3 气体介质的电气强度均匀电场气隙的击穿特
18、性稍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提高气体间隙击穿电压的措施气体绝缘电气设备 气体介质的电气强度通常以击穿场强或击穿电压来表示 气隙的电气强度首先取决于电场形式 与外加电压的形式也有很大的关系 在电力系统中，有可能引起空气间隙击穿的作用电压波形及持续时间是多种多样的，但可归纳为四种主要类型，即工频交流电压、直流电压、雷电过电压波和操作过电压波。其中前二者可统称为稳态电压，以区别于存在时间很短、变化很快的冲击电压。气隙在稳态电压作用下的击穿电压即为静态击穿电压。一 均匀电场气隙的击穿特性均匀电场击穿所需的时间很短，它在直流、工频和冲击电压作用下的击穿电压基本相同击穿电压分散性
19、很小伏秒特性很快变平不存在极性效应冲击系数一 均匀电场气隙的击穿特性经验公式二 稍不均匀电场的击穿特性与均匀电场相似，稍不均匀电场中不可能存在稳定的电晕放电，一旦出现局部放电即导致整个气隙的击穿电场不对称时，极性效应不很明显它的冲击系数也接近1，即它的冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压基本上是相等的击穿电压的分散性也不大。三 极不均匀电场的击穿特性在各种各样的极不均匀电场气隙中，“棒棒”气隙具有完全的对称性，而“棒板”气隙具有最大的不对称性，其它的极不均匀电场气隙的击穿情况均处于这两种极端情况的击穿特性之间。“棒棒”气隙和“棒板”气隙在直流电压、工频电压和冲击电压作用下的击穿特性（一）“
20、棒棒”气隙和“棒板”气隙在直流电压作用下的击穿特性“棒板”间隙在直流电压下的击穿具有明显的极性效应，在负极性下的击穿电压远大于正极性时的击穿电压。“棒-棒”气隙极性效应不明显，击穿电压介于二者之间。短间隙1棒-板气隙 负极性23棒-板气隙 正极性132棒-棒气隙长间隙“棒-板”气隙间隙间平均击穿场强低于前述短间隙的情形（二）“棒棒”气隙和“棒板”气隙在工频交流电压作用下的击穿特性 在工频交流电压下测量气隙的击穿电压时，通常是将电压慢慢升高，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左右。“棒一板”气隙的击穿总是发生在捧极为正极性的那半周的峰值附近，可见其工频击穿电压的峰值一定
21、与正极性直流击穿电压相近，甚至稍小。解释：棒极附近空间电场会因上一半波电压所遗留下来的电荷而加强。“棒一捧”气隙的工频击穿电压要比“捧一板”气隙高一些解释：因为相对而言，“棒一棒”气隙的电场要比“棒一板”气隙稍为均匀一些(后者的最大场强区完全集中在棒极附近，而前者则由两个棒极来分担)。各种气隙的工频击穿电压的分散性一般不大，其标准偏差 的值不会超过2一3。（三）“棒棒”气隙和“棒板”气隙在雷电冲击电压作用下的击穿特性 由于极不均匀电场中的放电时延较长，其冲击系数通常均显著大于1，冲击击穿电压的分散性也较大，其标准偏差 值可取为3。在50击穿电压下，击穿通常发生在冲击电压的波尾部分。“棒一板”气
22、隙的冲击击穿电压具有明显的极性效应，棒为正极性时的击穿电压要比棒为负极性时的数值低得多。“棒一棒”气隙也有不大的极性效应，这是因为大地的影响，使不接地的那支棒极附近的电场增强的缘故。“棒一棒”气隙的击穿特性亦介于“棒一板”气隙两种极性的击穿特性之间。（四）“棒棒”气隙和“棒板”气隙在操作冲击电压作用下的击穿特性对极不均匀电场长气隙来说，操作冲击电压下的击穿具有如下特点：（1）操作冲击电压的波形对气隙的电气强度有很大的影响。（2）在各种类型的作用电压中，以操作冲击电压下的电气强度为最小。（3）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（即前者的伏秒特性带较宽)。此时
23、极不均匀电场气隙的相应标准偏差值可达5一8。（4）极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿电压 具有显著的“饱和”特征。小小 结结与持续电压作用下相比，冲击电压作用下的气体放电具有一些新的特点，比如放电过程中所需要的时间就不得不考虑在内了。因此，为了描述在冲击电压作用下的气体放电特性，还需要引入一些新的概念，如U50%、冲击系数、伏秒特性等。在绝缘配合中必须考虑被保护设备与保护设备之间伏秒特性的配合。均匀或稍不均匀电场中的气隙伏秒特性曲线较为平坦，故其冲击系数等于1，也就是说在不同电压形式下，其击穿电压是相同的。极不均匀电场中的气隙伏秒特性曲线较为陡峭，故其冲击系数大于1，在不同的电压形式（即直流电压
24、、工频交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压）下的击穿特性将有所不同。在不对称电场（如棒板间隙）中的气隙放电还存在明显的极性效应。四 提高气体介质电气强度的方法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。（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 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
25、的击穿电压 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Uc大于装置的最大对地工作电压Ug.max，即：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：式中Ec：电晕放电起始场强。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径导线等。（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
26、荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。（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。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。（四）采用高气压 在常压下空气的电气强度是比较低的，约为30k
27、V/cm。即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限，可见常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。如果把空气加以压缩，使气压大大超过0.1MPa(1atm)，那么它的电气强度也能得到显著的提高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体（例如SF6气体）来代替空气，那就能获得更好的效果。但采用高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，往往难以实现。如果用SF6来代替空气，为了达到同样的电气强度，只要采用07MPa左右的气压就够了。（五）采用高电气强度
28、气体 有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件：液化温度要低，这样才能同时采用高气压；良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；生产不太困难，价格不过于昂贵。（六）采用高真空 采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程而显著提高气隙的击穿电压。在电力设备中实际采用高真空作为绝缘媒质的情况还不多，主要因为在各种设备的绝缘结构中大都还要采用各种固体或液体介质，它们在真空中都会逐渐释出气体
29、，使高真空难以长期保持。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用，真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力，所以用于配电网中的真空断路器还是很合适的。小结球形屏蔽极可以显著改善电场分布，提高气隙的击穿电压；在气隙中放置形状和位置合适、能阻挡带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏蔽，可明显提高气隙击穿电压；高气压和高强度气体相结合是一种有效的气体绝缘形式；高真空气体主要用于配电网真空断路器中。五 六氟化硫和气体绝缘电气设备六氟化硫的绝缘性能六氟化硫理化特性方面的若干问题六氟化硫混合气体气体绝缘电气设备 （一）六氟化硫(SF6)气体20世纪60年代开始作为绝缘媒质和灭弧媒质使用于某些电气设备(首先
30、是断路器)中；至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。SF6的电气强度约为空气的2.5倍，灭弧能力更高达空气的100倍以上，所以在超高压和特高压的范畴内，它已完全取代绝缘油和压缩空气而成为唯一的断路器灭弧媒质。SF6的绝缘性能 SF6具有较高的电气强度，主要是因为其具有很强的电负性，容易俘获自由电子而形成负离子(电子附着过程)，电子变成负离子后,其引起碰撞电离的能力就变得很弱，因而削弱了放电发展过程。电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大。与均匀电场中的击穿电压相比，SF6在极不均匀电场中击穿电压下降的程度比空气要大得多。SF6优异的绝缘性能只有在电场比较均匀的场合才能得到充分的发
31、挥。在设计以SF6气体作为绝缘的各种电气设备时，应尽可能使气隙中的电场均匀化，采用屏蔽等措施以消除一切尖角处的极不均匀电场，使SF6优异的绝缘性能得到充分的利用。（二）六氟化硫理化特性方面的若干问题 气体要作为绝缘媒质应用于工程实际，不但应具有高电气强度，而且还要具备良好的理化特性。SF6气体是唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在于此。下面对SF6气体实际应用中的理化特性作一介绍：1 液化问题 现代SF6高压断路器的气压在0.7MPa左右，而GIS中除断路器外其余部分的充气压力一般不超过0.45MPa。如果20C时的充气压力为0.75MPa(相当于断路器中常用的工作气压），则对应的液化温度
32、约为-25 C，如果20 C时的充气压力为0.45MPa，则对应的液化温度为-40 C，可见一般不存在液化问题，只有在高寒地区才需要对断路器采用加热措施，或采用SF6-N2混合气体来降低液化温度。2 毒性分解物 纯净的SF6气体是无毒惰性气体，180摄氏度以下时它与电气设备中材料的相容性与氮气相似。但SF6的分解物有毒，并对材料有腐蚀作用，因此必须采取措施以保证人身和设备的安全。使SF6气体分解的原因：电子碰撞、热和光辐射.在电气设备中引起分解的原因主要是前两种，它们均因放电而出现。大功率电弧（断路器触头间的电弧或GIS等设备内部的故障电弧）的高温会引起SF6气体的迅速分解，而火花放电、电晕或
33、局部放电也会引起SF6气体的分解。针对SF6气体毒性分解物的措施：通常采用吸附剂.吸附剂主要有两方面作用：吸附分解物和吸附水分 常用的吸附剂有：活性氧化铝和分子筛3 含水量水分是SF6气体中危害最大的杂质，因为：水分会影响气体的分解物与HF形成氢氟酸，引起材料的腐蚀与导致机械故障低温时引起固体介质表面凝露，使闪络电压急剧降低控制气体含水量的措施：避免在高湿度气体条件下进行装配工作；安装前所有部件都要经过干燥处理；保证良好的密封，否则会使设备内的SF6气体泄漏到大气中去，而大气中的水气也会渗入设备内。（三）六氟化硫混合气体SF6气体价格较高液化温度不够低对电气不均匀度太敏感 目前国内外都在研究S
34、F6混合气体，以期在某些场合用SF6混合气体来代替SF6气体 目前已获工业应用的是SF6-N2混合气体，主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧材料，采用的混合比通常为50%：50%或60%：40%。（四）气体绝缘电气设备1 封闭式气体绝缘组合电器（GIS）GIS由断路器、隔离开关、接地刀闸、互感器、避雷器、母线、连线和出线终端等部件组合而成，全部封闭在SF6金属外壳中。与传统的敞开式配电装置相比，GIS具有下列突出优点：（1）大大节省占地面积和空间体积：额定电压越高，节省得越多。（2）运行安全可靠：GIS的金属外壳是接地的，即可防止运行人员触及带电导体，又可使设备运行不受污秽、雨雪、雾露等不利
35、的环境条件的影响。（3）有利于环境保护，使运行人员不受电场和磁场的影响。（4）安装工作量小、检修周期长。2 气体绝缘管道电缆气体绝缘管道电缆亦可称为气体绝缘电缆（GIC)，它与充油电缆相比具有下列优点：(1)电容量小：GIC的电容量大约只有充油电缆的1/4左右，因此其充电电流小、临界传输距离长。(2)损耗小：常规充油电缆常因电介质损耗较大而难以用于特高压，而GIC的绝缘主要是气体介质，其介质损耗可忽略不计，已研制成特高压等级的产品。(3)传输容量大：常规电缆由于制造工艺等方面的原因，其缆芯截面一般不超过2000mm2，而GIC则无此限制，所以GIC的传输容量要比充油电缆大，而且电压等级越高，这
36、一优点越明显。3 气体绝缘变压器气体绝缘变压器（GIT）与传统的油浸式变压器相比有以下优点：（1）GIT是防火防爆型变压器，特别适用于城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合。（2）气体传递振动的能力比液体小，所以GIT的噪声小于油浸变压器。（3）气体介质不会老化，简化了维护工作。除了以上所介绍的气体绝缘电气设备外，SF6气体还日益广泛应用到一些其他电气设备中，诸如：气体绝缘开关柜环网供电单元中性点接地电阻器中性点接地电容器移相电容器标准电容等第二节 绝缘子和沿面放电绝缘子及其性能要求气体中沿固体介质表面的放电支柱绝缘子沿套管表面的放电介质表面脏污时的沿面放电引言电力系统的高压绝
37、缘分类2.1 绝缘子及其性能要求绝缘子及其分类绝缘子的电气强度和机械强度绝缘子的材料一 绝缘子及其分类绝缘子：用来支持带电导线或导体，对杆塔或支架（地电位）保持绝缘，保持导线或导体相互之间的适当距离。分类：绝缘子：用作导电体和接地体之间的绝缘和固 定连接。瓷套：用作电器内绝缘的容器，并使内绝缘免 遭周围环境因素的影响。套管：用作导电体穿过电器外壳、接地隔板或 墙壁的绝缘部件。几种常见的绝缘子外形和结构XP-70盘形悬式绝缘子500kV棒形悬式合成绝缘子110kV户外棒形支柱绝缘子 套筒（空心）绝缘子高压户外穿墙套管二 绝缘子的电气强度和机械强度对绝缘子的基本要求：有足够的电绝缘强度 能承受一定
38、的机械负荷 能经受不利的环境和大气作用两个概念：击穿：同一绝缘介质内部发生的贯穿性放电 闪络：沿着两种绝缘介质界面发生的自持放电闪络电压：连通绝缘子两电极的沿绝缘体外部空气的放电电压，是绝缘子外部绝缘的一个重要性能。（1）干闪络电压（2）湿闪络电压（3）污秽闪络电压（一）绝缘子的电气性能（二）绝缘子的机械性能（1）拉伸负荷：如悬挂输电线的绝缘子受重力和导线 拉力的作用。拉伸负荷以作用在绝缘子两端的拉 伸力来表示。（2）弯曲负荷：如导线拉力、风力或短路电流电动力 作用于支柱绝缘子，因它们的方向与支柱垂直而 使支柱受到弯矩作用。弯曲负荷以作用在绝缘子 顶部的垂直力（垂直于绝缘支柱）来表示。（3）扭
39、转负荷：如隔离开关的支柱绝缘子常以转动方 式来开闭触头，转动时绝缘支柱将承受扭转力矩。扭转负荷以作用在绝缘子顶部的扭矩来表示。（三）绝缘子的冷热性能 此外，运行中的绝缘子在长期工作电压和机械负荷作用下，会发生介质的老化现象，因此要求绝缘子应具有一定的抗老化性能。三 绝缘子的材料绝缘子由绝缘件、机械固定用的金属附件、胶装绝缘件和金属附件的胶合剂组成绝缘件最常用的是电瓷。玻璃、浇注环氧树脂金属附件主要由铸铁和钢制成胶合剂常用的是500号硅酸盐水泥2.2 气体中沿固体介质表面的放电沿面放电：沿绝缘子和空气的分界面上发生的放电现象闪络：沿面放电发展到贯穿性的空气击穿称为闪络沿面放电也是一种气体放电现象
40、，沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都低 （原因？）沿面放电与固体介质表面的电场分布有很大的关系，有三种典型情况：（1）固体介质处于均匀电场中，固、气体介质分界面平行于电力线。工程上很少遇到这种情况，但常会遇到介质处于稍不均匀电场中的情况，此时放电现象与均匀电场中的有很多相似之处。（2）固体介质处于极不均匀电场中，且电场强度垂直于介质表面的分量（以下简称垂直分量）要比平行于表面的分量大得多。套管就属于这种情况。（3）固体介质处于极不均匀电场中，但在介质表面大部分地方（除紧靠电极的很小区域外）电场强度平行于介质表面的分量要比垂直分量大。支柱绝缘子就属于这种情况。一 均匀电场中的沿面放电
41、1电极2固体介质在平行平板电极间放一圆瓷柱，瓷柱虽未影响极板间电，但放电总是发生在磁柱表面，且闪络电压比纯空气的击穿电压低得多。气隙的击穿总是发生在固体介质的表面，这是因为 （1）固体介质表面不光滑电场不均匀 Eb （2）固体介质表面吸潮水分中的离子向两极移动电场畸变Eb （3）固体介质与电极接触存在小气隙气隙先游离（？同学们自己思考）局部放电电场畸变Eb均匀电场中的沿面放电现象在实际结构中较少遇到，但人们常用改进电极形状的方法使电场接近均匀。如对圆柱形的支柱绝缘子，可采用环状附件改善沿面电压分布，使瓷柱处于稍不均匀电场中，它具有类似均匀电场沿面放电的规律。二 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿
42、面放电（一）套管（二）外绝缘（三）套管的分类1导杆2法兰（四）套管的等效电路将绝缘介质用电容、电阻表示等值电路：由表面电阻、体电容和体电阻构成放电现象与比电容和电压变化率有关（四）套管的等效电路在导杆和法兰之间加交流电压，沿套管表面将有电流流过。由于的分流作用，套管表面各处电流不等，越靠近法兰电流越大，单位距离上的压降也大，这就使套管表面的电压分布更不均匀。（五）套管沿面放电的基本过程电晕放电1套管2法兰（1）在不太高的电压下，法兰边缘出现微弱的发光圈（属电晕放电）。（2）随电压升高电晕延伸，逐渐形成由火花细线组成的光带。细线的光虽比电晕亮，但仍较弱；放电通道中电流密度较小，压降较大，伏安特性
43、具有上升特征。细线状辉光放电（五）套管沿面放电的基本过程（3）当电压超过某临界值后，放电性质发生变化，个别细线迅速增长，转变为树枝状、紫色、较明亮的火花。火花在法兰不同位置交替出现，一处出现后紧贴介质表面向前发展，随即很快消失，而后又在新的位置产生。这种放电称为滑闪放电。滑闪放电1套管2法兰（五）套管沿面放电的基本过程（4）通道中电流密度较大，压降较小，伏安特性具有下降特征。滑闪火花随外施电压增加迅速增长，因而电压只需增加不多，放电火花就延伸到另一电极，形成完全击穿（闪络）。1套管2法兰滑闪放电电晕放电刷状放电滑闪放电完全击穿（五）套管沿面放电的基本过程（5）滑闪放电的机理：放电起始阶段，细线
44、通道内因碰撞电离存在大量 带电质点。在较强的电场垂直分量作用下，带电 质点不断撞击介质表面，使局部温度升高。电压 增加，沿放电通道通过的带电质点增多，介质表 面局部温度也就升得更高。一定电压下，当温度 高达足以引起气体热电离时，通道中带电质点剧 增、电阻剧降，通道头部场强也剧增，导致通道 迅速增长，放电转入滑光放电阶段。所以，滑闪 放电是以介质表面放电通道中发生热电离作为特 征的。（六）滑闪放电的起始电压2法兰放电转入滑闪阶段的条件是通道中带电质点剧增。流过放电通道的电流经过通道与另一电极间的电容构成通路。则通道中的电流或通道中带电质点的数目随通道与另一电极间的电容量和电压变化速率的加大而增加
45、。比电容 ：介质表面单位面积与另一电极间的电容值。单位：套管表面电容（六）滑闪放电的起始电压（六）滑闪放电的起始电压（六）滑闪放电的起始电压滑闪放电起始电压：（七）提高沿面放电起始电压的方法减小比电容；采用介电常数小的介质减小表面电阻率三 极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电因电场已很不均匀，故介质表面积聚电荷使电压重新分布所造成的电场畸变不会显著降低沿面放电电压电场垂直分量小，沿表面不会有较大的电容电流流过，不会出现热电离现象，没有明显的滑闪现象。垂直于放电发展方向的介质厚度对放电电压实际上没有影响，为提高沿面放电电压，一般可从改进电极形状以改进电极附近的电场着手。2.3 线路绝缘子针式线
46、路绝缘子悬式绝缘子悬式绝缘子串线路绝缘子是输配电线路固定导线用的绝缘部件。分为针式、悬式和绝缘子串三大类。针式绝缘子悬式绝缘子绝缘子串一 针式线路绝缘子广泛用于610kV配电线路由于结构尺寸大和老化率高，已逐渐被悬式绝缘子取代二 悬式绝缘子随着输电线路电压的升高，为提高绝缘子的闪络电压需要增加闪络距离，因而增加了绝缘子的高度。35kV以上的高压线路都使用悬式绝缘子或悬式绝缘子串。根据结构外形，分为盘形和棒形两种。二 悬式绝缘子三 悬式绝缘子串悬式绝缘子一个突出的优点是：当工作电压增高时，可将多个绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串，绝缘子串的机械强度仍与单个元件相同，而闪络电压则随绝缘子片数的增
47、多而提高。盘形悬式绝缘子串中，串接绝缘子的线路数目决定于线路所要求的绝缘水平。35kV:2-3片；110kV：7片；220kV：13-14片；330kV：19-22片。四 长绝缘子串的电压分布由于绝缘子的金属部分与接地铁塔或带电导体间有电容存在，使得沿绝缘子串的电压分布不均匀。等值电路：绝缘子串的等值电路只考虑对地电容只考虑线路电容330kV绝缘子1绝缘子2均压环2.4 污秽绝缘子的沿面放电污秽地区绝缘子的运行介质表面脏污时的沿面放电影响脏污表面沿面放电的因素防止绝缘子污闪的措施一 污秽地区绝缘子的运行干燥情况下污秽物的电阻较大，受潮后泄露电流剧增，使闪络电压显著降低污闪不再是单纯空气间隙的击
48、穿，而是脏污表面气体电离和局部电弧发展、熄灭、重燃、再发展的过程各类污秽中以化工污秽最严重，水泥等次之引起污秽的气象条件则以雾、露、雪、毛毛雨为主二 介质表面脏污时的沿面放电（一）污秽闪络的基本过程1 1）表面电阻大的地方干得快，形成“干燥”带，电流变小，干燥带重新受潮；2 2）重复上述过程（a）起始受潮（b）干燥带（一）污秽闪络的基本过程3 3）干燥带承受高压，产生辉光放电。辉光放电具有上升的伏安特性，火花区域仍承受一定的电压。（c）辉光放电（一）污秽闪络的基本过程4 4）线状放电火花跳动，热量使干燥带扩大，湿润区 缩小；5 5）电流增大，引起热电离，形成局部电弧放电（d）局部电弧（一）污秽
49、闪络的基本过程6 6）电弧烘干邻近区域，并迅速发展7 7）电弧连通电极，形成闪络（e）表面闪络三 影响脏污表面沿面放电的因素污闪过程四个阶段：积污 受潮 干区形成 局部电弧脏污表面沿面放电过程中，表面泄漏电流是起主导作用的因素。泄漏电流与污秽层的电导、大气湿度、电源和加电压的方式以及介质表面形状和极间距离有关。辽沈地区20012001年2 2月2222日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区停电面积已经超过70%70%。辽沈停电事故是从高压输电线路污闪开始的。辽沈为我国重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙放电现象。辽沈停电事故中，几
50、乎所有的高压输电线路都出现污闪，停电事故最厉害的就是工业集中、污染严重的铁西区，该区全部停止了电力供应，损失巨大。1 等值盐密法 优点：直观易懂，便于大范围测量 缺点：只反映了污秽中的导电部分 不反映污秽成分，不反映非导电物的含量，不反映污秽在绝缘子上的分布 或者说 只反映积污结果，不反映污秽的受潮，不反映局部电弧的发展。四 绝缘子表面污秽度的评定四 绝缘子表面污秽度的评定2 积分电导率法：通过计算绝缘子表面电导值3 泄露电流脉冲计数法：用泄露电流超过某预值的 脉冲电流的次数4 最大泄露电流法：5 污闪梯度法：6 局部电导率法：五 防止绝缘子污闪的措施（一）定期清扫 根据大气污秽程度，污秽性质