高电压技术 高电压技术.

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1 高电压技术 高电压技术

2 项目一：高电压绝缘材料的认识 学习情境一：气体绝缘材料的认识
项目一：高电压绝缘材料的认识 学习情境一：气体绝缘材料的认识

3 教学目标 能用相关理论解释均匀电场和不均匀电场的击穿过程。 能区别在不同电场、不同性质电压下， 气体间隙的击穿特性。
能正确运用各种提高气体间隙击穿电压的方法。

4 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。

5 气体电气强度取决于： 所加电压的类型 雷电过电压 操作过电压 工频交流电压 直流电压 电场形式
均匀或稍不均匀电场中，气体击穿场强为30kV/cm 极不均匀电场，达到30kV/cm出现电晕

6 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 球间隙 同轴圆筒

7 一、均匀直流电场的击穿特性 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。
均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 一、均匀直流电场的击穿特性 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。 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。

8 两个电极形状完全相同且对称布置，因而不存在极性效应。 均匀电场中各处的电场强度均相等，击穿所需的时间极短
均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 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

9 图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：
均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 图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：

10 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 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：

11 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 相应的平均击穿场强： (kV/cm) 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=1~10cm的范围内，其击穿场强约为30kV/cm。

12 均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 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 d<D/4时，与均匀电场相似 d>D/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

13 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。
均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 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。

14 小 结 均匀电场 消除电极边缘效应的平板电极 板间距离d一般不大 击穿特性符合巴申定律 稍不均匀电场
均匀电场和稍不均匀电场的击穿特性 小 结 均匀电场 消除电极边缘效应的平板电极 板间距离d一般不大 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

15 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

16 其它类型不均匀电场气隙击穿特性介于这两种之间。
极不均匀电场气隙的击穿特性 在各种各样的极不均匀电场气隙中： “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。

17 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。
极不均匀电场气隙的击穿特性 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。

18 极不均匀电场气隙的击穿特性 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。

19 极不均匀电场气隙的击穿特性 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。

20 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”空气间隙的试验结果。
极不均匀电场气隙的击穿特性 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”空气间隙的试验结果。

21 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。
极不均匀电场气隙的击穿特性 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。

22 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。
极不均匀电场气隙的击穿特性 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%。

23 三、雷电冲击电压 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2－8所示。
极不均匀电场气隙的击穿特性 三、雷电冲击电压 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2－8所示。

24 对于1.2/50uS标准冲击电压波上述两图亦适用。
极不均匀电场气隙的击穿特性 气隙长度更大的实验结果见图2－9。 对于1.2/50uS标准冲击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。

25 极不均匀电场气隙的击穿特性 四、操作冲击电压 我国采用如图1－17所示的±250/2500us标准操作冲击波形。

26 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
极不均匀电场气隙的击穿特性 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：

27 极不均匀电场气隙的击穿特性 (1)操作冲击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。

28 (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。
极不均匀电场气隙的击穿特性 (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。

29 (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。
极不均匀电场气隙的击穿特性 (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。 (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。

30 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
极不均匀电场气隙的击穿特性 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

31 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 对空气密度的校正 对湿度的校正 对海拔的校正

32 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气条件和正常海拔高度。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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。

33 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。
国标规定的大气条件： 温度：t0=20摄氏度或T0=293K； 压力：p0=101.3kPa(760mmHg)； 绝对湿度：hc=11g/m3。

34 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：
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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： ：空气密度校正因数 ：湿度校正因数 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。

35 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。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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：

36 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.
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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.

37 在大气条件下，气隙的击穿电压随 的增大而提高。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 在大气条件下，气隙的击穿电压随 的增大而提高。 实验表明，当 处于0.95～1.05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：

38 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。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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关系。

39 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0.4～1.0的范围内变化,具体取值国家标准中有规定。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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0.4～1.0的范围内变化,具体取值国家标准中有规定。

40 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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。

41 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。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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。

42 在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，这时可以用下面的湿度校正因数来加以修正：
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 在极不均匀电场中，湿度的影响就很明显了，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。

43 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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。

44 大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 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Ka即： 而： 式中H为安装点的海拔高度，单位是m。

45 小 结 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。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 小 结 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。

46 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

47 提高气体介质电气强度的方法 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。

48 提高气体介质电气强度的方法 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

49 提高气体介质电气强度的方法 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。

50 图2-13表明采用不同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。
大气条件对气隙击穿特性的影响及校正 图2-13表明采用不同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。

51 提高气体介质电气强度的方法 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：

52 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：
提高气体介质电气强度的方法 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 ：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。

53 提高气体介质电气强度的方法 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。

54 提高气体介质电气强度的方法 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。

55 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。
提高气体介质电气强度的方法 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。 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。

56 提高气体介质电气强度的方法 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。

57 提高气体介质电气强度的方法 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2—15所示的“棒一板”气隙为例，最有利的屏障位置在x=(1/5～1/6)d处，这时该气隙的电气强度在正极性直流时约可增加为2～3倍。

58 但当棒为负极性时，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高气隙的击穿电压(例如20％)，而在大多数位置上，反而使击穿电压有不同程度的降低。
提高气体介质电气强度的方法 但当棒为负极性时，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高气隙的击穿电压(例如20％)，而在大多数位置上，反而使击穿电压有不同程度的降低。

59 在冲击电压下，屏障的作用要小一些，因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少。
提高气体介质电气强度的方法 在冲击电压下，屏障的作用要小一些，因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少。 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。

60 提高气体介质电气强度的方法 四、采用高气压 在常压下空气的电气强度是比较低的，约为30kV/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。

61 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。
提高气体介质电气强度的方法 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。

62 图2—16为不同气压的空气和SF6气体、电瓷、变压器油、高真空等的电气强度比较。从图上可以看出：2．8MPa的压缩空气具有很高的击穿电压。
提高气体介质电气强度的方法 图2—16为不同气压的空气和SF6气体、电瓷、变压器油、高真空等的电气强度比较。从图上可以看出：2．8MPa的压缩空气具有很高的击穿电压。 1-空气，气压为2.8MPa 5-电瓷 2-SF6，0.7Mpa SF6,0.1Mpa 3-高真空 空气,0.1Mpa 4-变压器油

63 提高气体介质电气强度的方法 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0．7MPa左右的气压就够了。 1-空气，气压为2.8MPa 5-电瓷 2-SF6，0.7Mpa SF6,0.1Mpa 3-高真空 空气,0.1Mpa 4-变压器油

64 提高气体介质电气强度的方法 五、采用高电气强度气体 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。

65 但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件：
提高气体介质电气强度的方法 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。

66 SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术性能也相当好，因此SF6及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用。
提高气体介质电气强度的方法 SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术性能也相当好，因此SF6及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用。

67 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。
提高气体介质电气强度的方法 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，使高真空难以长期保持。

68 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。
提高气体介质电气强度的方法 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。

69 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；
提高气体介质电气强度的方法 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。

70 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

71 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(首先是断路器)中；
六氟化硫和气体绝缘电气设备 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(首先是断路器)中； 至今已是除空气外应用最广泛的气体介质。

72 六氟化硫和气体绝缘电气设备 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。

73 目前SF6不但应用于单一电力设备，如：SF6断路器、气体绝缘变压器等。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 目前SF6不但应用于单一电力设备，如：SF6断路器、气体绝缘变压器等。 也被广泛采用于将多种变电设备集于一体并密闭充SF6 气体的容器之内的封闭式气体绝缘组合电器（GIS）和充气 管输电线等装置中。

74 六氟化硫和气体绝缘电气设备 一、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。

75 电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 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。

76 六氟化硫和气体绝缘电气设备 (一)均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿 SF6电负性气体中的碰撞电离和放电过程时，除了考虑前述中所说的 过程外，还应计及电子附着过程，它可用一个与电子碰撞电离系数  的定义相似的电子附着系数 来表示， 的定义是一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所发生的电子附着次数平均值。可见在电负性气体中的有效碰撞电离系数 应为：

77 参照下式，可写出均匀电场中的电子崩增长规律：
六氟化硫和气体绝缘电气设备 参照下式，可写出均匀电场中的电子崩增长规律： 式中：n0-阴极表面处的初始电子数； na-到达阳极时的电子数 这时应该注意：在一般气体中，正离子数等于新增的电子数；而在电负性气体中，正离子数等于新增的电子数与负离子数之和。所以在汤逊理论中不能将式(1—14)中的  简单地用(-)来代替而得出电负性气体的自持放电条件。

78 六氟化硫和气体绝缘电气设备 由于强电负性气体在实用中所处条件均属于流注放电的范畴，所以这里不再讨论其汤逊自持放电条件，而直接探讨其流注自持放电条件。为此，可参照式(1—20)写出均匀电场中电负性气体的流注自持放电条件为： 实验研究证明：对于SF6气体，常数K=10.5，相应的击穿电压为： (2—16) 式中：p-气压，Mpa，d-极间距离，mm (kV)

79 (2—17) (kV) 在工程应用中，通常pd<1MPa mm，所以上式可近似地写成：
六氟化硫和气体绝缘电气设备 在工程应用中，通常pd<1MPa mm，所以上式可近似地写成： (2—17) (kV) 式(2—16)和式(2—17)均表明，在均匀电场中SF6气体的击穿也遵循巴申定律。它在0.1MPa(1atm)下的击穿场强 ，几乎是空气的3倍。 前面已经提到，在气体绝缘电气设备中最常见的是稍不均匀电场气隙，例如同轴圆筒间的气隙。

80 六氟化硫和气体绝缘电气设备 图2—17给出R/r=1.67～4．06的同轴圆筒中SF6的击穿场强Eb与气压p的关系曲线，由图中可见击穿场强并不与气压成正比，而是增加得少一些。

81 六氟化硫和气体绝缘电气设备 在稍不均匀电场中，极性对于气隙击穿电压的影响与极不均匀电场中的情况是相反的，此时负极性下的击穿电压反而比正极性时低10％左右。冲击系数很小，雷电冲击时约为1.25，操作冲击时更小，只有1.05～1.1。

82 (二) 极不均匀电场中SF6的击穿 在极不均匀电场中， SF6气体的击穿有异常现象，主要表现在以下两个方面：
六氟化硫和气体绝缘电气设备 (二) 极不均匀电场中SF6的击穿 在极不均匀电场中， SF6气体的击穿有异常现象，主要表现在以下两个方面： 如图所示，首先是工频击 穿电压随气压的变化曲线存 在“驼峰”；

83 六氟化硫和气体绝缘电气设备 虽然驼峰曲线在压缩空气中也存在，但一般要在气压高达1MPa左右才开始出现，而在SF6气体中，驼峰常出现在0.1～0.2MPa的气压下，即在工作气压以下。因此，在进行绝缘设计时应尽可能设法避免极不均匀电场的情况。

84 其次是驼峰区段内的雷 电冲击击穿电压明显低 于静态击穿电压，其冲 击系数可低至0．6左右， 如图2—18所示。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 其次是驼峰区段内的雷 电冲击击穿电压明显低 于静态击穿电压，其冲 击系数可低至0．6左右， 如图2—18所示。

85 极不均匀电场中SF6气体击穿的异常现象与空间电荷的运动有关。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 极不均匀电场中SF6气体击穿的异常现象与空间电荷的运动有关。 我们知道，空间电荷对棒极的屏蔽作用会使击穿电压提高，但在雷电冲击电压的作用下，空间电荷来不及移动到有利的位置，故其击穿电压低于静态击穿电压；气压提高时空间电荷扩散得较慢，因此在气压超过0.1～0.2MPa时，屏蔽作用减弱，工频击穿电压会下降。

86 六氟化硫和气体绝缘电气设备 （三）影响击穿场强的其它因素 气体绝缘电气设备的设计场强值远低于理论击穿场强，这是因为有许多影响因素会使它的击穿场强下降。此处仅介绍其中两种主要影响因素，即电极表面缺陷和导电微粒。 1.电极表面缺陷 图2—19表示电极表面粗糙度Ra对SF6，气体电气强度Eb的影响。

87 可以看出：GIS的工作气压越高，则Ra对Eb的影响越大，因而对电极表面加工的技术要求也越高。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 可以看出：GIS的工作气压越高，则Ra对Eb的影响越大，因而对电极表面加工的技术要求也越高。 电极表面粗糙度大时，表面突起处的局部电场强度要比气隙的平均电场强度大得多，因而可在宏观上平均场强尚未达到临界值时就诱发击穿。

88 六氟化硫和气体绝缘电气设备 除了表面粗糙度外，电极表面还会有其它零星的随机缺陷，电极表面积越大，这类缺陷出现的概率也越大。所以电极表面积越大，SF6气体的击穿场强越低，这一现象被称为“面积效应”。 2.导电微粒 设备中的导电微粒有两大类，即固定微粒和自由微粒，前者的作用与电极表面缺陷相似，而后者因会在极间跳动而对SF6气体的绝缘性能产生更大的不利影响。

89 六氟化硫和气体绝缘电气设备 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： (一）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20 C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

90 六氟化硫和气体绝缘电气设备 温度约为-25℃，如果20℃时的充气压力为0.45MPa，则对应的液化温度为-40℃，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。 (二）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。

91 使SF6气体分解的原因： 电子碰撞、热和光辐射.
六氟化硫和气体绝缘电气设备 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：

92 通常吸附剂的放置量不小于SF6气体重量的10%.
六氟化硫和气体绝缘电气设备 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 通常吸附剂的放置量不小于SF6气体重量的10%. (三）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 低温时引起固体介质表面凝露，使闪络电压急剧降低 与HF形成氢氟酸，引起材料的腐蚀与导致机械故障

93 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。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 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。

94 二、六氟化硫混合气体 SF6气体价格较高 对电气不均匀度太敏感 液化温度不够低
六氟化硫和气体绝缘电气设备 二、六氟化硫混合气体 SF6气体价格较高 对电气不均匀度太敏感 液化温度不够低 目前国内外都在研究SF6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%。

95 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。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 三、气体绝缘电气设备 （一）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：

96 （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。
六氟化硫和气体绝缘电气设备 （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。

97 气体绝缘管道输电线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：
六氟化硫和气体绝缘电气设备 （二）气体绝缘管道输电线 气体绝缘管道输电线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，这一优点越明显。 (4)能用于大落差场合。

98 (三)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：
六氟化硫和气体绝缘电气设备 (三)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。

99 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：
六氟化硫和气体绝缘电气设备 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

100 小 结 电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大； 为了吸附SF6中有毒分解物和水分，采用吸附剂；
六氟化硫和气体绝缘电气设备 小 结 电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大； 为了吸附SF6中有毒分解物和水分，采用吸附剂； SF6混合气体在电气设备中获得应用； 了解几种气体绝缘电气设备： 封闭式气体绝缘组合电器(GIS)； 气体绝缘管道输电线； 气体绝缘变压器。

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