高电压技术气体放电流注理论.ppt

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1、1,气体放电的流注理论,工程上感兴趣的是压强较高气体的击穿，如大气压强下空气的击穿 特点：认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素，并强调了空间电荷畸变电场的作用 通过大量的实验研究（主要在电离室中进行的）说明放电发展的机理,2,流注理论的要点,电子崩阶段 空间电荷畸变外电场 流注阶段 光电离形成二次电子崩，等离子体,3,1.电子崩阶段,电子崩外形：电子崩中的电子数：nex例如，正常大气条件下，若E30kVcm，则 11cm-1，计算得到随着电子崩向阳极推进，崩头中的电子数目,4,空间电荷的分布及电场的变化,崩的头部集中了大量的电子，崩尾则是正离子。大大加强了崩头及崩尾的电场，削弱

2、了崩头内正、负电荷区域之间的电场,电子崩头部：电场明显增强，有利于发生激励或电离现象，当它们回复到正常状态时，放射出光子崩头内部正、负电荷区域：电场大大削弱，有助于发生复合过程，发射出光子,5,2.流注阶段,当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了外部的电场，并向周围放射出大量光子光子引起空间光电离，其中的光电子被主电子崩头部的正空间电荷所吸引，在受到畸变而加强了的电场中，造成了新的电子崩，称为二次电子崩,光电离、二次崩,1主电子崩 2二次电子崩3流注,6,正流注的形成,二次电子崩中的电子进入主电子崩头部的正空间电荷区（电场强度较小），大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等

3、离子体，这就是正流注 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场,1主电子崩2二次电子崩3流注,7,正流注向阴极推进,流注不断向阴极推进，且随着流注接近阴极，其头部电场越来越强，因而其发展也越来越快流注头部的电离放射出大量光子，继续引起空间光电离。流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成，这个电压就是击穿电压,8,在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为110-7秒 p=270毫米汞柱，E=10.5千伏/厘米,初始电子崩转变为流注瞬间照片p273毫米汞

4、柱E=12千伏/厘米,电子崩在空气中的发展速度约为1.25107cm/s,9,在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为11082108cm/s,10,负流注,当间隙上所加电压较高，间隙中电场很强时，电子崩在离开阴极不远就已经发展到畸变电场的程度了。这种情况下流注将在阴极附近形成并向阳极推进，最后击穿间隙。我们称之为阴极流注或负流注。,11,一旦形成流注，放电就进入了新的阶段，放电可以由本身产生的空间光电离而自行维持，即转入自持放电了。如果电场均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成的条件就是自持放电条件，在均匀电场中也就是导致击穿的条件,12,流注理论的自持放电条件,13,3.流注

5、理论对pd很大时放电现象的解释,1放电外形 Pd很大时，放电具有通道形式 流注出现后，对周围空间内的电场有屏蔽作用当某个流注由于偶然原因发展更快时，将抑制其它流注的形成和发展，并且随着流注向前推进而越来越强烈二次电子崩在空间的形成和发展带有统计性，所以火花通道常是曲折的，并带有分枝电子崩不致影响到邻近空间内的电场，不会影响其它电子崩的发展，因此汤逊放电呈连续一片-辉光放电,14,2放电时间 光子以光速传播，所以流注发展速度极快，这就可以说明pd很大时放电时间特别短的现象。3阴极材料的影响 根据流注理论，维持放电自持的是空间光电离，而不是阴极表面的电离过程，这可说明为何很大Pd下击穿电压和阴极材

6、料基本无关了。,15,1.1.5 不均匀电场中的气体放电,均匀电场是很少见的情况，工程中遇到的电场大多数是不均匀电场，特别是极不均匀电场。比如，高压输电线路线间的电场或导线对地的电场。另外还存在一些稍不均与电场。由于极不均匀电场的种类较多，我们不能一一进行讨论，只能选择典型的电场进行研究，然后将结论加以推广。,16,最典型的极不均匀电场,尖板电场 尖尖电场,17,1.稍不均匀电场和极不均匀电场的划分,为了区分各种不同的电场，引入电场不均匀系数 f 表示各种结构的电场的均匀程度 f4后，极不均匀电场,18,根据电场均匀程度和气体状态，可出现不同情况,电场比较均匀的情况 放电达到自持时，在整个间隙

7、中部巳达到相当数值。这时和均匀电场中情况类似 电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况 当大曲率电极附近达到足够数值时，间隙中很大一部分区域也都已达相当数值，流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿 电场极不均匀的情况 当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值时，间隙中大部分区域值都仍然很小，放电达到自持放电后，间隙没有击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大,19,极不均匀电场的放电特征,1.存在有局部放电现象2.放点存在明显的极性效应,20,1.局部放电现象电晕,极不均匀电场所特有的一种局部放电现象。它既可能是一种长期存在的局部放电，也可能是间隙击穿的第一阶段。,2

8、1,实验室内观察到的电晕,22,电晕放电现象及危害,电晕放电现象 电离区的放电过程造成。咝咝的声音，臭氧的气味，回路电流明显增加(绝对值仍很小)，可以测量到能量损失脉冲现象,(a)时间刻度T=125s(b)0.7A电晕电流平均值(c)2A电晕电流平均值,23,电晕放电会引起线路周围的物理效应和化学反应,物理效应：光、声、电风、噪声化学反应：产生具有强氧化性和强腐蚀性的物质电磁脉冲：干扰无线通讯和广播电视信号能量损耗：产生能量损耗，降低线路经济效益 有利方面：电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅 值及陡度；利用电晕放电改善电场分布，提高击穿电压；利用电晕放电除尘等,24,降低电晕危害的措施,基本

9、出发点是增加导线表面的曲率半径，提高电晕起始电压。采用大直径导线或扩径导线采用分裂导线,25,分裂导线,输电线路上的电晕,26,扩径导线,27,六分裂导线,导线位于正六边形的顶点,28,四分裂导线,导线间距450毫米,29,三分裂导线,30,二分裂,31,2.极性效应,以棒板间隙为例1.非自持放电阶段当棒具有正极性时 在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成,Eex外电场 Esp空间电荷的电场,32,当棒具有负极性时 电子崩中电子离开强电场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出现了

10、比较集中的正空间电荷，使电场畸变 棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电晕放电,Eex外电场 Esp空间电荷的电场,33,极性效应,实验表明：棒板间隙中棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高 U+（电晕）U-（电晕）,34,2.流注发展阶段当棒具有正极性时流注等离子体头部的正电荷减弱等离子体中的电场，而加强其头部电场（曲线2）电场加强的流注头部前方产生新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长流注通道，其尾部的正离子构成流注头部的正电荷 流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线3），促进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进,35,当棒具有负极性

11、时棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷，等离子体层呈扩散状分布，削弱前方电场（曲线2）在相当一段电压升高的范围内，电离只在棒极和等离子体层外沿之间的空间内发展等离子体层前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电荷加强等离子体层前沿的电场，形成了大量二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳极推进,36,极性效应,实验表明：棒板间隙中棒为负极性时击穿电压比正极性时高 U+（击穿）U-（击穿）,37,极不均匀电场中的放电过程（长间隙）,非自持放电阶段流注发展阶段先导放电 热电离过程主放电阶段,38,3先导放电,正棒负板间隙中先导通道的发展（）先导和其头部的流注；（）流注头部电子崩的形

12、成；（）由流注转变为先导和形成流注；（）流注头部电子崩的形成；（）沿着先导和空气间隙电场强度的分布,39,流注根部温度升高,热电离过程,先导通道,电离加强，更为明亮,电导增大,轴向场强更低,发展速度更快,长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙,40,4主放电,当先导通道头部极为接近板极时，间隙场强可达极大数值，引起强烈的电离，间隙中出现离子浓度远大于先导通道的等离子体 新出现的通道大致具有极板的电位，在它与先导通道交界处保持极高的电场强度，继续引起强烈的电离高场强区（强电离区）迅速向阳极传播，强电离通道也迅速向前推进，这就是主放电过程。,主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道,主放电发展

13、和通道中轴向电场强度分布图,41,1.2 气体介质的电气强度,1.2.1 持续作用电压下的击穿什么是持续作用电压？1.均匀电场：无极性效应 击穿时间短 不同性质电压作用下击穿电压基本相同，在间隙不太长的情况下约为30 kV/cm。2.稍不均匀电场：情况类似于均匀电场。,42,3.极不均匀电场：与前两者有很大的不同，电场不均匀度对击穿的影响减弱，极间距离对击穿电压的影响增大。而且电场和电压的形式不同，击穿的形式也不尽相同。,43,1.2.2 雷电冲击电压下的击穿,除了前述的持续作用的电压外，电力系统中还会出现另外一种电压，称为冲击电压，其特点是作用时间极短，电压幅值较高。冲击电压可分为雷电冲击电

14、压和操作冲击电压,44,1.雷电冲击电压的标准波形,雷电是自然界中最宏伟壮观的现象之一，也是间隙最长的空气击穿现象。为了对雷电现象进行科学研究要规定雷电冲击波的标准波形,45,（三）标准雷电冲击电压波 用来模拟雷电过电压波，采用非周期性双指数波。T1视在波前时间；T2视在半峰值时间；Um冲击电压峰值,国际电工委员会(IEC)和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30%；T2=50s20%通常写成1.2/50s。,（四）标准雷电截波用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪落后出现的截尾冲击波，如图。IEC标准和我国国家标准规定为：T1=1.2s 30%；Tc=25s。可写成1.2/25s.,46

15、,2.放电时延,最低静态击穿电压U0 击穿时间tb 升压时间t0、统计时延ts、放电发展时间tf、放电时延 tl 短间隙(1厘米以下)tfts，平均统计时延 较长的间隙中 tl主要决定于tf间隙上外施电压增加，放电发展时间也会减小,47,3.50%击穿电压,50%冲击击穿电压（U50%)指某气隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。,48,4.伏秒特性,气隙的伏秒特性在同一波形，不同幅值的冲击电压作用下，气隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为该气隙的伏秒特性。,49,（一）伏秒特性曲线的制作,保持一定的冲击电压波形不变，而逐级升高电压，以电压为纵坐标，时间为横坐标电压较低时，击穿一般发生在

16、波尾，取该电压的峰值与击穿时刻，得到相应的点电压较高时，击穿一般发生在波头，取击穿时刻的电压值及该时刻，得到相应的点,50,实际上伏秒特性具有统计分散性，是一个以上下包线为界的带状区域。工程上，通常取“50%伏秒特性曲线”来表征一个气隙的冲击击穿特性。,3-U0%2-U50%1-U100%,51,（二）伏秒特性的用途,间隙伏秒特性的形状决定于电极间电场分布伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义,3-2-6 对1 起保护作用,3-2-7在高幅值冲击电压作用下，不起保护作用,52,各种间隙的伏秒特性形状,由于间隙的放电时间都不会太长，所以随着时间的延伸，一切间隙的伏秒特性最后都将趋

17、于平坦。这时击穿电压就与时间无关了。但是特性曲线变平的时间与间隙电场的形式有很大的关系，均匀或稍不均匀电场的放电时延短，其特性曲线很快就会变平，而不均匀电场放电时延较长，曲线变平的时间也就较长了，换句话说不均匀电场的伏秒特性曲线“较陡”,53,50%冲击击穿电压与50%伏秒特性之间的关系,50%冲击击穿电压就是50%伏秒特性变平时所对应的电压,54,1.2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性,操作冲击电压是由于电力系统在发生变化时出现电磁振荡所引起的，它的幅值大小与系统的电压等级有关，最大可达到相电压峰值的34倍。,55,1.标准操作冲击电压波波形 用来等效模拟电力系统中操作过电压波，一般也用非

18、周期性双指数波。波前时间Tcr=250s20%；半峰值时间T2=2500s60%。可写成250/2500s冲击波。当在试验中上述波形不能满足要求时，推荐采用100/2500s 和 500/2500s 冲击波。此外还建议采用一种衰减震荡波下右图，第一个半波的持续时间在20003000s之间，极性相反的第二个半波的峰值约为第一个半波峰值的80%,标准操作冲击电压波,56,2.操作冲击放电电压的特点,U型曲线极性效应饱和现象分散性大邻近效应,57,1.2.4 大气条件对气体击穿的影响,前面分析的不同间隙在各种不同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、湿度等均会影响

19、到空气的密度、电子的自由行长度碰撞电离以及附着过程，所以也必然会影响到间隙的击穿电压，海拔高度亦如此。为了进行比较，所有的实验数据都必须必须换算到标准条件下。,58,我国的国家标准规定的标准大气条件,压力：温度绝对湿度,59,1.2.5提高气体击穿电压的措施,两个途径：一、改善电场分布，使之尽量均匀 改进电极形状 利用空间电荷畸变电场的作用 二、利用其它方法来削弱气体中的电离过程,60,1.电极形状的改进,增大电极曲率半径（简称屏蔽）减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩；采用扩径导线等改善电极边缘 电极边缘做成弧形使电极具有最佳外形 如穿墙高压引线上加金属扁球,61,2.空间电荷对原电场

20、的作用,由于极不均匀电场在击穿前一定先出现电晕放电，所以可以利用放电本身所产生的空间电荷,62,3.极不均匀电场中屏障的采用,63,由于大气压下空气的电气强度约为30kV/cm,即使采用以上措施，尽量提高电场的均匀度，其平均击穿场强也不会超过上述数值，要想进一步提高气体的电气强度就要想别的办法。,64,4.提高气体压力的作用,减小电子的平均自由行程，消弱电离过程,例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/51/8，提高压力至11.5MPa，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近 压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到采用如：高压空气断

21、路器、高压标准电容器等,65,5.高真空和高电气强度气体的采用,66,（1）高真空,削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压 高真空中击穿机理发生了改变：撞击电离的机制不起主要作用，而击穿与强场发射有关,67,（2）高电气强度气体,含有卤族元素的强电负性气体，其电气强度特别高，我们称之为高电气强度气体。如六氟化硫；氟利昂；四氯化碳等但能应用在电力工程中的只有六氟化硫及其混合气体。,68,六氟化硫气体的特点：,无色、无味、无嗅、无毒、不燃分子量 146 密度大，同样条件下为空气的五倍）耐热性好液化温度较低电气强度为空气的两倍，灭弧能力是空气的100倍以上可以与氮气混合使用，降低成本,

22、69,70,71,1.3 固体绝缘表面的气体沿面放电,电力系统中使用着大量的绝缘子。这些绝缘子的作用是将导电部分支撑、悬挂并固定起来。绝缘子和空气共同构成电气设备的外绝缘。,72,绝缘子的分类,线路绝缘子电站绝缘子电气绝缘子,73,沿面放电的一般概念沿固体介质表面发生的气体放电击穿通道未贯通两极称沿面放电贯通两极时称沿面闪络,实验表明：沿固体表面的闪落电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。一般：U（固）U（气）U（沿面）在表面潮湿污染的情况下，沿面闪落电压会更低。,74,（1）平行：固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，此时的沿面放电特性与

23、均匀电场的情况有些相似。,固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响。界面电场分布可分为典型二种情况。,二、沿面放电的类型与特点,75,下面就三种情况分别介绍放电特性。,情况一中，虽界面与电力线平行，但沿面闪落电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多。说明电场发生了畸变，主要原因如下：,（一）均匀和稍不均匀电场中的沿面放电,76,（1）固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙。小气隙中的电场强度很大，首先发生放电，所产生的带电粒子沿固体介质表面移动，畸变了原有电场。,（2）大气的湿度影响。大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜，其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动，降低了闪落

24、电压。与固体介质吸附水分的性能也有关。,（3）固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变。,77,当U升高的过程中：1 法兰处电晕放电，如右 a 图2 平行的火花细线组成的光带，如b 图 3 细线突然迅速增长，转为分叉的树枝状明亮火花通道（滑闪放电），如 c 图4 完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或简称“闪络”,（二）极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电。,78,支柱绝缘子的两个电极之间的距离较长，其间固体介质本身不可能被击穿，只可能出现沿面闪络。干闪络电压随极间距离的增大而提高，平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况。,三、沿面放电电压的影响因素和提高方法,影响因素

25、：,（一）固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性。,（二）电场形式 同样的表面闪落距离下均匀与稍不均匀电场闪落电压最高弱垂直分量极不均匀电场则低（距离，绝缘子）界面电场主要为强垂直分量的极不均匀电场中，闪落电压更低（电场最强处厚度，套管）,（三）极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电,79,主要是增大极间距离（横向），防止或推迟滑闪放电。,以瓷套管为例，加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉，防止滑闪放电过早出现。,四、固体表面有水膜时的沿面放电,此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。绝缘子表面有湿污层时的闪落电压称为污闪电压，将在后面再作专门

26、探讨。,提高方法（强垂直分量的极不均匀电场）：,80,部分淋湿，绝缘子表面的水膜是不连续的（AB湿 BCA干）有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小大多数外加电压将由干表面（图中的BCA）段来承受。或者空气间隙BA先击穿或者干表面BCA先闪落，但结果都是形成ABA电弧放电通道闪络如雨量特别大时，伞间（BB）被雨水短接构成电弧通道闪络,沿湿表面AB和干表面BCA发展沿湿表面AB和空气间隙BA发展沿湿表面AB和水流BB发展,81,湿闪只有干闪电压的40%50%，还受雨水电导率的影响。绝缘子的湿闪电压不会降低太多。湿闪电压将降低到很低的数值。在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾角、伞

27、裙直径应仔细考虑、合理选择。,绝缘子污染通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段。采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生。,五、绝缘子污染状态下的沿面放电,82,积污：气候条件：包括雨、露、霜、雪、风等环境作用：和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽外绝缘被污染的过程一般是渐进的。染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电。,污层湿润：遇到雨、雾、露等不利天气时，污层被湿润，电导增大，在工作电压下的泄漏电流大增。干区形成：电流所产生的焦耳热，既可能使污层电导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而减小其电导。电场畸变：干区的电阻比其余湿区的电阻大

28、的多。整个绝缘子上的电压都集中到干区上，一般干区宽度不大，所以电场强度很大。,83,局部电弧：如果电场强度已足已引起表面空气的电离，开始出现电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易转为绝缘子局部表面的有明亮通道的电弧击穿：随着干区的扩大，电弧被拉长。在雾、露天，污层湿润度不断增大，泄漏电流也随之增大，在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增大。自动延伸直至贯穿两极完成沿面闪落,污闪后果严重：由于一个区域内绝缘子积污受潮情况差不多，所以容易发生大面积污闪事故。自动重合闸成功率远低于雷击闪落时，造成事故的扩大和长时间停电。就经济损失而言，污闪在各类事故中居首位。,84,污秽度

29、除了与积污量有关还与污秽的化学成分有关。通常采用“等值附盐密度”（简称“等值盐密”）来表征绝缘子表面的污秽度，它指的是每平方厘米表面所沉积的等效氯化钠（NaCl）毫克数。,等值的方法：把表面沉积的污秽刮下，溶于300ml蒸馏水，测出其在20水温时的电导率；然后在另一杯20、300ml的蒸馏水中加入NaCl，直到其电导率等于混合盐溶液的电导率时，所加入的NaCl毫克数，即为等值盐量，再除以绝缘子的表面积，即可得出“等值盐密”(mg/cm2),（一）调整爬距（增大泄露距离）,爬电比距 指外绝缘“相地”之间的爬电距离(cm)与系统最高工作（线）电压（kv,有效值）之比。一定要遵循规定的爬电比距来选择绝缘子串的总爬电距离和片数。,污闪事故的对策,85,下表为各污秽等级所要求的爬电比距值,各污秽等级所要求的爬电比距值,86,（二）定期或不定期的清扫。,（三）涂料,（四）半导体釉绝缘子,（五）新型合成绝缘子,1、重量轻（仅相当于瓷绝缘子的1/10左右）；,2、抗弯、抗拉、耐冲击附和等机械性能都很好；,3、电气绝缘性能好，特别是在严重污染和大气潮湿的情况下性能十分优异；,4、耐电弧性能也很好。,新型合成绝缘子的优点：,