2.1氣體中的沿面放電ppt課件

1、華北電力大學(xué)華北電力大學(xué)高電壓絕緣技術(shù)王勝輝華北電力大學(xué)華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院高壓教研室高壓教研室 20192019年年2 2月月第三章 氣體中的沿面放電和高壓絕緣子1絕緣子的性能要求和材料絕緣子的性能要求和材料一、絕緣子的分類一、絕緣子的分類絕緣子的作用：在電氣上起到絕緣而在機(jī)械上起到連絕緣子的作用：在電氣上起到絕緣而在機(jī)械上起到連接或支撐作用的外絕緣部件。接或支撐作用的外絕緣部件。1.1.絕緣子：用作導(dǎo)電體和接地體之間的絕緣和固定連絕緣子：用作導(dǎo)電體和接地體之間的絕緣和固定連接，如隔離開關(guān)安裝觸頭的支絕緣子等。接，如隔離開關(guān)安裝觸頭的支絕緣子等。2.2.瓷套：用

2、作電器內(nèi)絕緣的容器，如電流互感器、斷瓷套：用作電器內(nèi)絕緣的容器，如電流互感器、斷路器的瓷套等。路器的瓷套等。3.3.套管：用作導(dǎo)電體穿過接地隔板、電器外殼和墻壁套管：用作導(dǎo)電體穿過接地隔板、電器外殼和墻壁的絕緣部件，如變壓器的出線套管、配電裝置的穿墻的絕緣部件，如變壓器的出線套管、配電裝置的穿墻套管等。用電瓷作為主要絕緣的稱瓷套管，另外還有套管等。用電瓷作為主要絕緣的稱瓷套管，另外還有充油套管、電容套管等充油套管、電容套管等, ,它們的外絕緣都采用瓷套。它們的外絕緣都采用瓷套。絕緣子絕緣子電流互感器電流互感器斷路器斷路器800kV變壓器套管和穿墻套管變壓器套管和穿墻套管三個(gè)基本要求：三個(gè)基本要

3、求：1. 有足夠的電絕緣強(qiáng)有足夠的電絕緣強(qiáng)度度;2. 能承受一定的外力能承受一定的外力機(jī)械負(fù)荷機(jī)械負(fù)荷;3. 能經(jīng)受不利的環(huán)境能經(jīng)受不利的環(huán)境和大氣條件的變化。和大氣條件的變化。二、絕緣子的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度二、絕緣子的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度(一一)絕緣子的電氣性能絕緣子的電氣性能 絕緣子的電氣性能通常用連通兩電極的沿絕緣體外絕緣子的電氣性能通常用連通兩電極的沿絕緣體外部空氣的放電電壓部空氣的放電電壓閃絡(luò)電壓來衡量。閃絡(luò)電壓來衡量。1.干閃絡(luò)電壓：清潔、干燥絕緣子的閃絡(luò)電壓，它是戶干閃絡(luò)電壓：清潔、干燥絕緣子的閃絡(luò)電壓，它是戶內(nèi)絕緣子的主要性能。干閃絡(luò)電壓還區(qū)分為內(nèi)絕緣子的主要性能。干閃絡(luò)電壓還區(qū)

4、分為:工頻干閃工頻干閃電壓、操作沖擊干閃電壓和雷電沖擊干閃電壓。電壓、操作沖擊干閃電壓和雷電沖擊干閃電壓。2. 濕閃絡(luò)電壓：潔凈的絕緣子在淋雨情況下的閃絡(luò)電壓濕閃絡(luò)電壓：潔凈的絕緣子在淋雨情況下的閃絡(luò)電壓，它是戶外絕緣子的主要性能。，它是戶外絕緣子的主要性能。3. 污穢閃絡(luò)電壓：表面臟污的絕緣子在受潮情況下的閃污穢閃絡(luò)電壓：表面臟污的絕緣子在受潮情況下的閃絡(luò)電壓絡(luò)電壓.(二二)絕緣子的機(jī)械性能絕緣子的機(jī)械性能1. 拉伸負(fù)荷拉伸負(fù)荷2. 彎曲負(fù)荷彎曲負(fù)荷3. 扭轉(zhuǎn)負(fù)荷扭轉(zhuǎn)負(fù)荷(三三)絕緣子的冷熱性能絕緣子的冷熱性能(四四)絕緣子的老化性能絕緣子的老化性能(一一) 絕緣件絕緣件1. 電瓷：電瓷是無

5、機(jī)電瓷：電瓷是無機(jī)絕緣材料，由石英、絕緣材料，由石英、長石和粘土作原料焙長石和粘土作原料焙燒而成，能耐受不利燒而成，能耐受不利的大氣環(huán)境和酸堿污的大氣環(huán)境和酸堿污穢等的長期作用而不穢等的長期作用而不受侵蝕，抗老化性好受侵蝕，抗老化性好,且具有足夠的電氣和且具有足夠的電氣和機(jī)械強(qiáng)度。機(jī)械強(qiáng)度。三、絕緣子的材料三、絕緣子的材料 瓷是一種脆性材料，它的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度瓷是一種脆性材料，它的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大得多。大得多。2. 玻璃：輸電線路采用懸式盤形鋼化玻璃絕緣子還有一個(gè)優(yōu)玻璃：輸電線路采用懸式盤形鋼化玻璃絕緣子還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，損壞后點(diǎn)，損壞后“自爆的特性。自爆的特性。3. 復(fù)合絕緣材料：硅橡膠

6、，具有良好的憎水性和憎水復(fù)合絕緣材料：硅橡膠，具有良好的憎水性和憎水遷移性遷移性(二二)金屬附件金屬附件 絕緣子的金屬附件主要是由鑄鐵和鋼制成，對一絕緣子的金屬附件主要是由鑄鐵和鋼制成，對一些要通過大電流的產(chǎn)品，為了減少附件的渦流損耗，些要通過大電流的產(chǎn)品，為了減少附件的渦流損耗，也有用硅鋁合金做附件的。附件結(jié)構(gòu)對絕緣子機(jī)械強(qiáng)也有用硅鋁合金做附件的。附件結(jié)構(gòu)對絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的影響很大。度的影響很大。 導(dǎo)電材料：如套管所用導(dǎo)桿一般均采用銅桿或銅導(dǎo)電材料：如套管所用導(dǎo)桿一般均采用銅桿或銅管，有些穿墻套管也采用鋁導(dǎo)體。管，有些穿墻套管也采用鋁導(dǎo)體。 (三三)膠合劑膠合劑 膠合劑是將瓷件和附件膠合連接

7、的材料。最常用膠合劑是將瓷件和附件膠合連接的材料。最常用的是的是500號硅酸鹽水泥。號硅酸鹽水泥。2 氣體中沿固體介質(zhì)表面的放電氣體中沿固體介質(zhì)表面的放電l沿面放電：絕緣子和空氣的交界面上出現(xiàn)放電現(xiàn)沿面放電：絕緣子和空氣的交界面上出現(xiàn)放電現(xiàn)象。象。l閃絡(luò)：沿面放電發(fā)展成貫穿性的空氣擊穿。閃絡(luò)：沿面放電發(fā)展成貫穿性的空氣擊穿。l沿面放電的三種典型的電場沿面放電的三種典型的電場l 沿面放電和固體介質(zhì)表面的電場分布有很大沿面放電和固體介質(zhì)表面的電場分布有很大關(guān)系。關(guān)系。l1均勻電場：均勻電場：l2強(qiáng)垂直分量電場：固體介質(zhì)處于極不均勻電場強(qiáng)垂直分量電場：固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電場強(qiáng)度垂直于介質(zhì)

8、表面的分量中，且電場強(qiáng)度垂直于介質(zhì)表面的分量(以下簡稱垂以下簡稱垂直分量直分量)要比平行于表面的分量大得多，套管就屬于要比平行于表面的分量大得多，套管就屬于這種情況。這種情況。3弱垂直分量電場：固體分質(zhì)處于極不均勻電場中，但在弱垂直分量電場：固體分質(zhì)處于極不均勻電場中，但在介質(zhì)表面大部分地方除緊靠電極的很小區(qū)域外介質(zhì)表面大部分地方除緊靠電極的很小區(qū)域外)，電場強(qiáng)，電場強(qiáng)度平行于表面的分量要比垂直分量大。支柱絕緣子就屬于這度平行于表面的分量要比垂直分量大。支柱絕緣子就屬于這種情況。種情況。 其中其中2和和3可概括為電力線與介質(zhì)面斜交?？筛爬殡娏€與介質(zhì)面斜交。l 特點(diǎn)：放電總是發(fā)生在瓷柱表面，

9、且同樣條件下特點(diǎn)：放電總是發(fā)生在瓷柱表面，且同樣條件下，沿瓷柱表面的閃絡(luò)電壓比純空氣間隙的擊穿電，沿瓷柱表面的閃絡(luò)電壓比純空氣間隙的擊穿電壓要低得多。壓要低得多。l 原因分析：原因分析：l 若固體介質(zhì)和電極表面沒有完全密合，則兩者間若固體介質(zhì)和電極表面沒有完全密合，則兩者間將存在氣隙。由于空氣的介電常數(shù)比固體介質(zhì)低將存在氣隙。由于空氣的介電常數(shù)比固體介質(zhì)低，氣隙中場強(qiáng)將比平均場強(qiáng)大很多，因此這里將，氣隙中場強(qiáng)將比平均場強(qiáng)大很多，因此這里將發(fā)生局部放電。放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)從氣隙中逸發(fā)生局部放電。放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)從氣隙中逸出，到達(dá)介質(zhì)表面后畸變了原有電場，從而降低出，到達(dá)介質(zhì)表面后畸變了原有電場

10、，從而降低沿面閃絡(luò)電壓。沿面閃絡(luò)電壓。l 基于這一原因，所以在實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中基于這一原因，所以在實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中應(yīng)保證電極和介質(zhì)緊密結(jié)合。應(yīng)保證電極和介質(zhì)緊密結(jié)合。一均勻電場中的沿面放電一均勻電場中的沿面放電一均勻電場中的沿面放電一均勻電場中的沿面放電2. 介質(zhì)表面吸附水分形成水膜。水膜具有離子電導(dǎo)，離子介質(zhì)表面吸附水分形成水膜。水膜具有離子電導(dǎo)，離子在電場中沿介質(zhì)表面移動(dòng)，電極附近逐漸積聚起電荷，使在電場中沿介質(zhì)表面移動(dòng)，電極附近逐漸積聚起電荷，使介質(zhì)表面電壓分布不均勻，電極附近場強(qiáng)增加，因此沿面介質(zhì)表面電壓分布不均勻，電極附近場強(qiáng)增加，因此沿面閃絡(luò)電壓低于純空氣間隙的擊穿電壓。閃絡(luò)電壓低于純

11、空氣間隙的擊穿電壓。一均勻電場中的沿面放電一均勻電場中的沿面放電3.介質(zhì)表面電阻不均勻和介質(zhì)表面有傷痕裂紋，也都會(huì)畸介質(zhì)表面電阻不均勻和介質(zhì)表面有傷痕裂紋，也都會(huì)畸變電場分布，使閃絡(luò)電壓降低。變電場分布，使閃絡(luò)電壓降低。 和空氣間隙一樣，增加氣體壓力也能提高沿面閃絡(luò)電和空氣間隙一樣，增加氣體壓力也能提高沿面閃絡(luò)電壓。但氣休必須于燥，否則壓力增加，氣體的相對濕度也壓。但氣休必須于燥，否則壓力增加，氣體的相對濕度也增加，介質(zhì)表面凝聚水滴，沿面電壓分布更不均勻，甚至增加，介質(zhì)表面凝聚水滴，沿面電壓分布更不均勻，甚至出現(xiàn)高氣壓下沿面閃絡(luò)電壓反而降低的異常現(xiàn)象。出現(xiàn)高氣壓下沿面閃絡(luò)電壓反而降低的異常現(xiàn)象

12、。l氣壓對沿面放電電壓的影響：氣壓對沿面放電電壓的影響：（一基本過程（一基本過程1.電暈放電。電暈放電。 電子崩式的電暈放電階段電子崩式的電暈放電階段2.細(xì)線狀的輝光放電：到某一電壓后，形成了由許多伸向另細(xì)線狀的輝光放電：到某一電壓后，形成了由許多伸向另一電極的平行細(xì)火花線條組成的光帶。放電細(xì)線的長度隨著一電極的平行細(xì)火花線條組成的光帶。放電細(xì)線的長度隨著電壓正比增加，特點(diǎn)是放電通道中電流密度較小，壓降較大電壓正比增加，特點(diǎn)是放電通道中電流密度較小，壓降較大,伏安特性具有上升特征。伏安特性具有上升特征。 流注放電階段流注放電階段二、極不均勻電場具有強(qiáng)垂直分量時(shí)的沿面放電二、極不均勻電場具有強(qiáng)垂

13、直分量時(shí)的沿面放電3.滑閃放電：繼續(xù)升高電壓，當(dāng)超過某臨界值后，放電的性滑閃放電：繼續(xù)升高電壓，當(dāng)超過某臨界值后，放電的性質(zhì)就發(fā)生了變化。個(gè)別放電細(xì)線開始迅速增長，轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲|(zhì)就發(fā)生了變化。個(gè)別放電細(xì)線開始迅速增長，轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?、淺紫色、明亮得多的火花。這些放電火花在法蘭的不同狀、淺紫色、明亮得多的火花。這些放電火花在法蘭的不同位置上交替出現(xiàn)，一處產(chǎn)生后緊貼介質(zhì)表面向前發(fā)展，隨即位置上交替出現(xiàn)，一處產(chǎn)生后緊貼介質(zhì)表面向前發(fā)展，隨即很快消失，而后又在新的地方產(chǎn)生，這一放電形式稱為滑閃很快消失，而后又在新的地方產(chǎn)生，這一放電形式稱為滑閃放電?；W放電通道中電流密度較大，壓降較小，伏安特性放電?；W

14、放電通道中電流密度較大，壓降較小，伏安特性具有下降特征。先導(dǎo)放電階段具有下降特征。先導(dǎo)放電階段4擊穿：滑閃放電火花的長度隨著外加電壓的增加迅速地?fù)舸夯W放電火花的長度隨著外加電壓的增加迅速地增大，因而電壓只需增加不多，滑閃放電火花就能達(dá)到另一增大，因而電壓只需增加不多，滑閃放電火花就能達(dá)到另一個(gè)電極，形成完全擊穿個(gè)電極，形成完全擊穿(閃絡(luò)閃絡(luò))，使間隙喪失絕緣性能，造成，使間隙喪失絕緣性能，造成電源短路。此后根據(jù)電源容量的大小，放電就將轉(zhuǎn)入空氣中電源短路。此后根據(jù)電源容量的大小，放電就將轉(zhuǎn)入空氣中的火花放電或電弧放電了。的火花放電或電弧放電了。（一基本過程（一基本過程1在放電的開始階段在放電

15、的開始階段,細(xì)線通道內(nèi)因碰撞電離存在著大量帶電質(zhì)細(xì)線通道內(nèi)因碰撞電離存在著大量帶電質(zhì)點(diǎn)。點(diǎn)。2由于電場除具有切向分量外，還具有較大的垂直分量，在電場由于電場除具有切向分量外，還具有較大的垂直分量，在電場垂直分量的作用下，帶電質(zhì)點(diǎn)不斷撞擊介質(zhì)表面，引起局部溫度垂直分量的作用下，帶電質(zhì)點(diǎn)不斷撞擊介質(zhì)表面，引起局部溫度增高。增高。3隨著電壓增加，沿著放電通道流過的帶電質(zhì)點(diǎn)增多隨著電壓增加，沿著放電通道流過的帶電質(zhì)點(diǎn)增多,介質(zhì)表面介質(zhì)表面局部溫度也就升得更高。在一定電壓下，此處溫度可高達(dá)足以引局部溫度也就升得更高。在一定電壓下，此處溫度可高達(dá)足以引起氣體熱電離的數(shù)值，因此通道中帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目就將劇增、電

16、阻起氣體熱電離的數(shù)值，因此通道中帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)目就將劇增、電阻劇降，通道頭部場強(qiáng)也將劇增，導(dǎo)致通道迅速增長，放電就轉(zhuǎn)入劇降，通道頭部場強(qiáng)也將劇增，導(dǎo)致通道迅速增長，放電就轉(zhuǎn)入滑閃放電階段了?；W放電階段了。 所以，滑閃放電是以介質(zhì)表面通道中發(fā)生了熱電離作為特征所以，滑閃放電是以介質(zhì)表面通道中發(fā)生了熱電離作為特征的。的。滑閃放電的機(jī)理分析滑閃放電的機(jī)理分析電壓與滑閃放電的長度長度的關(guān)系電壓與滑閃放電的長度長度的關(guān)系單純增加沿面的距離來提高閃絡(luò)電壓效果不好。單純增加沿面的距離來提高閃絡(luò)電壓效果不好。玻璃壁的厚度對滑閃放電的長度有較大的影響玻璃壁的厚度對滑閃放電的長度有較大的影響(二二)等值回路及分析等

17、值回路及分析介質(zhì)表面單位面積介質(zhì)表面單位面積1平方厘米的電容即比電容為：平方厘米的電容即比電容為： rvs1r2r上三式中上三式中 介質(zhì)的相對介電常數(shù)；介質(zhì)的相對介電常數(shù)； 介質(zhì)的體積電阻率，介質(zhì)的體積電阻率，cm; 介質(zhì)的表面電阻率，介質(zhì)的表面電阻率， ； 介質(zhì)圓柱的內(nèi)、外半徑，介質(zhì)圓柱的內(nèi)、外半徑，cm。01122149 10lnrCrrr 2F/cm(3 1)2211lnvGrrr2S/ cm(32)ssR(33)(二二)等值回路及分析等值回路及分析 如果介質(zhì)厚度與半徑相比很小，則式如果介質(zhì)厚度與半徑相比很小，則式3-1）、（）、（3-2可以簡化為平板電極間電容和電導(dǎo)的計(jì)算公式：可以簡化

18、為平板電極間電容和電導(dǎo)的計(jì)算公式：d介質(zhì)厚度，介質(zhì)厚度，cm。 F/m1290118.854 1049 10 01149 10rCd 2F/cm(35)1vGd2S/ cm(36)(二二)等值回路及分析等值回路及分析 根據(jù)圖根據(jù)圖3-12的等值電路，可寫出下列方程的等值電路，可寫出下列方程 其中其中0()sd IGj CUdxdUR Idx222d UUdx 0()sR Gj C解上述微分方程，并考慮到邊界條件見圖解上述微分方程，并考慮到邊界條件見圖3-13）00,0 xU Ux l U0()()xshl xUUsh ldUchl xEUdxsh l介質(zhì)表面電壓介質(zhì)表面電壓介質(zhì)表面場強(qiáng)介質(zhì)表面

19、場強(qiáng)(二二)等值回路及分析等值回路及分析(二二)等值回路及分析等值回路及分析 由圖可知，沿介質(zhì)表面的電壓分布極不均勻，緊靠法蘭由圖可知，沿介質(zhì)表面的電壓分布極不均勻，緊靠法蘭處電場強(qiáng)度最大。隨著電壓升高，首先在此處發(fā)生局部放電處電場強(qiáng)度最大。隨著電壓升高，首先在此處發(fā)生局部放電。法蘭。法蘭(x=0)處電場強(qiáng)度為：處電場強(qiáng)度為：00()Ecth l U(3 12) 當(dāng)當(dāng)E0達(dá)到產(chǎn)生電暈放電達(dá)到產(chǎn)生電暈放電(或細(xì)線狀輝光，或滑閃放電或細(xì)線狀輝光，或滑閃放電)的場強(qiáng)時(shí)，此時(shí)的外加電壓：的場強(qiáng)時(shí)，此時(shí)的外加電壓：00th lUE(3 13)即為電暈放電即為電暈放電(或細(xì)線狀輝光放電，或滑閃放電的起始電

20、壓?；蚣?xì)線狀輝光放電，或滑閃放電的起始電壓。 工頻電壓下，介質(zhì)的體積電導(dǎo)工頻電壓下，介質(zhì)的體積電導(dǎo) 故故通常通常 足夠長，足夠長， ，因而，因而(3-13)式可簡化為式可簡化為0,GC0sj C1th ll000sEUC(3 14)(二二)等值回路及分析等值回路及分析電壓變化快，頻率高，電壓變化快，頻率高，大，放電電壓低大，放電電壓低;介質(zhì)厚度介質(zhì)厚度d小，相對介電常數(shù)小，相對介電常數(shù)r大，即比電容大，即比電容C0大，放電電大，放電電 壓低；壓低；介質(zhì)表面電阻率介質(zhì)表面電阻率s大，表面電壓分布不均勻，放電電壓低大，表面電壓分布不均勻，放電電壓低; 這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這些結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致

21、。(二二)等值回路及分析等值回路及分析改善沿面電壓分布，提高起始放電電壓的方法改善沿面電壓分布，提高起始放電電壓的方法減小比電容減小比電容C0 ，如增加絕緣厚度，如增加絕緣厚度d(加大法蘭處套管的外徑加大法蘭處套管的外徑)和采用介電常數(shù)小的介質(zhì)和采用介電常數(shù)小的介質(zhì)(如用瓷如用瓷油組合絕緣，見第八章油組合絕緣，見第八章);減小表面電阻率減小表面電阻率s ，如在靠近法蘭處涂半導(dǎo)體漆或上半導(dǎo)體，如在靠近法蘭處涂半導(dǎo)體漆或上半導(dǎo)體釉。這些方法在套管中都得到了應(yīng)用。釉。這些方法在套管中都得到了應(yīng)用。直流沒有明顯的滑閃放電的現(xiàn)象直流沒有明顯的滑閃放電的現(xiàn)象 原因是通過介質(zhì)體積電導(dǎo)的電流很小，體積分原因是通過介質(zhì)體積電導(dǎo)的電流很小，體積分流對表面電壓分布的影響極小。所以在有強(qiáng)垂直分流對表面電壓分布的影響極小。所以在有強(qiáng)垂直分量的極不均勻電場中，直流電壓下介質(zhì)表面的電壓量的極不均勻電場中，直流電壓下介質(zhì)表面的電壓分布和交流下相比要均勻些，放電通道中的電流也分布和交流下相比要均勻些，放電通道中的電流也小，因此沒有明顯的滑閃放電現(xiàn)象，沿面閃絡(luò)電壓小，因此沒有明顯的滑閃放電現(xiàn)象，沿面閃絡(luò)電壓也比較高。也比較高。（1由實(shí)