操作電壓下氣隙的擊穿電壓特性

電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時(shí)，因狀態(tài)發(fā)生突然變化而引起電感和電容回路的振蕩產(chǎn)生過(guò)電壓，稱為操作過(guò)電壓。操作過(guò)電壓的峰值可高達(dá)最大相電壓的3~3.5倍，因此為保證安全運(yùn)行，需要對(duì)高壓電氣設(shè)備的絕緣考察其耐受操作過(guò)電壓的能力。在電力系統(tǒng)中的操作過(guò)電壓作用下空氣間隙的擊穿特件，過(guò)去曾認(rèn)為與工頻電壓的擊穿特性差別不大，其電壓擊穿介于電壓擊穿和工頻電壓擊穿之間，一般可以引入某個(gè)操作系數(shù)把操作過(guò)電壓折算成等效工頻電壓來(lái)考慮，故早期的工程實(shí)踐中，常采用工頻電壓試驗(yàn)來(lái)考驗(yàn)絕緣耐受操作過(guò)電壓的能力。近20年來(lái)，隨著電力系統(tǒng)工作電壓的不斷提高，操作過(guò)電壓下的絕緣問(wèn)題越來(lái)越突出，從而廣泛地開(kāi)展了對(duì)操作過(guò)電壓波形下氣體絕緣放電特性的研究。在研究中發(fā)現(xiàn)了一系列新的特點(diǎn)，如波形對(duì)電壓擊穿有很大的影響，在一定的波形下操作50%電壓擊穿甚至比工頻電壓擊穿還要低等等。因此目前的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)額定電壓在300kV以上的高壓電氣設(shè)備要進(jìn)行操作電壓試驗(yàn)。這說(shuō)明操作電壓下的擊穿只對(duì)長(zhǎng)間隙才有重要意義。

為了模擬操作過(guò)電壓，需要規(guī)定一定的標(biāo)準(zhǔn)波形，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的操作電壓標(biāo)準(zhǔn)波形是與電壓波形相類似的非周期性指數(shù)衰減波，只是波前時(shí)間T₁比半峰值時(shí)間T₂長(zhǎng)得多，規(guī)定的操作電壓標(biāo)準(zhǔn)波形為250/2500μs，容許的偏差為波前時(shí)間加減±20%，半峰值時(shí)間±60%。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)波形不能滿足要求時(shí)，可選用100/2500μs或500/2500μs的波形。用電壓發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)操作波時(shí)，發(fā)生器的效率很低，所以在工程實(shí)踐中也常采用振蕩操作波代替非周期性的指數(shù)哀誠(chéng)的標(biāo)準(zhǔn)波形。

通常采用與波相似的非周期性指數(shù)衰減波來(lái)模擬頻率為數(shù)千赫的操作過(guò)電壓，研究表明，長(zhǎng)空氣間隙的操作擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其電壓擊穿與波前時(shí)間有關(guān)而與波尾時(shí)間無(wú)關(guān)。圖1-21是棒一板空氣間隙的正極性操作U_50%和波前時(shí)間的關(guān)系。從圖中可以看出，曲線呈“U"形，在某一波前時(shí)間（稱為臨界波前時(shí)間）下U_50%有極小值。這個(gè)極小值可能比間隙的工頻電壓擊穿還低。隨著間隙距離的增大，臨界波前時(shí)間也增加，對(duì)于輸電線路和變電所的各種形狀的空氣間隙，操作波形對(duì)電壓擊穿都具有類似的影響。出現(xiàn)“U"形曲線在正極性下更為明顯。

圖1-22給出空氣中棒一板間隙在正極性和操作波作用下電壓擊穿的比較(圖中數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的)。由圖1-22可見(jiàn)，長(zhǎng)間隙的電壓擊穿遠(yuǎn)比操作電壓擊穿要高，且操作電壓擊穿在間隙長(zhǎng)度超過(guò)5m時(shí)呈現(xiàn)明顯的飽和趨勢(shì)。從圖1-22還可看出，間隙距離越大，則最小電壓擊穿與標(biāo)準(zhǔn)正極性操作波下的電壓擊穿的差別越大。當(dāng)間隙長(zhǎng)度達(dá)25m時(shí)，操作下的低擊穿強(qiáng)度僅為1kV/cm，對(duì)于圖1-22所示的操作波下的最小電壓擊穿U_min在間隙距離S=1～20m范圍內(nèi)，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)

棒—板間隙的操作電壓擊穿比同樣距離的其他間隙要低，其他間隙的操作電壓擊穿U_a可根據(jù)其間隙系數(shù)k和棒一板間隙的操作電壓擊穿U_r(均指50%電壓擊穿)來(lái)估算：即

間隙系數(shù)k與間隙的幾何形狀，也就是間隙中的電場(chǎng)分布有關(guān)，k的數(shù)值可在絕緣手冊(cè)中查到：但在工程中為了保證可靠性和經(jīng)濟(jì)性，常需要在1：1的模型上進(jìn)行試驗(yàn)以取得可靠的數(shù)據(jù)。