GIS装置及绝缘技术-第三章

《GIS装置及其绝缘技术》 2007年10月1日

GIS装置及其绝缘技术
Copyright ? 2007 Xi’an Jiaotong J Univ versity

高电压技术教研室 丁卫东

西安交通大学

Copyright ? 2007 Xi’an Jiaotong J Univ versity

第三章 表面粗糙度和导 电微粒对SF6绝缘的影响

内容
?GIS的绝缘弱点 ?电极材料对放电的影响 ?电极表面粗糙度对放电的影响 ?电极的面积效应 ?导电微粒污染的影响 ?控制微粒污染作用的技术

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GIS的绝缘弱点
SF6气体绝缘不是完美无缺的 对均匀间隙，当p p=0.1 0.1 MPa时，SF6气体的击穿电场高达89 kV/cm，但在实际 工程应用中，SF6气体间隙的耐受电压远远达不到期望值。在许多情况下，运 行电压只是实验室中所测得的耐受电压的10%。 ① SF6气体绝缘对电场集中很敏感 ?电极表面粗糙度 ?导电微粒污染 ② 支撑绝缘子的沿面放电 ③ VFTO的问题

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电极材料对放电的影响
电极材料 加工工艺 清洗方法 不同 击穿电压不同 电极材料对放电有影响？

电极材料对SF6间隙的耐电强度无显著影响 本质因素：表面粗糙度 不同材料，采取不同加工方法后， 电极表面的微观结构不同，使得电 极表面轮廓算术平均偏差Ra有很 大差别的缘故。

SF6气体绝缘对电场集中敏感

击穿电压不同
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电极表面粗糙度对放电的影响
由于表面不是完全光滑的，在实际应用条件下，气体间隙的击穿起始E/p 小于(E/p)0。这种现象可以用电极表面粗糙度系数来描述。

Es p ξ= ( E p)0
物理模型 ?彼得逊模型 ?坦特福德模型 电场分布

2R3 ] E ( x) = Ea [1 + 3 ( x + R)
α ( x) = c[ E ( x) / p ? ( E / p) 0 ]

流注击 穿判据

xc

∫ α ( x)dx = K
0

其中

α ( xc ) = 0

得到
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ξ = g ( pR)
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电极表面粗糙度对放电的影响

当pR R比较小时，ζ接近1，这意味着粗糙度对击穿没有任何影响。 当pR比较大时，击穿电压大幅下降

判据 pR < pRcr
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电极表面粗糙度对放电的影响
如果采用坦特福特模型，会得到同样的结果，事实上，无论突起的形状如何， 突起物对原电场击穿特性无影响的临界条件可以写为：
Bph = K

亦即
ph = K K c = =M B ( E p) 0

B=c(E ( /p)0，M为气体的优异值

?气体的优异值越大，越能容忍表面粗糙度

?实际的电极上，通常有多过连续突起，由于突起之间的相互屏蔽作用，使 得突起高度对电场的畸变作用减小，这时粗糙度开始下降的临界值开始变大。

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电极的面积效应
SF6气体间隙的击穿电压与电极的面积有关 在增加电极面积不会改变SF6气体间隙电场分布的情况下，间隙的击穿电 压随着电极面积增加而降低。在冲击电压下，击穿概率将随着电极面积 的增大而增大。(电极表面缺陷出现的概率) ?随着面积增加，击穿场强逐渐降低并 收敛于渐近值。 ?大面积电极受表面粗糙度影响小于小 面积电极。

实验室条件下，使用小面积电极 所得到的 SF6 间隙击穿电压值， 不能直接用于实际的大型绝缘系 统。
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电极的面积效应
电极的老练 在一定的条件下，气体间隙的击穿电压开始随着放电次数的增加而提 高，最后达到稳定值。这种现象的出现是由于电极的老练过程而引起 的。 气体间隙击穿电压的提高，是由于放电烧掉了落在电极表面的灰尘或 电极表面的毛刺引起的。在高压实验中，试验前经常要老练电极以得 到稳定有效的实验结果。 太光滑的电极和太粗糙的电极老练都用处不大。

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导电微粒污染的影响
导电微粒的危害 ?诱发气体间隙击穿 ?造成沿面放电 ?形成局部放电，分解SF6气体，从而危害绝缘系统的安全
?非金属微粒对SF6气体绝缘系统的影响很小，一般不需要特殊关注

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导电微粒污染的影响
微粒尺寸和形状 ?直径低至1μm的金属微粒仍然能引起击穿电压的降低 ?细长型微粒的影响要比球形微粒大的多

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导电微粒污染的影响
导电微粒的运动： 在一定条件下，导电微粒有可能在电场力的作用下在SF6绝缘系统中运动，影 响微粒运动的因素包括：
?微粒形状、微粒密度、间隙电场分布、微粒所带电荷量
z HVE 运行方向 Fq
z HVE Fq 运行方向 导电微粒 G x

θ0
0

θ
x0

r Fgrad GE

导电微粒 Ffric G x
0 x0

θ0

θ

r

Fgrad Fvisc GE

( )微粒在接地电极表面时 (a)

(b)微粒在间隙中悬浮时

不均匀电场下自由导电微粒受力模型 重力、气体浮力、净电荷所受电场力、介电电泳力、摩擦力、气体粘滞阻力等
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导电微粒污染的影响
直流电压下，微粒在电场的作用下起跳 并飞向另一电极，并在电极间来回运动。 如果微粒端部强电场处出现电晕，将产 生“飞萤”现象，微粒将徘徊在负电极 附近。

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导电微粒污染的影响
交流电压下，微粒运动与直流电压不同，微粒起跳后，并不马上穿越间隙， 只有当电压明显增加后才开始穿越。 起跳 穿越 击穿

微粒越长，对击穿电压的影响越大
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导电微粒污染的影响
脉冲电压下，微粒受力持续时间很短，在脉冲持续时间之内，微粒基本不会 移动，故脉冲电压对微粒的运动基本没有什么影响。
直流、交流、脉冲电压下自由导电微粒影响的比较 ?直流下出现飞萤现象，击穿电压降低很多 ?起跳后并不马上穿越间隙，有可能以很长周期徘徊接近某一电极 ?对自由导电微粒的运动影响较小

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导电微粒污染的影响
固定微粒的影响
相当于电极上长了“毛刺”

?起晕电压低，造成局部放电
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?冲击电压下击穿电压低
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导电微粒污染的影响
导电微粒诱发击穿的机理
?微粒端部电场发生畸变使得电场集中 ?运动微粒周围气体密度下降 ?微粒与电极之间的微放电造成的触发作用 ?微粒端部与电极接触瞬间的冲击电场

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控制微粒污染作用的技术
(1)电极上覆盖介质

覆盖介质有助于提高击穿电压 （阻止微粒获得电荷）
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覆盖介质厚度小于250μm的范围内，击 穿电压将随着介质厚度的增加而增加。
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控制微粒污染作用的技术
覆盖介质的副产品：改善电极粗糙度对击穿电压的影响

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控制微粒污染作用的技术
(2)采用混合气体（SF6/N2）绝缘

随着混合气体（SF6/N2）中SF6含量减少，pR的临界值上升，这表明 SF6/N2混合气体绝缘系统更能容忍表面粗糙度的影响。同样，混合气体 也比纯SF6绝缘系统更能容忍导电微粒的影响。
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控制微粒污染作用的技术

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控制微粒污染作用的技术
(3)改进支撑绝缘子的结构设计

a=0.5 mm (SUS)
lift

H.V.E.

Init. p.

140

150

160 x [mm]

170

180
GE G.E.

A

B

C

D

绝缘子和外壳接触处改为钝角

插入金属屏蔽电极

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控制微粒污染作用的技术

x0

x0

采用带棱的绝缘子

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控制微粒污染作用的技术

a=1.0mm(SUS) Escape & oscillate Trap-rib spacer

H.V.E

Par. initial P i iti l position

Bottom view
x0 Lowfield particletrap x0

9mm

35mm

9mm

Cross sectional view
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?采用带微粒捕获陷阱的绝缘子 ?倾斜的屏蔽电极

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控制微粒污染作用的技术
(4)微粒陷阱+粘性涂料

(5)电压老练

GIS安装完成之后，将交流电压连续升压 至试验电压值的方法是冒险的。逐级加压 来老练是更加可取的方法。这种试验程序 是为了让导电微粒可以有足够的时间在较 低的电压下运动到微粒陷阱，从而避免在 试验电压下由自由导电微粒引起的击穿。
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练习
( ) 当电极材料不同、加工方法不同时，SF6间隙击穿电压存在差别的主要 (1) 原因是什么？ (2) 实验室使用小面积电极得到的实验数据是否能直接用于实际工程中？为 什么？ (3) 如何控制GIS设备中自由导电微粒的影响？

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