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氣體電介質(zhì)的擊穿特性演示文稿當(dāng)前1頁,總共35頁。(優(yōu)選)氣體電介質(zhì)的擊穿特性當(dāng)前2頁,總共35頁。2023/3/213電暈放電極性效應(yīng)先導(dǎo)主放電雷擊沖擊電壓的波形伏秒特性流注的形成和發(fā)展沿面放電知識(shí)點(diǎn)當(dāng)前3頁,總共35頁。電暈放電1電暈的產(chǎn)生極不均勻電場(chǎng)中,間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)比平均場(chǎng)強(qiáng)大得多。外加電壓比較低的時(shí)候,曲率大(曲率半徑較?。┑碾姌O附近電場(chǎng)強(qiáng)度已足夠大可引起強(qiáng)烈的游離,在這局部的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成放電。這種僅僅發(fā)生在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的局部放電稱為電暈放電。
電暈放電是極不均勻電場(chǎng)特有的自持放電形式。電暈放電的現(xiàn)象薄薄的發(fā)光層;伴有“咝咝”放電聲;發(fā)出臭氧氣味。當(dāng)前4頁,總共35頁。2023/3/215起始電壓起始場(chǎng)強(qiáng)開始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓開始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)當(dāng)前5頁,總共35頁。2023/3/216
輸電線路的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)與導(dǎo)線半徑及空氣密度有關(guān),一般用經(jīng)驗(yàn)公式來推算,應(yīng)用最廣的是皮克公式:m:導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)與氣象系數(shù)的乘積;δ:空氣相對(duì)密度;r:導(dǎo)線半徑(cm)當(dāng)前6頁,總共35頁。2023/3/2173、電暈放電的效應(yīng)(1)電暈電流具有高頻脈沖性質(zhì),對(duì)無線電通訊產(chǎn)生干擾。(2)電暈使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生O3、NO、NO2。(3)產(chǎn)生能量損耗。電暈損耗是超高壓輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的因素,壞天氣時(shí)電暈損耗要比好天氣時(shí)大得多。對(duì)于500-750kV的超高壓輸電線路,在天氣好時(shí)電暈損耗一般不超過幾個(gè)W/km,而在壞天氣時(shí),可以達(dá)到100W/km以上。
因此在設(shè)計(jì)超高壓線路時(shí),需要根據(jù)不同天氣條件下電暈損耗的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和線路參數(shù),以及沿線路各種氣象條件的出現(xiàn)概率等對(duì)線路的電暈損耗進(jìn)行估算降低電暈的方法:從根本上設(shè)法限制和降低導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)前7頁,總共35頁。2023/3/218在極不均勻電場(chǎng)中,放電一定從曲率半徑較小的那個(gè)電極表面開始,與該電極極性無關(guān)。對(duì)于電極形狀不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng)氣隙,如棒——板間隙,棒電極的極性不同時(shí),間隙的起暈電壓和擊穿電壓的大小也不同。這種現(xiàn)象稱為極性效應(yīng)。原因:棒電極的極性不同時(shí),間隙中的空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變作用不同。當(dāng)前8頁,總共35頁。2023/3/219正棒—負(fù)板間隙當(dāng)電子崩發(fā)展到棒極時(shí),電子進(jìn)入棒極中和。正離子留在棒極附近以較慢速度向板極運(yùn)動(dòng),正空間電荷使緊貼棒極附近的電場(chǎng)減弱,不易形成流注,放電難以自持,故起暈電壓高。而正空間電荷加強(qiáng)了朝向板極的電場(chǎng),有利于流注向板發(fā)展,故擊穿電壓較低。當(dāng)前9頁,總共35頁。2023/3/2110負(fù)棒—正板陰極表面游離產(chǎn)生的電子通過強(qiáng)場(chǎng)區(qū)形成電子崩,電子向板極運(yùn)動(dòng)進(jìn)入弱場(chǎng)區(qū)后不再引起游離,并大多形成負(fù)離子。因其濃度小,對(duì)電場(chǎng)影響小。正空間電荷加強(qiáng)了棒極附近的電場(chǎng),易形成自持放電,故起暈電壓低。朝向板極方向的電場(chǎng)被減弱,流注不易發(fā)展,故擊穿電壓較高。當(dāng)前10頁,總共35頁。2023/3/2111短間隙不均勻電場(chǎng)中的放電過程指間隙距離不超過1m的間隙,以棒板間隙為例。由于正流注所形成的空間電荷總是加強(qiáng)流注通道頭部前方的電場(chǎng),所以正流注的發(fā)展是連續(xù)的,速度很快。棒極為負(fù)時(shí)流注的發(fā)展實(shí)際上是階段式的,其平均速度比正棒極流注小得多,擊穿同一間隙所需的外電壓要高得多。當(dāng)前11頁,總共35頁。2023/3/2112當(dāng)前12頁,總共35頁。2023/3/2113長(zhǎng)間隙不均勻電場(chǎng)中的放電過程(d>1m時(shí))1.先導(dǎo)放電階段具有熱游離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。2.主放電階段溫度更高、電導(dǎo)更大,軸向電場(chǎng)更小的等離子體火花通道。此時(shí),間隙接近于短路狀態(tài),氣隙完全喪失了絕緣性能。當(dāng)前13頁,總共35頁。2023/3/2114結(jié)論:a、長(zhǎng)間隙的放電通常分為電子崩、流注、先導(dǎo)放電和主放電四個(gè)階段。b、短間隙的放電沒有先導(dǎo)放電階段,只分為電子崩、流注和主放電三個(gè)階段。c、長(zhǎng)間隙放電時(shí),熾熱的導(dǎo)電通道是在放電發(fā)展的過程中建立的,而不是在整個(gè)間隙被流注通道貫穿后建立的,先導(dǎo)過程與主放電過程就發(fā)展得越充分,所以長(zhǎng)間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)小于短間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)前14頁,總共35頁。2023/3/2115持續(xù)電壓作用下空氣的擊穿電壓空氣間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)主要取決于外加電壓的種類、電場(chǎng)的均勻程度及氣體的狀態(tài)。電力工程中的空氣間隙一般會(huì)受到三種電壓的作用:
持續(xù)電壓、雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓持續(xù)電壓作用下間隙的擊穿電壓與放電發(fā)展的時(shí)間無關(guān),在電場(chǎng)形式、氣體的狀態(tài)等其他條件不變的情況下,只取決于間隙的距離
當(dāng)前15頁,總共35頁。2023/3/2116特點(diǎn):電壓變化的速度和間隙中放電發(fā)展的速度相比極小,故放電發(fā)展所需的時(shí)間可以忽略不計(jì),只要作用于間隙的電壓達(dá)到擊穿電壓,間隙就會(huì)發(fā)生擊穿。直流電壓:直流中所含脈動(dòng)分類的脈動(dòng)系數(shù)(脈動(dòng)幅值與直流電壓的平均值之比)不大于3%。直流電壓的大型指直流電壓的平均值。持續(xù)電壓指直流電壓或工頻交流電壓交流電壓:波形接近正弦波,正、負(fù)兩半波相同,峰值與有效值之比為,偏差不超過。當(dāng)前16頁,總共35頁。2023/3/2117一、均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓因電場(chǎng)對(duì)稱,所以擊穿電壓無極性效應(yīng)。因擊穿前間隙各處場(chǎng)強(qiáng)相等,擊穿前無電暈發(fā)生,起始放電電壓等于擊穿電壓。不論何種電壓(直流、交流、正負(fù)50%沖擊電壓)作用,其擊穿電壓(峰值)都相同,且分散性很小。在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下(d為1cm左右時(shí)),均勻電場(chǎng)中空氣的電氣強(qiáng)度約為30kV/cm(峰值)。當(dāng)前17頁,總共35頁。2023/3/2118二、稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓稍不均勻電場(chǎng)中各處的場(chǎng)強(qiáng)差異不大,間隙中任何一處若出現(xiàn)自持放電,必將立即導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿。所以對(duì)于稍不均勻電場(chǎng),任何一處自持放電的條件,就是整個(gè)間隙擊穿的條件。電場(chǎng)不對(duì)稱時(shí),擊穿電壓有弱極性效應(yīng)。擊穿前有電暈發(fā)生,但不穩(wěn)定,一旦出現(xiàn)電暈,立即導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿。間隙距離一般不很大,放電發(fā)展所需時(shí)間短。直流擊穿電壓、交流擊穿電壓、正負(fù)50%沖擊擊穿電壓幾乎一致,且分散性不大。不均勻系數(shù):間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)與平均場(chǎng)強(qiáng)之比,稍不均勻電場(chǎng)<4當(dāng)前18頁,總共35頁。2023/3/2119稍不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓與電場(chǎng)均勻度關(guān)系極大,沒有能概括各種電極結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)公式。通常是對(duì)一些典型的電極結(jié)構(gòu)做出一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)際的電極結(jié)構(gòu)只能從典型電極中選取類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行估算。電場(chǎng)越均勻,同樣間隙距離下的擊穿電壓越高,其極限就是均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓。當(dāng)前19頁,總共35頁。2023/3/2120三、極不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓對(duì)電極形狀不對(duì)稱的不均勻電場(chǎng),有明顯的極性效應(yīng)。由于存在局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū),故間隙擊穿前有穩(wěn)定的電暈發(fā)生,間隙的起始放電電壓小于擊穿電壓。因間隙距離長(zhǎng),放電發(fā)展所需時(shí)間長(zhǎng)。故外加電壓的波形對(duì)擊穿電壓影響大,擊穿電壓的分散性大。極不均勻電場(chǎng)擊穿電壓的特點(diǎn):電場(chǎng)不均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響減弱(由于電場(chǎng)已經(jīng)極不均勻),間隙距離對(duì)擊穿電壓的影響增大。可以選擇電場(chǎng)極不均勻的極端情況,棒-板和棒-棒作為典型電極結(jié)構(gòu),它們得擊穿電壓具有代表性。
工程上遇到極不均勻電場(chǎng)時(shí),可根據(jù)典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的估算。當(dāng)前20頁,總共35頁。(1)直流電壓下(有極性效應(yīng))圖2-13
同樣間隙距離下不同間隙類型的擊穿電壓比較:負(fù)棒—正板>棒—棒>正棒—負(fù)板(2)工頻電壓下(有極性效應(yīng))圖2-14(d<2cm)棒—板間隙的擊穿總是發(fā)生在棒極性為正時(shí)的半個(gè)周期且電壓達(dá)峰值時(shí),擊穿電壓(峰值)和直流下正棒負(fù)板時(shí)的擊穿電壓相近。2023/3/2121當(dāng)前21頁,總共35頁。2023/3/2122棒—棒間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為5.36kV/cm(幅值),棒—板間隙的約為4.8kV/cm(幅值)d>2cm,擊穿電壓具有“飽和現(xiàn)象,導(dǎo)致間隙距離增大的同時(shí)其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)卻隨之降低,這對(duì)輸電電壓等級(jí)的提高不利,棒-板:d=1m,
5kV/cmd=l0m,2kV/cm當(dāng)前22頁,總共35頁。均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn)
擊穿前無電暈、無極性效應(yīng)、各種電壓作用時(shí)其擊穿電壓(峰值)都相同。稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn)
擊穿前無穩(wěn)定電暈、極性效應(yīng)不明顯、各種電壓作用時(shí)其擊穿電壓(峰值)幾乎一致。極不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn)擊穿前有穩(wěn)定電暈、有明顯的極性效應(yīng)、外加電壓波形對(duì)擊穿電壓影響很大。當(dāng)前23頁,總共35頁。2023/3/2124陰極表面游離γ系數(shù):表示一個(gè)正離子撞擊陰極表面時(shí)使陰極平均逸出的自由電子數(shù)。到達(dá)陰極的正離子數(shù)從陰極電離出的電子數(shù)物理意義:一個(gè)從陰極出發(fā)的起始電子發(fā)展電子崩并到達(dá)陽極后,崩中的個(gè)正離子移向陰極和陰極碰撞時(shí),只要至少能從陰極撞擊出一個(gè)自由電子來,放電即可轉(zhuǎn)入自持。當(dāng)前24頁,總共35頁。2023/3/2125放電由非自持轉(zhuǎn)入自持的條件為
當(dāng)前25頁,總共35頁。2023/3/2126巴申定律:(適用于δd<0.26cm時(shí)的放電過程)當(dāng)氣體和電極材料一定時(shí),氣隙的擊穿電壓是氣體的相對(duì)密度δ和氣隙距離d乘積的函數(shù)Ub=f(δd)當(dāng)前26頁,總共35頁。2023/3/2127巴申曲線解釋電離次數(shù)=碰撞次數(shù)*電離概率距離d不變,氣壓P增加距離d不變,氣壓P降低當(dāng)前27頁,總共35頁。流注理論:(δd>0.26cm時(shí)的放電過程)在高氣壓長(zhǎng)間隙條件下的氣體放電理論特點(diǎn):認(rèn)為電子碰撞電離及空間光電離是維持自持放電的主要因素,并強(qiáng)調(diào)了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用
電子崩階段空間電荷畸變外電場(chǎng)
流注階段光電離形成二次電子崩2023/3/2128當(dāng)前28頁,總共35頁。2023/3/2129(1)電子崩階段(a)初始電子崩陽極側(cè)電子崩數(shù)目多正空間電荷加強(qiáng)了原電場(chǎng),同時(shí)向周圍放射出大量光子當(dāng)前29頁,總共35頁。2023/3/2130(b)二次電子崩光子使附近的氣體因光電離而產(chǎn)生二次電子它們?cè)谟烧臻g電荷所引起的畸變和加強(qiáng)了的局部電場(chǎng)作用下,又形成新的電子崩,即二次電子崩
當(dāng)前30頁,總共35頁。2023/3/2131(2)流注的形成和發(fā)展二次電子崩中的電子+初始電子崩的正空間電荷——混合通道(流注)。流注通道和二次崩留下的正電荷,大大加強(qiáng)了流注發(fā)展方向的電場(chǎng),產(chǎn)生新電子崩,從而使流注向前發(fā)展當(dāng)前31頁,總共35頁。2023/3/2132(3)間隙的擊穿流注不斷向陰極報(bào)進(jìn),頭部電場(chǎng)越來越強(qiáng),因而其發(fā)展也越快流注發(fā)展到陰極,間隙被導(dǎo)電良好的等離子通道所貫通——間隙擊穿當(dāng)前32頁,總共35頁。2023/3/2133在電離室中得到的初始電子崩照片圖a和圖b的時(shí)間間隔為110-7秒p=270毫米汞柱,E=10.5千伏/厘米初始電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)榱髯⑺查g照片p=273毫米汞柱E=12千伏/厘米電子崩在空氣中的發(fā)展速度約
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