氣體的放電特性PPT課件

1、1高電壓技術導言一、本課程學習目的 通過本課程學習應重點掌握電力系統(tǒng)產生過電壓的機理和過電壓保護的基本方法，培養(yǎng)學生分析和解決電力系統(tǒng)中絕緣與作用電壓矛盾的能力。通過本課程學習，為今后從事有關高電壓與絕緣方面的工作打下基礎。 二、主要內容各類電介質在高電場下的特性電氣設備絕緣試驗技術電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合第1頁/共67頁2 三、參考書目1.高電壓技術 文遠芳 華中科技大學出版社2.高電壓技術 周浩 浙江大學出版社3.高電壓技術 張一塵 中國電力出版社4.高電壓技術 周澤存 中國電力出版社第2頁/共67頁3第一篇 各類電介質在高電場下的特性 主要介紹固體、液體、氣體介質的放電、閃絡、擊穿特性和

2、極化、電導、損耗等電氣現(xiàn)象，以及提高電介質電氣強度的方法。主要內容：氣體的放電基本物理過程和電氣強度固體、液體介質的電氣特性第3頁/共67頁4第1章 氣體的放電基本物理過程和電氣強度主要內容： 本章主要介紹氣體放電的湯遜理論和流注理論，氣體放電的基本規(guī)律、擊穿特性和影響因素，以及提高氣體介質電氣強度的方法。此外還介紹沿面放電以及防污對策。第4頁/共67頁5第1節(jié) 湯遜理論和流注理論主要內容： 一、非自持放電和自持放電 二、湯遜理論 三、巴申定律 四、流注理論 五、強電負性氣體自持放電的條件第5頁/共67頁6一、自持放電和非自持放電oa初始階段ab良好的絕緣狀態(tài)bc碰撞電離帶電離子 cs氣體間隙

3、擊穿，電流急劇增加非自持放電：依靠外電離因素作用而維持的放電自持放電：只依靠外施電壓而維持的放電U0：放電起始電壓第6頁/共67頁7二、湯遜理論 湯遜從均勻電場、低氣壓、短氣隙的氣體放電實驗出發(fā)，總結出的氣體放電理論。1.電子崩的形成 陰極電極表面由于光電離產生電子（起始電子）電場作用向陽極運動動能增大發(fā)生碰撞電離產生新電子電子數(shù)量增多電子崩 正離子向陰極運動加強陰極電場或與陰極碰撞產生新電子雪崩現(xiàn)象加劇放電自持第7頁/共67頁82.三個系數(shù)作用：定量分析氣隙中的放電過程系數(shù)電子沿電場方向運動1cm平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)電子崩過程（過程）系數(shù)正離子沿電場方向運動1cm平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)離子

4、崩過程（過程）系數(shù)折合到每個碰撞陰極表面的正離子，使陰極金屬平均釋放出的自由電子數(shù)離子崩達到陰極后引起陰極發(fā)射二次電子的過程（過程）第8頁/共67頁93.均勻電場中電子崩的計算dxndndxndn 或或den解方程得：) 1(1ddeen過程電子崩的電子過程中產生的離子崩中的正離子數(shù) 過程在陰極上釋放出二次電子數(shù)1) 1(de如果 便開始轉入自持放電階段因此自持放電的條件為：1) 1(1) 1(0ddxdee第9頁/共67頁103.湯遜理論湯遜理論的實質：電子碰撞電離是氣體放電的主要原因，二次電子來源于正離子撞擊陰極使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。 所逸出的電子能否接替起

5、始電子的作用是自持放電的判據。適用范圍：解釋低氣壓、短氣隙中的放電現(xiàn)象第10頁/共67頁11三、巴申定律EBpApe/)()11ln()(ln)() 11ln(1) 1(0/0pdfpdApdBUdApeeUBpdd0/UBpdApeU0：均勻電場中，氣體的自持放電的起始電壓，等于氣隙的擊穿電壓Ub。巴申定律：當氣體成分和電極材料一定時，氣體間隙擊穿電壓Ub是氣壓p和極間距離d乘積的函數(shù)。第11頁/共67頁12 由曲線可知，隨pd的變化，擊穿電壓有最小值。 該現(xiàn)象可由湯遜理論加以解釋：形成自持放電需要達到一定的電離數(shù)d，而這又決定于碰撞次數(shù)與電離概率的乘機。第12頁/共67頁13 巴申定律：U

6、b=f(pd) 當考慮溫度變化時，可以用氣體的相對密度代替大氣壓力。)( dfUbTpTppTss9 . 2Ts、ps：標準大氣壓，Ts=293K，ps=101.3kpaT、p：實驗時大氣條件第13頁/共67頁14四、流注理論1.湯遜理論的不足 湯遜理論適用于低氣壓、短氣隙的放電現(xiàn)象，但是解釋高氣壓、長氣隙時，與實際相矛盾。2.流注的形成和發(fā)展 起始電子碰撞電離初始電子崩正離子暫留電場畸變發(fā)射光子產生二次電子二次電子崩產生充滿正負粒子的通道流注形成第14頁/共67頁153.流注理論 形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場明顯畸變，同時放射出大量光子成為空間

7、光電離的輻射源。 二次電子主要來源于空間的光電離。湯遜理論：二次電子主要來源于正離子碰撞陰極的逸出電子。4.流注的產生條件 流注的產生條件即自持放電條件，對于均勻場為： 一般認為當ad20（ead108）便可滿足上述條件，使流注得以形成。常數(shù)常數(shù)de第15頁/共67頁165.強電負性氣體的自持放電條件（1）附著效應系數(shù) 一個電子沿電場方向運動1cm時，平均發(fā)生的電子附著次數(shù)。 在電負性氣體中，有效碰撞電離次數(shù)為： 湯遜自持放電條件中的不能簡單用-代替，因為在電負性氣體中，正離子數(shù)等于增新的電子數(shù)與負離子數(shù)之和。（2）電負性氣體的自持放電條件KdxKd)()(K：電子崩中電子的臨界值取對數(shù)，對于

8、SF6，K=10.5。第16頁/共67頁17第2節(jié) 不均勻電場中的放電過程稍不均勻電場和極不均勻電場的放電特點極不均勻電場中的電暈放電現(xiàn)象極不均勻電場中的放電過程均勻電場不均勻電場稍不均勻電場極不均勻電場第17頁/共67頁18一、稍不均勻電場和極不均勻電場1.球隙大小與放電情況之間關系（1）d2D 電場較均勻（稍不均勻），一旦出現(xiàn)自持放電，立即導致整個氣隙擊穿。（2）d4D 電場極不均勻電壓達到某一臨界值（電暈起始電壓）電暈放電電壓繼續(xù)升高刷狀細火花氣隙完全擊穿（3）2Dd4D 過渡區(qū)域電壓升高不穩(wěn)定電弧電弧立刻轉換為火花放電氣隙完全擊穿第18頁/共67頁192.實驗結論兩球間距越大，電場越不

9、均勻電場越不均勻，擊穿電壓與電暈起始電壓差別越大。3.電場不均勻度的劃分（1）根據是否存在穩(wěn)定電暈劃分存在穩(wěn)定電暈：極不均勻電場（d4D）不存在穩(wěn)定電暈，電暈一出現(xiàn)氣隙馬上擊穿：稍不均勻電場（ d2D、2Dd4D）（2）根據電場不均勻系數(shù)劃分 f=Emax/Eav Eav=U/d f4：極不均勻電場第19頁/共67頁204.電場均勻度與擊穿電壓之間的關系電場越不均勻，擊穿電壓越低；極不均勻電場的電暈起始電壓即為放電起始電壓，由發(fā)生電暈至擊穿的過程還必須升高電壓才能完成。第20頁/共67頁21二、極不均勻電場中的電暈放電現(xiàn)象1.電暈和暈光 在極不均勻電場中，氣隙在完全擊穿之前，電極附近會產生電暈

10、放電。 電暈放電的強度與外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體性質和密度相關。 電暈放電的起始場強：)3 . 01 (3021rmmEcm1：導體表面粗糙系數(shù)，光滑導線為1，絞線為0.80.9。m2：由天氣產生的可用系數(shù)，好天氣為1，壞天氣為0.8。第21頁/共67頁222.電暈的應用、危害和防治方法電暈放電的害處：引起功率損耗；產生放電脈沖，導致電磁干擾、噪聲；產生臭氧和氧化氮。電暈放電的應用：靜電除塵器、臭氧發(fā)生器、靜電噴涂等。 防止電暈方法：采用分裂導線、擴徑導線。 對330kV、500kV、750kV的線路可分別采用二分裂、四分裂、六分裂導線。第22頁/共67頁23四分裂導線第23頁/共6

11、7頁24鋼芯鋁絞線和擴徑鋼芯鋁絞線第24頁/共67頁25三、極不均勻電場中的放電過程1.概述棒板電極中，電離首先從棒極開始；放電發(fā)展過程與電極極性有關；電場極性取決于曲率較小電極的極性；在兩個電極幾何形狀相同時，極性取決于不接地的那個棒極的極性。2.自持放電前的階段正極性棒板電極：電暈起始電壓較高負極性棒板電極：電暈起始電壓較低第25頁/共67頁262.自持放電后階段 極不均勻電場中，由電暈放電發(fā)展到擊穿放電的階段。正極性棒板電極：擊穿電壓較低負極性棒板電極：擊穿電壓較高第26頁/共67頁273.總結 對于極不均勻電場，擊穿的極性效應與電暈放電的極性效應相反。 在工程實際中，進行絕緣沖擊試驗，

12、要施加正極性的沖擊電壓。4.長氣隙（大于1m）放電過程 流注不會一次貫穿整個氣隙，而是出現(xiàn)逐級推進的先導放電現(xiàn)象。 電暈放電先導放電主放電第27頁/共67頁28第3節(jié) 空氣間隙在各種電壓下的擊穿特性主要內容：一、作用電壓類型 二、空氣間隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿 三、空氣間隙在沖擊電壓下的擊穿第28頁/共67頁29一、作用電壓類型穩(wěn)態(tài)電壓：直流電壓、工頻交流電壓沖擊電壓：雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓二、空氣氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿1.均勻電場氣隙的擊穿 均勻場氣隙在直流、工頻電壓作用下的擊穿電壓是相同的。ddUb66. 655.24d=110cm時，擊穿場強約為30kV/cm。第29頁/共67頁30 2

13、. 稍不均勻電場中的擊穿（1）球隙 a. dD/4時，電場不均勻程度增大，擊穿場強下降，出現(xiàn)極性效應；c. 球隙測壓器的工作范圍dD/2；否則因放電分散性增大，不能保證測量的精度。 第30頁/共67頁31（2）同軸圓柱 高壓標準電容器、單芯電纜、GIS分相母線（1）r/R0.1時，稍不均勻電場，擊穿前不出現(xiàn)電暈，且由圖可見，當r/R 0.33時擊穿電壓出現(xiàn)極大值（電氣設備在絕緣設計時盡量將r/R選取0.250.4的范圍內）。 為什么有極大值？ Uc：電暈起始電壓Ub：擊穿電壓R：外徑r：內徑第31頁/共67頁323. 極不均勻電場中的擊穿“導線導線”可用“棒棒”氣隙擊穿特性估算“導線大地”可用

14、“棒板”氣隙擊穿特性估算 不僅電極的對稱程度影響氣隙的擊穿特性，而且極間距離大小對擊穿電壓也有很大影響?！鞍?棒”和“棒-板”空氣間隙的直流擊穿特性（1）短氣隙直流擊穿特性直流電壓下，棒板電極具有明顯的極性效應，棒棒電極極性效應較弱。棒棒電極的擊穿電壓介于極性不同的棒板電極之間。第32頁/共67頁33“棒-棒”和“棒-板”長空氣間隙的直流擊穿特性（2）長氣隙直流擊穿特性 特性與短氣隙直流擊穿特性相同。 可用于估算超高壓直流輸電過程中對稱布置和不對稱布置所需的絕緣距離。（3）工頻交流擊穿特性工頻電壓下，棒板電極擊穿電壓與正極性棒板電極直流擊穿電壓相同；棒棒電極工頻擊穿電壓比棒板電極擊穿電壓要高。

15、第33頁/共67頁34（4）長空氣間隙工頻擊穿電壓在距離小于1m的范圍內，兩種電極的工頻擊穿電壓幾乎相等。 當距離超過2m，擊穿電壓和氣隙間隙距離的關系出現(xiàn)飽和趨勢。第34頁/共67頁35二、空氣間隙在沖擊電壓下的擊穿1.在雷電沖擊電壓下的擊穿（1）雷電沖擊電壓標準波形T1：波前時間1.2us T2：半峰值時間50us標準波形：1.2/50us（2）沖擊放電的時延U0：靜態(tài)擊穿電壓ts：統(tǒng)計時延tf：形成時延沖擊放電總時間為：tb=t1+ts+tf第35頁/共67頁36（3）雷電50%沖擊擊穿電壓（U50%） 在多次施加同一電壓時，其中半數(shù)導致氣隙擊穿，以此反映氣隙的耐受沖擊電壓的特性。 絕緣

16、沖擊系數(shù)： = U50%/U0均勻和稍不均勻電場中：U50%U0，1極不均勻電場中： U50%U0， 1長空氣間隙的雷電擊穿特性1：正極性“棒板”2：正極性“棒棒”3：負極性“棒棒”4：負極性“棒板”第36頁/共67頁37（4）伏秒特性定義：在同一沖擊電壓波形作用下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間之間的關系曲線，為伏秒特性曲線。 一般用來表征氣隙在沖擊電壓下的擊穿特性。求取伏秒特性曲線的試驗方法伏秒特性曲線的分散性第37頁/共67頁38伏秒特性的作用：秒特性曲線主要用于保護裝置和被保護設備之間的絕緣配合。保護間隙的伏秒特性曲線應在被保護設備的伏秒特性曲線的下方；平坦的伏秒特性曲線有利于較好的

17、實現(xiàn)絕緣配合。第38頁/共67頁392.操作沖擊電壓下的擊穿非周期雙指數(shù)沖擊波：波前時間：Tcr=250us 半峰值時間：T2=2500us記做250/2500us衰減震蕩波：第一個半波的持續(xù)時間為20003000us，第二個半波為反極性，峰值約占第一個半波峰值的4/5。第39頁/共67頁40（1）均勻電場和稍不均勻電場 氣隙的50%沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓幾乎相同，擊穿幾乎發(fā)生在峰值。（2）極不均勻電場操作沖擊電壓下,極不均勻場長氣隙擊穿呈U形曲線；氣隙的操作沖擊擊穿電壓不僅遠低于雷電沖擊擊穿電壓，甚至在某些波前時間比工頻擊穿電壓還低；極不均勻電場長氣隙的操作沖擊擊穿特性具有“飽和”特征；

18、操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時間的分散性都比雷電沖擊電壓下大得多。第40頁/共67頁41第4節(jié) 大氣條件對氣隙擊穿特性的影響對空氣密度的校正對濕度的校正對海拔高度的校正0UKKUhdU0：標準大氣壓下的擊穿電壓Kd：空氣密度校正系數(shù)Kh：濕度校正系數(shù)第41頁/共67頁42一、空氣密度的校正Tp9 . 2 當空氣相對密度在0.951.05范圍內變動時，氣隙的擊穿電壓與其密度成正比，及kd0UU適用條件：極間距離不大，電場比較均勻或長度雖長，但擊穿電壓仍隨極間距離增加呈線性增大（如雷電沖擊電壓）的情況。其余情況：nmdttppK)273273()(00 m、n與電極形狀、極間距離、電壓種類及

19、極性有關，其值在0.41.0之間。第42頁/共67頁43二、濕度的校正大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓也會越高；均勻和稍不均勻電場（球隙測壓器），濕度影響可忽略不計；極不均勻電場：k：與絕對濕度和電壓種類有關：取決于電極形狀、極間距離、電壓種類及其極性三、對海拔高度的校正 凡安裝在海拔1000m4000m之間的電氣設備，其試驗電壓應等于平原地區(qū)絕緣實驗電壓與海拔校正系數(shù)的乘積。kKhpaUKU 4101 . 11HKa第43頁/共67頁44第5節(jié) 提高氣體介質電氣強度的方法研究氣隙放電的目的： 提高氣體介質強度，采用各種措施使氣隙絕緣距離盡可能取小，以減小絕緣尺寸。主要內容：一、改善電場分布 二

20、、削弱或抑制氣體介質中的電離過程第44頁/共67頁45一、改善電場分布1.改進電極形狀以改善電場分布 增大電極的曲率半徑、改善電極邊緣形狀等方法減小場強差異，使電場均勻化。2.利用空間電荷改善電場分布 利用電暈層改善電場分布，進而提高擊穿電壓。3.極不均勻電場中采用屏蔽改善電場分布x/d=0.2處使正極性棒板電極增加23倍；對于負極性棒板電極可能會起到反作用。棒棒電極應當設置兩層屏蔽。只能提高穩(wěn)態(tài)擊穿電壓。第45頁/共67頁46二、削弱或抑制電離過程1.采用高氣壓 在均勻電場中，壓縮空氣氣壓在10個大氣壓以下時，擊穿電壓隨氣壓增加而成線性增加。2.采用強電負性氣體 六氟化硫和氟利昂是常用強電負

21、性氣體，絕緣強度達到空氣的2.5倍。3.采用高真空 采用高真空可以使氣隙的擊穿電壓得到顯著上升。第46頁/共67頁47第6節(jié) 沿面放電及防污對策 沿面放電的基本概念 沿面放電界面電場分布與特點 固體介質表面有水膜時的沿面放電 絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電第47頁/共67頁48一、沿面放電的基本概念沿面放電：沿氣體介質與固體介質的交界面上發(fā)展的放電現(xiàn)象，它是一種持殊的氣體放電。絕緣子（絕緣支柱）：支撐、懸掛高壓導體套管：固定高壓導體固體介質沿面滑閃：尚未發(fā)生擊穿的放電沿面閃絡：沿面擊穿放電現(xiàn)象放電形式 沿面閃絡電壓比純氣隙擊穿電壓要低得多，因此一個絕緣裝置的實際耐壓能力是取決于它的沿面閃絡電壓。沿

22、面閃絡電壓決定其外絕緣的絕緣水平。絕緣子套管第48頁/共67頁49二、沿面放電界面電場分布與特點界面電場分布可以分為上述三種典型情況。第49頁/共67頁501. 均勻和稍不均勻電場中的沿面放電 此時沿面閃絡電壓比純空氣間隙的擊穿電壓低得多，均勻電場發(fā)生畸變。主要有以下原因：潮氣吸附到固體介質表面而形成薄水膜，其中離子移動導致電場不均勻，對工頻和直流電壓下的閃絡電壓影響較大。固體介質與電極接觸不良，存在小氣隙，氣隙內將首先發(fā)生放電，所產生的帶電粒子使原有電場發(fā)生畸變。固體介質表面電阻不均勻和表面的粗糙不平也會畸變沿面電場。第50頁/共67頁51提高均勻電場沿面閃絡電壓的措施：采用石蠟、硅橡膠等憎

23、水性材料，而少采用瓷、玻璃等親水性材料；將電極與介質接觸面仔細研磨，使兩者緊密接觸以消除空氣隙，或者在介質端面上噴涂金屬，將氣隙短路，提高沿面閃絡電壓。第51頁/共67頁522.極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電沿套管表面放電示意圖 具有強垂直分量極不均勻電場的沿面放電主要包括電暈放電、輝光放電、滑閃放電和沿面閃絡四個階段。（1）沿面閃絡電壓降低的原因 主要是由于電流通過固體介質表面電容時，分流引起介質表面的電壓分布不均勻造成的。第52頁/共67頁53放電只和電場分布有關，而與電極的電位無關，可認為法蘭加高壓，導桿接地；在介質表面，電流分布不均勻；越靠近法蘭處，電流越大，在法蘭單位距離上的

24、壓降最大，電場最強，易發(fā)生游離。第53頁/共67頁54（2）提高沿面閃絡電壓的具體措施減小比電容C0，可采用加大法蘭處套管的外徑和壁厚，也可采用介電常數(shù)較小的介質；減小絕緣表面電阻R0，可通過減小介質表面電阻率實現(xiàn)，如在套管靠近接地法蘭處涂半導體釉、在電機絕緣的出槽口處涂半導體漆等。 增加套管長度并不會提高其沿面閃絡電壓。第54頁/共67頁553.極不均勻電場具有弱垂直分量時的沿面放電電極本身的形狀和布置已使電場很不均勻，其表面狀況、材料吸濕性能以及電極與介質的間隙對降低閃絡電壓已不明顯；由于電場的垂直分量較小，表面無大的電容電流流過，不會出現(xiàn)熱游離和滑閃現(xiàn)象；提高支持絕緣子的沿面閃絡電壓，主

25、要措施是改進電極形狀，改善電場分布。第55頁/共67頁564.不同沿面電場分布的比較均勻電場的平均沿面閃絡場強最高，具有強垂直分量電場的平均閃絡場強最低。在界面具有弱垂直分量的極不均勻電場中，沿面閃絡電壓比同樣距離的純空氣間隙的擊穿電壓略有減??；而在界面具有強垂直分量的極不均勻電場中，閃絡電壓最低。第56頁/共67頁57三、固體介質表面有水膜時的沿面放電 潔凈的瓷面被雨水淋濕時的沿面放電。由于水膜不均勻和不連續(xù)有水膜的表面電導大，無水膜處電導小。雨中的棒性支柱絕緣子可能閃絡途徑 ABBCA，濕閃絡電壓只有干閃絡電壓的40%50%； ABBA(空氣間隙)，濕閃電壓降低不多； ABBB(水流)，濕閃電壓很低。第57頁/共67頁58四、絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電1.污閃的概念 當大氣的濕度較高或者在雨雪天氣下，絕緣子表面的污垢塵埃濕潤，表面電導劇增，使其閃絡電壓降低，甚至使絕緣子在工頻電壓下發(fā)生閃絡，這就