第二章氣體電介質(zhì)的擊穿特性

1、1.空氣在強電場下放電特性一.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,在一個立方厘米體積內(nèi)僅含幾千個帶電粒子,但在高電壓下,氣體從少量電符會突然產(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,使其一個或幾個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 當帶電質(zhì)點

2、具有的動能積累到一定數(shù)值后，在與氣體原子（或分子）發(fā)生碰撞時，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.擴散 帶電質(zhì)點從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運動.b.復(fù)合 正離子與負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,電子附著原子形成負

3、離子二.氣體放電的兩個理論1.湯遜放電理論.適用條件:均勻電場,低氣壓,短間隙實驗裝置均勻電場中氣體的伏安特性分析：oa段:隨著電壓升高，到達陽極的帶電質(zhì)點數(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:電流急劇突增(1).電子崩 在電場作用下電子從陰極向陽極推進而形成的一群電子(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) 一個電子在電場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)一個正離子到達陰極,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為:1) 1(Se(5)巴申定律a.表達式:)(PSfUFP:氣體壓力 S:極間距離b.均勻電場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,用湯遜理論無法解釋的幾種現(xiàn)象a.擊穿過程所需時間,實測值比理論值小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)在整個間隙中均勻連續(xù)地發(fā)展,但在大氣中擊穿會出現(xiàn)有分枝的明亮細通道(2).理論要點: 認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,流注形成便達到了自持放電條件,它強調(diào)了空間電符畸變電場的作用和熱游離的

5、作用.(3)放電簡單流程圖:有效電子(經(jīng)碰撞游離)-電子崩(畸變電場)-發(fā)射光子(在強電場作用下)-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.電暈起始場強 開始出現(xiàn)電暈時電極表面的場強電暈起始電壓 開始出現(xiàn)電暈時的電壓電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自持放電形式2.極性效應(yīng)(1).正棒-負板分析：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)生電場加強了朝向板極的電場，有利于流注發(fā)展，故降低了擊穿電壓。(2).負棒-正板分析：a.捧附近正空間電荷產(chǎn)生附加電場加強了朝向棒端的電場強度，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)生的附加電場與原電場方向相反，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-負板負捧-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.標準波形幾個參數(shù)波頭時間T1：T1=(1.2 30%)s波長時間T2: T2=(50 20%) s標準波形通常用符號 表示s50/2 . 12.放電時延(1).間

7、隙擊穿要滿足二個條件a.一定的電壓幅值b.一定的電壓作用時間(2).統(tǒng)計時延t s 通常把電壓達間隙的靜態(tài)擊穿電壓開始到間隙中出現(xiàn)第一個有效電子為止所需的時間(3).放電形成時延tf從第一個有效電子到間隙完成擊穿所需的時間(4).放電時延tLtL=ts+tf氣體間隙在沖擊電壓作用下?lián)舸┧枞繒r間：t=t1+ts+tf其中：ts+tf 就是放電時延tL3. 50%沖擊放電電壓U50%放電概率為50%時的沖擊放電電壓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間的關(guān)系

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

9、大氣壓力 P0=101.3kpa溫度 濕度 f0=11g/m3C0202. 相對密度的影響相對密度 p=0.289- T當在0.95到1.05之間時,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). 極不均勻電場由于平均場強較低,濕度增加后,水分子易吸附電子而形成質(zhì)量較大的負離子,運動速度,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度的方法

10、有兩個途徑:一個是改善電場分布,使之盡量均勻;另一個是削弱氣體間隙中的游離因素.1. 改善電場分布的措施(1). 改變電極形狀(2). 利用空間電荷對電場的畸變作用(3). 極不均勻電場中采用屏障當屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15%-20%時，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達到無屏障時的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準電容器等10kv高壓標準介損器(2). 采用高真空 氣體間隙中壓力很低時，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). 采用高強度氣體SF6氣體屬強電負性氣體,容易吸附電子成為負離子,從而削弱了游離過程.提高壓力后可相當于一般液體或固體絕緣的絕緣強度.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. 均勻電場中的沿面放電其放電特點:(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)表面不可能絕對光滑,使表面電場不均勻.c.介質(zhì)表面電阻不均勻使電場分布不均勻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作用下向兩極移動,易在電極附近積聚電荷,使電場

13、不均勻4. 極不均勻電場具有強法線分量時的沿面放電(套管型)(1) 放電發(fā)展特點: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強度，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. 極不均勻電場具有強切線分量時的沿面放電(支柱絕緣子型)

14、 由于電極本身的形狀和布置己使電場很不均勻，故介質(zhì)表面積聚電荷使電壓重新分布不會顯著降低沿面閃絡(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330kv及以上電壓等級考慮使用均壓環(huán)7. 絕緣子表面污穢時的沿面放電 戶外絕緣子，會受到工業(yè)污穢或自然界鹽堿、飛塵等污染，在干燥時，由于污穢塵埃電阻很大，絕緣子表面泄漏電流很小，對絕緣子安全運行無危險；但下雨時，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).對污穢絕緣子定期或不定期進行清洗 (2). 絕緣子表面涂一層憎水性防塵材料(3).加強絕緣和采用防污絕緣子(4).采用半導(dǎo)體釉絕緣子對瓷柱進行清洗第八節(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：一個絕緣裝置的實際耐壓水平由沿面 放電電壓決定。研究范圍：表面干燥、清潔時的沿面放電電壓 表面潮濕、污穢時的沿面放電電壓768 沿面放電沿面放電的幾種典型電場分布形式 77均勻電場強垂直分量弱垂直分量8.1 均勻電場中的沿面放電 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 均勻電場中的沿面放電機理分析：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。 在連接處涂導(dǎo)電粉末或者導(dǎo)電膠2） 潮氣形成水膜，其中的離子在電場下運動， 造成沿面電壓分布不均，畸變電場。 憎水性材料3） 在瓷柱表面的凸凹處，發(fā)生電場畸變，產(chǎn)生空氣 間隙擊穿。帶電粒子分布在固體表面，畸變原有電 場，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，使電場畸變，降低沿面閃絡(luò)電壓。798.1 均勻電場中的沿面放電808.2 極不均勻場具有強垂直分量 的沿面放電沿套管表面的放

17、電81電暈放電細絲狀的輝光放電滑閃放電8.2 極不均勻場具有強垂直分量 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，帶電粒子的運動造成介質(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，形成沿面閃絡(luò)。828.2 極不均勻場具有強垂直分量 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，滑閃長度增長變快，因此單靠加長距離提高閃絡(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)表面電荷聚集對電場畸變影響不大；實驗表明：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 極不均勻場具有弱垂直分量 的沿面放電85三種情況比較： 均勻場中的沿面閃絡(luò)電壓最高，有垂直分量的沿面放電電壓低得多； 具有強垂直分量的沿面放電電壓很低，因為出現(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