第二章氣體電介質(zhì)的擊穿特性

1、1.空氣在強(qiáng)電場(chǎng)下放電特性一.氣體電介質(zhì)的放電特性 氣體在正常狀態(tài)下是良好的絕緣體,在一個(gè)立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個(gè)帶電粒子,但在高電壓下,氣體從少量電符會(huì)突然產(chǎn)生大量的電符,從而失去絕緣能力而發(fā)生放電現(xiàn)象.一旦電壓解除后,氣體電介質(zhì)能自動(dòng)恢復(fù)絕緣狀態(tài)第二章 氣體電介質(zhì)的擊穿特性 輸電線路以氣體作為絕緣材料 變壓器相間絕緣以氣體作為絕緣材料2.帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失(1) 激發(fā) 原子在外界因素作用下,其電子躍遷到能量較高的狀態(tài)(2)游離 原子在外界因素作用下,使其一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束博而形成自由電子和正離子(3)游離的方式a.碰撞游離b.光游離c.熱游離d.金屬表面游離碰撞游離 當(dāng)帶電質(zhì)點(diǎn)

2、具有的動(dòng)能積累到一定數(shù)值后，在與氣體原子（或分子）發(fā)生碰撞時(shí)，可以使后者產(chǎn)生游離，這種由碰撞而引起的游離稱為碰撞游離引起碰撞游離的條件：iWm221iW：氣體原子（或分子）的游離能光游離 由光輻射引起氣體原子（或分子）的游離稱為光游離產(chǎn)生光游離的條件：iWhh:普朗克常數(shù):光的頻率熱游離氣體在熱狀態(tài)下引起的游離過程稱為熱游離產(chǎn)生熱游離的條件：iWKT 23K:波茨曼常數(shù)T:絕對(duì)溫度金屬表面游離電子從金屬電極表面逸出來的過程稱為表面游離(4)去游離a.擴(kuò)散 帶電質(zhì)點(diǎn)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng).b.復(fù)合 正離子與負(fù)離子相遇而互相中和還原成中性原子c.附著效應(yīng) 電子與原子碰撞時(shí),電子附著原子形成負(fù)

3、離子二.氣體放電的兩個(gè)理論1.湯遜放電理論.適用條件:均勻電場(chǎng),低氣壓,短間隙實(shí)驗(yàn)裝置均勻電場(chǎng)中氣體的伏安特性分析：oa段:隨著電壓升高，到達(dá)陽極的帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量和速度也隨之增大ab段：電流不再隨電壓的增大而增大bc段：電流又再隨電壓的增大而增大c點(diǎn):電流急劇突增(1).電子崩 在電場(chǎng)作用下電子從陰極向陽極推進(jìn)而形成的一群電子(2).非自持放電 去掉外界游離因素的作用后,放電隨即停止(3).自持放電 不需要外界游離因素存在,放電也能維持下去(4).自持放電條件a.電子的空間碰撞系數(shù) 一個(gè)電子在電場(chǎng)作用下在單位行程里所發(fā)生的碰撞游離數(shù) b.正離子的表面游離系數(shù)一個(gè)正離子到達(dá)陰極,撞擊陰極表面產(chǎn)生游

4、離的電子數(shù)自持放電條件可表達(dá)為:1) 1(Se(5)巴申定律a.表達(dá)式:)(PSfUFP:氣體壓力 S:極間距離b.均勻電場(chǎng)中幾種氣體的擊穿電壓與ps的關(guān)系2.流注理論(1).在ps乘積較大時(shí),用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象a.擊穿過程所需時(shí)間,實(shí)測(cè)值比理論值小10-100倍b.按湯遜理論,擊穿過程與陰極材料有關(guān),然而在大氣壓力下的空氣隙中擊穿電壓與陰極材料無關(guān).c.按湯遜理論,氣體放電應(yīng)在整個(gè)間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展,但在大氣中擊穿會(huì)出現(xiàn)有分枝的明亮細(xì)通道(2).理論要點(diǎn): 認(rèn)為電子碰撞游離及空間光游離是維持自持放電的主要因素,流注形成便達(dá)到了自持放電條件,它強(qiáng)調(diào)了空間電符畸變電場(chǎng)的作用和熱游離的

5、作用.(3)放電簡(jiǎn)單流程圖:有效電子(經(jīng)碰撞游離)-電子崩(畸變電場(chǎng))-發(fā)射光子(在強(qiáng)電場(chǎng)作用下)-產(chǎn)生新的電子崩(二次崩)-形成混質(zhì)通道(流注)-由陽極向陰極(陽極流注)或由陰極向陽極(陰極流注)擊穿.三.不均勻電場(chǎng)中氣隙的放電特性1.電暈放電 一定電壓作用下,在曲率半徑小的電極附近發(fā)生局部游離,并發(fā)出大量光輻射,有些像日月的暈光,稱為電暈放電.電暈起始場(chǎng)強(qiáng) 開始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)電暈起始電壓 開始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所特有的一種自持放電形式2.極性效應(yīng)(1).正棒-負(fù)板分析：a.由于捧極附近積聚起正空間電荷，削弱了電離，使電暈放電難以形成，造成電暈起始電壓提高。b.

6、由于捧極附近積聚起正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生電場(chǎng)加強(qiáng)了朝向板極的電場(chǎng)，有利于流注發(fā)展，故降低了擊穿電壓。(2).負(fù)棒-正板分析：a.捧附近正空間電荷產(chǎn)生附加電場(chǎng)加強(qiáng)了朝向棒端的電場(chǎng)強(qiáng)度，容易形成自持放電，所以其電暈起始電壓較低。b.在間隙深處，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向相反，使放電的發(fā)展比較困難，因而擊穿電壓較高。結(jié)論：在相同間隙下正捧-負(fù)板負(fù)捧-正板電暈起始電壓間隙擊穿電壓 高 低 低 高四.雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性1.標(biāo)準(zhǔn)波形幾個(gè)參數(shù)波頭時(shí)間T1：T1=(1.2 30%)s波長(zhǎng)時(shí)間T2: T2=(50 20%) s標(biāo)準(zhǔn)波形通常用符號(hào) 表示s50/2 . 12.放電時(shí)延(1).間

7、隙擊穿要滿足二個(gè)條件a.一定的電壓幅值b.一定的電壓作用時(shí)間(2).統(tǒng)計(jì)時(shí)延t s 通常把電壓達(dá)間隙的靜態(tài)擊穿電壓開始到間隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子為止所需的時(shí)間(3).放電形成時(shí)延tf從第一個(gè)有效電子到間隙完成擊穿所需的時(shí)間(4).放電時(shí)延tLtL=ts+tf氣體間隙在沖擊電壓作用下?lián)舸┧枞繒r(shí)間：t=t1+ts+tf其中：ts+tf 就是放電時(shí)延tL3. 50%沖擊放電電壓U50%放電概率為50%時(shí)的沖擊放電電壓50%沖擊放電電壓與靜態(tài)放電壓的比值稱為絕緣的沖擊系數(shù)pu擊u50%50%0%50UU4. 伏秒特性(1) 定義同一波形、不同幅值的沖擊電壓下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系

8、曲線(2) 曲線求取方法(3) 電場(chǎng)均勻程度對(duì)曲線的影響 不均勻電場(chǎng)由于平均擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度較低,而且流注總是從強(qiáng)場(chǎng)區(qū)向弱場(chǎng)區(qū)發(fā)展,放電速度受到電場(chǎng)分布的影響,所以放電時(shí)延長(zhǎng),分散性大,其伏秒特性曲線在放電時(shí)間還相當(dāng)大時(shí),便隨時(shí)間之減小而明顯地上翹,曲線比較陡. 均勻或稍不均勻電場(chǎng)則相反,由于擊穿時(shí)平均場(chǎng)強(qiáng)較高,流注發(fā)展較快,放電時(shí)延較短,其伏秒特性曲線較平坦.(4) 實(shí)際意義S1被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線，S2保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線為了使被保護(hù)設(shè)備得到可靠的保護(hù),被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線的上包線.五. 大氣條件對(duì)氣體間隙擊穿電壓的影響1. 標(biāo)準(zhǔn)大氣條件

9、大氣壓力 P0=101.3kpa溫度 濕度 f0=11g/m3C0202. 相對(duì)密度的影響相對(duì)密度 p=0.289- T當(dāng)在0.95到1.05之間時(shí),空氣間隙的擊穿電壓U與成正比U= U03. 濕度的影響(1). 均勻或稍不均勻電場(chǎng)濕度的增加而略有增加,但程度極微,可以不校正(2). 極不均勻電場(chǎng)由于平均場(chǎng)強(qiáng)較低,濕度增加后,水分子易吸附電子而形成質(zhì)量較大的負(fù)離子,運(yùn)動(dòng)速度,減慢游離能力大大降低,使擊穿電壓增大.因此需要校正.4. 高度的影響隨著高度增加,空氣逐漸稀薄,大氣壓力及空氣相對(duì)密度下降,間隙的擊穿電壓也隨之下降.U=ka U0 10001 . 11Hk六. 提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法

10、有兩個(gè)途徑:一個(gè)是改善電場(chǎng)分布,使之盡量均勻;另一個(gè)是削弱氣體間隙中的游離因素.1. 改善電場(chǎng)分布的措施(1). 改變電極形狀(2). 利用空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用(3). 極不均勻電場(chǎng)中采用屏障當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15%-20%時(shí)，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達(dá)到無屏障時(shí)的2-3倍2. 削弱游離因素的措施(1). 采用高氣壓 氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了碰撞游離的過程。 如高壓空氣斷路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等10kv高壓標(biāo)準(zhǔn)介損器(2). 采用高真空 氣體間隙中壓力很低時(shí)，電子的平均自由行程已增大到極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度。 如真

11、空電容器、真空斷路器等真空電容器真空斷路器(3). 采用高強(qiáng)度氣體SF6氣體屬強(qiáng)電負(fù)性氣體,容易吸附電子成為負(fù)離子,從而削弱了游離過程.提高壓力后可相當(dāng)于一般液體或固體絕緣的絕緣強(qiáng)度.它是一種無色、無味、無臭、無毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，無腐蝕作用。它具有優(yōu)良的滅弧性能，其滅弧能力是空氣的100倍，故極適用于高壓斷路器中。七. 氣體中的沿面放電1. 什么叫沿面放電沿著固體介質(zhì)表面的氣體發(fā)生的放電沿面放電電壓通常比純空氣間隙的擊穿電壓要低2. 界面電場(chǎng)分布的三種典型情況氣體介質(zhì)與固體介質(zhì)的交界稱為界面(1). 固體介質(zhì)處于均勻電場(chǎng)中,且界面與電力線平行;(2). 固體介質(zhì)處于極不均

12、勻電場(chǎng)中,且電力線垂直于界面的分量比平行于界面的分量大得多;類似套管瓷套管變壓器用電容套管(3). 固體介質(zhì)處于極不均勻電場(chǎng)中,且電力線平行于界面的分量以垂直于界面的分量大得多.類似支持絕緣子復(fù)合支持絕緣子戶外高壓支持絕緣子3. 均勻電場(chǎng)中的沿面放電其放電特點(diǎn):(1).放電發(fā)生在沿著固體介質(zhì)表面,且放電電壓比純空氣間隙的放電電壓要低.其原因a. 固體介質(zhì)與電極表面沒有完全密合而存在微小氣隙,或者介面有裂紋.b.介質(zhì)表面不可能絕對(duì)光滑,使表面電場(chǎng)不均勻.c.介質(zhì)表面電阻不均勻使電場(chǎng)分布不均勻d.介質(zhì)表面易吸收水分,形成一層很薄的膜,水膜中的離子在電場(chǎng)作用下向兩極移動(dòng),易在電極附近積聚電荷,使電場(chǎng)

13、不均勻4. 極不均勻電場(chǎng)具有強(qiáng)法線分量時(shí)的沿面放電(套管型)(1) 放電發(fā)展特點(diǎn):a. 電暈放電b. 線狀火花放電c. 滑閃放電d. 閃絡(luò)放電(2) 影響沿面放電因素分析等值電路圖a.固體介質(zhì)厚度越小，則體積電容越大，沿介質(zhì)表面電壓分布越不均勻，其沿面閃絡(luò)電壓越低；b.同理，固體介質(zhì)的體積電阻越小，沿面閃絡(luò)電壓越低c.固體介質(zhì)表面電阻減少，可降低沿面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高沿面閃絡(luò)電壓(3).提高沿面閃絡(luò)電壓措施a.減少套管的體積電容。如增大固體介質(zhì)厚度，加大法蘭處套管的外經(jīng)b.減少絕緣的表面電阻。如在套管近法蘭處涂半導(dǎo)體漆或半導(dǎo)體釉5. 極不均勻電場(chǎng)具有強(qiáng)切線分量時(shí)的沿面放電(支柱絕緣子型)

14、 由于電極本身的形狀和布置己使電場(chǎng)很不均勻，故介質(zhì)表面積聚電荷使電壓重新分布不會(huì)顯著降低沿面閃絡(luò)電壓，為了提高沿面閃絡(luò)電壓，一般從改進(jìn)電極形狀，如采用屏蔽罩和均壓環(huán)。6. 絕緣子串的電壓分布分析結(jié)果：a.絕緣子片數(shù)越多，電壓分布越不均勻b.靠近導(dǎo)線端第一個(gè)絕緣子電壓降最高，易產(chǎn)生電暈放電。在工作電壓下不允許產(chǎn)生電暈，故對(duì)330kv及以上電壓等級(jí)考慮使用均壓環(huán)7. 絕緣子表面污穢時(shí)的沿面放電 戶外絕緣子，會(huì)受到工業(yè)污穢或自然界鹽堿、飛塵等污染，在干燥時(shí)，由于污穢塵埃電阻很大，絕緣子表面泄漏電流很小，對(duì)絕緣子安全運(yùn)行無危險(xiǎn)；但下雨時(shí)，絕緣子表面容易沖掉，而大氣濕度較高，或在毛毛雨、霧等氣候下，污穢

15、塵埃被潤濕，表面電導(dǎo)劇增，使絕緣子的泄漏電流劇增，降低閃絡(luò)電壓。8.防止絕緣子的污閃，應(yīng)采取措施(1).對(duì)污穢絕緣子定期或不定期進(jìn)行清洗 (2). 絕緣子表面涂一層憎水性防塵材料(3).加強(qiáng)絕緣和采用防污絕緣子(4).采用半導(dǎo)體釉絕緣子對(duì)瓷柱進(jìn)行清洗第八節(jié) 沿面放電含義：沿空氣與固體介質(zhì)表面發(fā)生的氣體放電現(xiàn) 象稱為沿面放電。研究意義：一個(gè)絕緣裝置的實(shí)際耐壓水平由沿面 放電電壓決定。研究范圍：表面干燥、清潔時(shí)的沿面放電電壓 表面潮濕、污穢時(shí)的沿面放電電壓768 沿面放電沿面放電的幾種典型電場(chǎng)分布形式 77均勻電場(chǎng)強(qiáng)垂直分量弱垂直分量8.1 均勻電場(chǎng)中的沿面放電 在平行平板中放置瓷柱，雖然瓷柱不影

16、響電場(chǎng)分布，但放電總發(fā)生在瓷柱表面，且擊穿電壓比純空氣的低很多。788.1 均勻電場(chǎng)中的沿面放電機(jī)理分析：1） 固體介質(zhì)與電極接觸不良，空氣間隙發(fā)生局放 ，形成的帶電粒子沿介質(zhì)表面移動(dòng)。 在連接處涂導(dǎo)電粉末或者導(dǎo)電膠2） 潮氣形成水膜，其中的離子在電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)， 造成沿面電壓分布不均，畸變電場(chǎng)。 憎水性材料3） 在瓷柱表面的凸凹處，發(fā)生電場(chǎng)畸變，產(chǎn)生空氣 間隙擊穿。帶電粒子分布在固體表面，畸變?cè)须?場(chǎng)，降低了閃絡(luò)電壓。4） 固體表面電阻不均，造成泄漏電流的壓降分 布不均，使電場(chǎng)畸變，降低沿面閃絡(luò)電壓。798.1 均勻電場(chǎng)中的沿面放電808.2 極不均勻場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量 的沿面放電沿套管表面的放

17、電81電暈放電細(xì)絲狀的輝光放電滑閃放電8.2 極不均勻場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量 的沿面放電 第一階段：由于接地法蘭附近電力線密集，首先出現(xiàn)電暈。 第二階段：隨著電壓升高，出現(xiàn)平行的許多火花細(xì)線，具有輝光放電的特征。 第三階段：電壓繼續(xù)升高，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)造成介質(zhì)表面局部發(fā)熱，引起氣體熱電離，出現(xiàn)樹枝狀火花，位置不固定，稱為滑閃放電。 第四階段，電壓再升高，滑閃貫通兩級(jí)，形成沿面閃絡(luò)。828.2 極不均勻場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量 的沿面放電 滑閃放電在交流和沖擊下表現(xiàn)明顯。 隨電壓增加，滑閃長(zhǎng)度增長(zhǎng)變快，因此單靠加長(zhǎng)距離提高閃絡(luò)電壓效果不明顯。 玻璃管壁變薄，滑閃電壓降低。838.3 極不均勻場(chǎng)具有弱垂直分量

18、的沿面放電沒有熱電離和明顯的滑閃放電；介質(zhì)表面電荷聚集對(duì)電場(chǎng)畸變影響不大；實(shí)驗(yàn)表明：這種絕緣子的干式閃絡(luò)電壓基本上隨極間距離的增加而增加。848.3 極不均勻場(chǎng)具有弱垂直分量 的沿面放電85三種情況比較： 均勻場(chǎng)中的沿面閃絡(luò)電壓最高，有垂直分量的沿面放電電壓低得多； 具有強(qiáng)垂直分量的沿面放電電壓很低，因?yàn)槌霈F(xiàn)了熱電離和滑閃放電。86提高沿面放電電壓的方法 以套管型結(jié)構(gòu)為例，也即強(qiáng)垂直分量下的沿面放電鏈形等值回路為（略去了介質(zhì)的體積電阻）:87提高沿面放電電壓的方法鏈性等值回路的方程：88.0.UCjdxId.IRdxUds邊界條件：0, 0.0.UlxUUx提高沿面放電電壓的方法定性來看，電壓分布的不均勻性在于靠近法蘭處的Rs流過的電流大于遠(yuǎn)離法蘭處的Rs中流過的電流。措施：1 減小比電容C0 可加大瓷套外徑、壁厚，或