高电压技术

高电压技术知识总结，包括气隙的沿面放电、影响气隙沿面闪络电压的因素、提高气隙沿面闪络电压的方法三部分。

第二章

• 2-6气隙的沿面放电
  • 1. 气隙的沿面放电：沿着气体与固体（或液体）介质的分界面上发展的放电
    • 分界面气隙场强中法线（对分界面而言，下同)分量较弱
      • 例子1
        • 在均匀电场中放置一圆柱形固体介质，柱面完全与电场力线相平行。
        • 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的，且此沿面闪络电压总显著低于纯气隙的击穿电压。
        • 原因
          • (1)固体介质表面不可能绝对光滑，总有一定程度的粗糙性，致使贴近固体介质表面薄层气体中的微观电场有一定程度的不均匀,局部场强被增大。
          • (2)固体介质表面多少会吸附一些气，体中的水分,引起介质表面电场的畸变。
          • (3)固体介质表面电导不均匀，也会造成沿面电场不均匀。
          • (4)固体介质与电极的接触如不很紧密,留有缝隙时,沿面闪络电压将降低较多。
        • 在大致均匀的电场中，各处的宏观场强相差不大，任何一处出现沿面放电，将立即发展为整个气隙的闪络，不存在稳定的局部沿面放电。
        • 在工程实际中，均匀电场的情况自然是很少遇到的,但经常用在对沿面放电基本特性的研究中。
      • 例子2
        • 工程实例如支柱绝缘子
        • 现在即使没有固体介质存在，电场已经是很不均匀的了，所以，任何其他使不均匀性增大的因素（如放入固体介质)，对气隙击穿电压的影响不会像在均匀电场中那样显著，在这种情况下，沿面闪络电压比纯气隙的击穿电压低得不多。
      • 以上这两种情况，当气隙距离不很大(S<0.5m)时，沿面闪络电压大体上与沿面闪络距离成比例，饱和现象不显著。
    • 分界面气隙场强中法线分量较强
      • 例子1
        • 工频电压作用下
        • 棒―板型电场布置
        • 浅蓝色的电子崩性质的电晕放电：随着外施电压的逐渐升高，在上电极边缘处的窄气隙中，电场的法线分量和切线分量都很强，气体首先电离，形成放电。
        • 刷形放电：电压升高时，放电向外发展，形成许多向四周辐射的细线状流注性质的放电。
        • 滑闪放电：电压升高到超过某临界值时，放电的性质发生变化，其中某些细线的长度迅速增长，并转变为较明亮的浅紫色的树枝状火花。这种树枝状火花具有较强的不稳定性，不断地改变放电通道的路径，并有轻的爆裂声。
        • 沿面闪络：电压再升高时，滑闪放电火花中有的突发地增长，得以贯穿到对面电极。
      • 例子2
        • 单极性的冲击电压作用下
        • 随着极性不同有很大差异
      • 例子2
        • 在流注性放电范围内，相同电压幅值作用下
        • 正、负极性冲击沿面放电半径比(R+/R_)约为2
        • 在快速交变电压下产生
      • 简单地增大套管的长度(即增大闪络的距离)以求提高闪络电压,其效果是不良的。
      • 套管绝缘子的等效电路可见，各段表面的C和G值愈大，则流过各分路中的电流就愈大，各段表面间轴向电位梯度的差异就愈大，即轴向电位分布愈不均匀，容易导致从法兰起始发展沿面放电。而若在靠近法兰处套管的表面电阻在一定程度上适当减小，则可使法兰附近的最大沿面电位梯度减小，从而阻抑沿面放电的发展。
  • 2. 闪络：沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击穿
• 3-7影响气隙沿面闪络电压的因素
  • 1. 电场和电压的影响
    • 不同种类电压
      • 在稳态高频电压作用下，介质表面电阻不均匀性的影响较小，故闪络电压较高
      • 在直流电压或工频电压作用下，这个影响较大，故闪络电压较低
      • 工频闪络电压比直流时还低的原因：介质表面的电导属离子电导，离子迁移的速度较慢，工频正半周时,正极附近表面的负离子迁移到正极而中和，留下正离子尚来不及迁移到负极，电源却已改变了极性，原来的正极变为负极，该正离子就在负极附近造成附加场强，促使闪络电压比直流时还低。
      • 在均匀场中，不论电压波形如何，闪络电压与闪络距离大致呈线性关系
    • 当闪络距离不超过2m时，闪络电压与闪络距离之间有较好的线性关系
    • 场强具有很强的法线
      • 如为直流电压，则闪络电压与闪络距离之间仍近似保持线性关系
      • 当为工频、高频或冲击电压，则随着闪络长度的增大，闪络电压有显著的饱和趋势，介质愈薄，比表面电容愈大，则闪络电压愈低。
  • 2. 气体的影响
    • 气压
      • 在大体均匀的电场中，气压增高时，闪络电压也将增高，但其程度远不如纯气隙中显著。
      • 在不均匀电场中，气压初始增高时，闪络电压有较显著的增加，但当气压超过一定数值时，闪络电压几乎不再增加，甚至出现最大值的情况。
      • SF气体绝缘多用在稍不均匀场，在常用的气压范围内(0.06~0.5MPa)，不论是何种电压波形，沿面耐电场强与气压几乎呈线性关系。
      • 在气体压强p<4×10^-3Pa范围内，沿面闪络电压几乎为恒定值，不随气压而变; 而在1Pa> p>4×10^-3Pa范围内，沿面闪络电压随真空度的减弱而急剧降低; 在p>1Pa范围内，沿面闪络电压又趋向较为稳定，随气压的增大而较为平缓地增大。
      • 特性曲线在p约为4×10^-3Pa和 p约为1Pa这两点存在显著的拐折
    • 湿度
      • 当气体的相对湿度小于40%时,湿度对各种固体介质沿面闪络电压均无多大影响
      • 当气体的相对湿度大于40%时，湿度对闪络电压的影响视水分吸附在介质表面的状况而定
        • 若为憎水性很强的介质（如硅橡胶等)，介质表面基本上不存在凝露时，其闪络电压与气体湿度的关系,将遵循Kh=K^W
        • 若为亲水性很强的介质（如玻璃、陶瓷等)，则当气体的相对湿度增大时(尤其当>80%时)，介质表面通常都会出现凝露,此时，闪络电压将很不稳定,分散性很大，总体上将显著降低。
  • 3. 表面状态
    • 表面粗糙度
      • 介质表面的粗糙度影响介质表面薄层气隙中的微观电场
      • 在常压下的一般气体中，介质表面粗糙度对闪络电压的影响尚不显著
      • 在高气压的SF。气体中，影响较显著
    • 雨水
      • 工频沿面闪络电压随雨水电阻率的增大而提高,但有饱和趋势，当雨水电阻率超过120Q·m后,饱和趋势就很强了。
      • 工频沿面闪络电压随雨量的增大而降低,但也有饱和趋势，当雨量增到4mm/ min后，闪络电压基本稳定了。
      • 电压波形的等值频率愈高，电压作用的时间愈短，则湿闪电压愈高、
    • 覆冰
      • 覆冰在冻结状态时，由于冰层本身的电导率并不高，故覆冰对绝缘强度的影响尚不很大
      • 覆冰在融化状态时，其对绝缘强度的影响则近似雨水。
      • 危害：冻结与融化反复交替，冰水沿绝缘子伞裙外缘下垂，积累凝成冰凌。对于由多个绝缘子串成的绝缘子链或具有多个伞裙的长棒形复合绝缘子来说，上层伞裙周边诸多悬垂冰凌逐渐增长，有可能达到与下层伞裙相接，于是，相邻的伞裙被冰凌所“桥接”，使伞裙间原有的爬电距离被冰凌所短接，绝缘性能大降。
      • 现况：迄今尚未找到积极有效预防外绝缘上冰凌危害的办法
      • 解决方法；采用一大伞二小伞结构的长棒形复合绝缘子，因其相邻两大伞间的间距较通用的盘形悬式缘子链的相应间距长,故其避免冰凌桥接的性能较好
    • 污秽
      • 单纯的尘土和烟灰对沿面闪络电压的影响不大
      • 化工厂、冶金厂、水泥厂附近或沿海地带，沉积在绝缘上的尘污，因其含有高电导率的溶质，当与水分作用时，能使沿面闪络电压降低很多
      • 对污闪来说最严重的大气条件是雾和毛毛雨
      • 污闪的过程
        • 单个绝缘子
          • 子主题
        • 一串绝缘子
          • 分布在各个绝缘子上的电压不仅不是固定的，而且也不只是由各个绝缘子自身在此时的状态所决定，而是由整串绝缘子在此时的状态所共同决定
            • 当其中某个绝缘子上首先形成环形烘干带时，则加在此带上的电压就不仅是原来分布在该绝缘子上电压的大部分，而是整串绝缘子总电压中的一部分，所以很容易触发闪烁放电
            • 有在多个绝缘子上均已形成环形烘干带时，分在每个烘干带上的电压才减小下来。
          • 流过某个绝缘子的泄漏电流不仅取决于该绝缘子在此时的状态，还取决于整串绝缘子在此时的状态。
      • 具有同一等值盐密但其污秽的性质和状态不同的各自然污秽绝缘子，其闪络电压也常有较大的差异，其原因：
        • 有些自然形成的污层较厚、较坚实，在自然雾或雨下，污层内部的可溶性物质很难溶解人绝缘子表面薄薄的一层水膜中，而在求其等值盐密时，却是将绝缘子表面的全部积污刮刷下来并充分溶解于大量水中的，两者的作用有可能相差好几倍
        • 自然污秽中含有多种成分，其中强电解质在实际遇到的较大的溶液浓度时仍能充分离解，而弱电解质则不然
      • 污层电导率
        • 反映污秽特征的参数
        • 在较低电压U下对饱和受潮的绝缘子测定其泄漏电流Ⅰ，从而算出其表面污层电导率σ
        • σ=If/U
      • 总体来说在其他条件相同的情况下，直流电压作用下，绝缘体上的积污度比交流电压作用下高得多
      • 绝缘的直流污闪电压与电压的极性有关
      • 输变电设备外绝缘的配置要考虑运行中可能遇到的工作电压、内过电压和外部过电压3种电压的作用
      • 我国电网由于受到大气污染的影响较重，外绝缘水平一般由工作电压控制，因此输变电设备外绝缘配置主要取决于外绝缘的耐污闪能力。
• 3-8提高气隙沿面闪络电压的方法
  • 1. 屏障
    • 如果使安放在电场中的的固体介质在电场等位面方向具有突出的棱缘（称为屏障)，则将能显著地提高沿面闪络电压
    • 原因：电子或离子沿平行于等位面的屏障表面运动时，不能从电场吸取能量以发展电离的缘故。
    • 效果
      • 平行于等位面的突缘的长度愈大，就能使沿面闪络电压提高得愈多; 靠近电极处的屏障作用比远离电极处的屏障作用更大些，这是因为电离尚未充分发展即被阻止的缘故
      • 靠近电极处的屏障作用比远离电极处的屏障作用更大些，这是因为电离尚未充分发展即被阻止的缘故
  • 2. 屏蔽
    • 改善电极形状，使沿固体介质表面的电位分布均匀化，使其最大电位梯度减小
  • 3. 加电容极板
    • 在交变电压下工作的多层式绝缘结构中，常在各层间加放金属极板，使在两极间形成一串联、并联电容链
  • 4. 消除窄气隙
    • 一般来说，电极附近的场强总是最大的，如该处的电通量密度线贯穿固体介质和气隙(尤其是窄气隙）时,由于固体介质的介电常数比气体介质的大得多，窄气隙中的场强必然被大为强化，容易产生电离
    • 将电极附近的绝缘结构设计得避免窄气隙的存在。若不可避免地存在窄气隙,那就设法使气隙两边等电位，即
  • 5. 绝缘表面处理
    • 很多有机绝缘物，特别是以纤维素为基础的有机绝缘物，具有很强的吸水性 还因为其化学结构中含有OH基，使纤维素分子具有亲水性。 受潮后，它们的绝缘性能就大为恶化。
    • 陶瓷和玻璃等绝缘物，虽不吸水和不透水，但它们都是离子型电介质，具有较强的亲水性，水分在它们的表面能形成一层完整的薄膜，大大增加了其表面电导，降低了其沿面闪络电压。
    • 有多种硅有机化合物具有高度的憎水性和电气绝缘性能,用这类硅有机材料对介质表面作憎水处理（浸渍、喷涂或熏蒸)，可以大大提高这些介质的憎水性
  • 6. 改变局部绝缘体的表面电阻率
    • 对具有较强法线分量的不均匀场，适当减小靠近电极强场处介质的表面电阻率，可使最大沿面电位梯度减小，从而提高沿面放电电压或起晕电压。
    • 在绝缘表面涂覆具有适当电阻率的半导体漆，即可调节绝缘的表面电阻到所需的值。
  • 7. 强制固定绝缘沿面各点的电位
    • 在静电加速管、串级高压试验变压器等设备中常可见到这种方法的应用
  • 8. 3-8-8附加金具
    • 在多个电器元件联结枢纽处，另附加某种金具(在电气上当然与该联结枢纽相通)，可以简单而有效地调整该结点附近的电场，改善该结点附近气隙放电和沿面放电的性能
    • 优点
      • 由于它是作为一个独立元件附加到结点上去的，这就可以统一考虑和有效地照顾到与该枢纽相联结的多个电气部件对电场调整的要求,减轻联结点多个电器各自对电场调整原有的负担,改善多方面的电性能;
      • 独立的附加金具本身的设计、制作、安装等也比较灵活和简便。
    • 有些场合,附加金具的作用不仅在于改善绝缘外表面的电场分布，提高外绝缘的放电电压,更主要的目的是为了使电器内部多个串联元件间的电压分布均匀化
  • 9. 阻抗调节
    • 从根本上改善沿绝缘子链电压分布
    • 半导体釉
      • 具有负的电阻温度系数，这有助于电压分布均匀化的自动调节
      • 半导体釉表层的少量发热和温升，可减少大气中的水分在绝缘子表面的凝结，还能烘干绝缘子表面已有的水分，能大大提高绝缘子的湿污闪电压
      • 对半导体釉的性能研究得不够，这种绝缘子的价格也较贵，因而尚未推广应用。