第一章_气体放电

第一章_气体放电null第一章气体放电第一章气体放电一、气体放电的一般分类根据电源容量、气体压力、电极形状不同，分为辉光放电火花放电电弧放电电晕放电刷状放电 null 根据放电是否沿着固体介质表面发展，分为击穿（breakdown) 闪络(flashover) 两者统称为放电（discharge) ...

null第一章气体放电第一章气体放电一、气体放电的一般分类根据电源容量、气体压力、电极形状不同，分为辉光放电火花放电电弧放电电晕放电刷状放电 null 根据放电是否沿着固体介质表面发展，分为击穿（breakdown) 闪络(flashover) 两者统称为放电（discharge) null二、绝缘的一般分类 1、按存在形式气体介质液体介质固体介质 2、按是否可自行恢复绝缘可恢复绝缘不可恢复绝缘 null4、对变压器绝缘3、对有绕组设备主绝缘纵绝缘全绝缘半绝缘5、按是否与大气直接接触外绝缘内绝缘null第一节气体中带电质点的产生与消失一、气体中带电质点的产生(游离) １、碰撞游离自由行程:质点两次碰撞之间的距离。平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温度成正比。 null２、光游离各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫外线、线、X线等才有使气体产生光游离的能力。由光游离产生的自由电子称为光电子。３、热游离在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。 4.表面游离包括热电子发射、正离子撞击阴极、短波光照射效应及强电场发射等，都可以使阴极发射电子。 null二、气体中带电质点的消失(去游离) 1.漂移(定向运动消失于电极) 电流的大小取决于带电质点的浓度及其在电场方向的速度。 2.扩散气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。 null3.复合强烈的游离区总是强烈的复合区。通常以异性离子间的复合更为重要。值得注意的是：光辐射在一定条件下又可能成为导致光游离的因素。 4.吸附效应容易吸附电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧、氯、氟、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体。 null小结气体中带电质电的产生形式有碰撞游离、光游离、热游离和表面游离。消失的基本形式有定向漂移、扩散、复合和吸附效应。平均自由行程越大，就越容易发生碰撞游离。气体中带电质电的产生与消失影响着气体放电的发展过程。前者促进放电发展，后者阻碍放电发展。null 一、气体放电过程的一般描述 1、自持放电与非自持放电（汤逊放电实验，在均匀电场中) (1)线性段 (2)饱和段 (3)游离段 (4)自持段1-2 均匀电场的放电null自持放电：非自持放电：2、气体放电后的形式仅需外加电场就能维持的放电过程。需要外游离因素和外加电场共同作用维持的放电过程。辉光放电火花放电电弧放电电晕放电刷状放电null二、气体放电理论 1、汤逊理论 (1) 电子崩及α过程 α——电子碰撞游离系数，表示一个电子沿着电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。 α与气体的种类、相对密度和电场强度有关。 nullnull（2）β过程 β——正离子碰撞游离系数，表示一个正离子沿电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。 β值极小，在分析时可予忽略。 (3)γ过程 γ——正离子的表面游离系数，表示一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面游离的电子数。 null（4）汤逊自持放电条件 γ（eas一1)≥1 物理意义？P6 （5）巴申定律 Ub=f(pd) 式中 P——气压（Pa） d——极间距(cm) null巴申定律实验曲线图null巴申定律曲线呈U型，可解释如下： 1、当d一定时 P↑→↑→λ↓→电子动能↓→气体游离能力↓→击穿电压Ub ↑ 反之 P↓→↓→碰撞次数↓↓→击穿电压Ub ↑null2、当P一定时 d↑→要维持足够的电场强度→必须升高电压反之 d↓→当与平均λ可比拟时→电子走完全程中的碰撞次数↓→Ub↑ null（6）适用范围及局限性解释低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即pd较小时。在解释大气中长间隙放电过程时，发现有以下几点实验现象无法全部在汤逊理论范围内给予解释：放电时间阴极材料的影响放电外形 null2、流注理论该理论认为：电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷对电场的畸变作用。（1）空间电荷对电场的畸变（2）流注的形成 null正流注的形成初崩产生大量空间电荷电场分布被畸变崩头、崩尾电场增强（使游离更强烈），崩内电场削弱（使复合更容易）向空间辐射大量光子光游离产生光电子被主崩正离子吸引二次崩产生与主崩汇合形成流注（导电性好）流注迅速发展流注贯穿两极间隙击穿负流注的形成（略）当外加电压特别高时，流注可由阴极向阳极发展。由于受到电子崩留下的正电荷的牵制，负流注的发展速度较正流注的要小。 nullnull（3）流注自持放电条件当初崩头部的电荷达到一定的数量（一般认为当ad20或eαd=108）时便可以形成流注，而流注一旦形成，放电就可以转入自持。（4）适用范围及局限性适用于长间隙、大气压，即pd较大的情况。汤逊理论与流注理论互相补充，从而在广阔的pd范围内说明了不同的放电现象。 null小结无论是均匀电场还是不均匀电场，放电都是逐渐发展的，都是由非自持放电转入自持放电。解释维持自持放电的气体放电理论有汤逊理论与流注理论。前者强调表面游离的作用;后者强调空间电荷对电场的畸变与空间光游离的作用。前者可定量分析（巴申定律）;后者只是定性分析。前者适用于解释均匀电场、短间隙、低气压的情况;后者适用于解释长间隙、不均匀电场，大气压下的情况。null棒-棒间隙棒-板间隙图1-9 不均匀电场的几种典型形式1-3 不均匀电场的放电过程null电场的不均匀程度一般可用电场不均匀系数f来描述: 其中,Emax为最大场强，Eav为平均场强。 null 其中，U为间隙上外加的电压,d为间隙间的最小距离。一般地，对均匀电场f=1，对稍不均匀电场14。 null一、电晕放电 1.电晕放电的概念不均匀电场中，气隙上电压升高至某一临界值时，在曲率半径较小的尖电极附近空间，局部场强将首先达到引起强烈游离的数值，在这局部区域内形成自持放电。null2、电晕放电的现象薄薄的发光层;伴有“咝咝”放电声;发出臭氧气味。 3、电晕放电的危害 ①引起能量损耗； ②干扰周围无线电通信和测量； ③腐蚀有机绝缘材料和金具 ④噪声干扰。 null4、限制措施 ——最有效的措施就是增大电极的曲率半径，改进电极形状。例如超（特）高压线路采用分裂导线;有些高压电器采用空心薄壳的，扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极;采用管型空心硬母线等。null 二、极不均匀电场中气隙的击穿和极性效应（一）短间隙的击穿 1、正棒—负板 null2、负棒一正板 nulla.由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。 b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。null结论：在间隙距离d相同时虽然UC(+)＞UC(-) 但 Ub(+)＜Ub(-) 式中 UC——电晕起始电压 Ub——击穿电压此称为极性效应。 null（二）长间隙的击穿（d＞1m时） 1.先导放电阶段具有热游离过程的通道称为先导通道。 2.主放电阶段温度更高、电导更大，轴向电场更小的等离子体火花通道。此时，间隙接近于短路状态，气隙完全丧失了绝缘性能。nullnull结论： a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放电四个阶段。 b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电三个阶段。 c、由于间隙越长，先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低。 null小结与均匀电场相比，不均匀电场中气隙的放电具有一系列自身的特点，如间隙击穿前存在明显的电晕放电（局部放电）;不对称间隙中放电存在极性效应;长间隙击穿过程中存在先导阶段（故其平均击穿场强比短间隙或均匀电场中的平均击穿场强要低得多）。电晕有利也有弊，在实际工作中要给予区分和不同的处理。防止电晕的最根本的措施是增大电极的曲率半径，如在高压尖端加装屏蔽罩、均压环等措施。null一、冲击电压作用下气隙的击穿特性及相关概念 1、放电时间间隙击穿的必要条件足够的电压充分的时间放电时间tb=f(电场均匀程度、外加电压、外界照射) 1-4 不同电压形式下空气间隙的击穿nullnull2、冲击电压的标准波形（IEC 规定）标准雷电冲击电压波形：1.2/50μs 标准操作冲击电压波形：250/2500μsnull3、U50%及冲击系数β 多次施加某冲击电压时，放电的概率约为50%，称为U50%。冲击系数式中，U0——最低静态击穿电压null在均匀电场和稍不均匀电场中，β≈1，且击穿通常在波头附近在极不均匀电场中，β＞1，且击穿通常在波尾部分null4、伏秒特性（1）伏秒特性的概念及其绘制方法概念：工程上用气隙出现的电压最大值和放电时间的关系来表示气隙在冲击电压下的击穿特性。绘制方法nullnull（2）伏秒特性的形状对均匀或稍不均匀电场：较为平坦，分散性也较小对极不均匀电场：较为陡峭，分散性也较大 null（3）伏秒特性的意义能够全面反映间隙在冲击电压作用下的击穿特性。是电力系统防雷设计中绝缘配合的依据。 null（4）对绝缘配合的要求保护设备绝缘的伏秒特性曲线的上包线始终低于被保护设备的伏秒特性曲线的下包线。保护设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些，即采用电场比较均匀的绝缘结构。null二、不同电压形式下气隙的击穿电压 1、均匀电场中（无极性效应）在不同形式电压下，其击穿电压相同（冲击系数β等于1 ），分散性也很小。在标准大气条件下，均匀电场中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。null2、稍不均匀电场中（有弱极性效应）与均匀电场类似，但在电场不对称时，有较弱的极性效应，且与极不均匀电场中的极性效应相反。 null3、极不均匀电场中（1）直流电压下（有极性效应）同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较：负棒—正板 > 棒—棒 > 正棒—负板（2）工频电压下（有极性效应，击穿电压峰值稍低于直流击穿电压）棒—板间隙的击穿总是在棒极性为正、电压达峰值时发生。 null（3）雷电冲击电压下（有极性效应，长间隙时击穿电压与气隙距离呈线性关系）（4）操作冲击电压下（有极性效应，长间隙时呈现“饱和”效应和“U”型关系，对≥330KV超高压系统的绝缘设计起主要的决定作用） null小结与持续电压作用下相比，冲击电压作用下的气体放电具有一些新的特点，比如放电过程中所需要的时间就不得不考虑在内了。因此，为了描述在冲击电压作用下的气体放电特性，还需要引入一些新的概念，如U50%、冲击系数β、伏秒特性等。在绝缘配合中必须考虑被保护设备与保护设备之间伏秒特性的配合。均匀或稍不均匀电场中的气隙伏秒特性曲线较为平坦，故其冲击系数β等于1，也就是说在不同电压形式下，其击穿电压是相同的。null极不均匀电场中的气隙伏秒特性曲线较为陡峭，故其冲击系数β大于1，在不同的电压形式（即直流电压、工频交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压）下的击穿特性将有所不同。在不对称电场（如棒—板间隙）中的气隙放电还存在明显的极性效应。 null一、气压、温度对击穿电压的影响式中 ——空气的相对密度; p——实际大气条件下的气压，kPa; t——实际大气条件下的温度，℃; ↑Ub↑t ↓1-5 大气条件对空气击穿电压的影响null 海拔高度H↑P↓↓Ub↓二、湿度对击穿电压的影响在均匀或稍不均匀电场中，湿度对气隙击穿电压的影响可忽略不计。在极不均匀电场中,湿度增大后，气隙击穿电压随之提高。三、海拔高度对击穿电压的影响null小结大气状态对气隙击穿电压的影响可以通过校正公式统一换算到标准大气状态下气隙的击穿电压，以便于相互比较并作出一致性评价。温度与气压影响空气的密度。在正常使用范围内（不含真空态），气隙击穿电压随空气密度的增大而增大。湿度增大，不均匀电场气隙击穿电压增高。null 途径有二：一是改善电场分布，使之尽量均匀; 二是削弱气隙中的游离过程。具体措施有五：一、改善电场分布，使之尽量均匀（1）改变电极形状（2）细线效应 1-6 提高气隙击穿电压的措施null（3）采用绝缘屏障 null二、削弱气体的游离过程⒈ 采用高气压⒉ 采用高真空⒊ 采用高电气强度气体null小结提高气体放电的途径有二：一是改善电场分布使之尽量均匀;二是削弱气体的游离过程。具体措施有：改变电极形状;细线效应;采用绝缘屏障;采用高气压、采用高真空、采用高电气强度气体。 null 击穿闪络：沿着固体表面的气体放电（沿面放电），当沿面放电贯穿两电极时，称为闪络。：单一气体间隙的绝缘被破坏。1-7 沿面放电与污秽放电nullnullnull当极间距离d相同时，击穿电压(Ub)与闪络电压(Uf)的比较： Uf < Ub,气体 < Ub,固体电力系统中的绝缘事故大多表现为闪络形式。null 一、沿面放电的一般物理过程 1、均匀电场 null气隙的击穿总是发生在固体介质的表面，且Uf>E∥时的沿面放电（如高压套管） null等值电路及分析null提高套管闪络电压的措施（★） ① 减小C0,如加大法兰处的套管外径; ② 适当减小靠近法兰处的表面电阻，如涂半导体漆或釉。思考：在DC和AC作用下，套管的沿面闪络电压是否相等?其大小关系？null（2）E∥>> E⊥时的沿面放电（如支柱绝缘子） null提高支柱绝缘子闪络电压的措施：（★）改进电极的形式，改善电场分布，如装屏蔽罩和均压环等。 null二、线路悬式绝缘子串的电压分布 C——每片绝缘子自身的电容，CE——每片绝缘子对地的电容， CL——每片绝缘子对导线的电容null 一般地，C >> CE>> CL 结论：由于CE与CL的存在，使得在AC下沿绝缘子串的电压分布不均匀，呈“U”型分布，且靠近导线的绝缘子承受的电压最高。（★）改善措施：对≥330KV的线路在绝缘子串导线端安装均压环。（★）nullnull三、绝缘子的电气性能问题的提出：户外绝缘子的形状为何总做成伞裙状（通常，伞宽:伞距=1:2）？下表面做成凸起的棱? null干闪电压湿闪电压污闪电压：清洁、表面干燥绝缘子的闪络电压。清洁、表面严重受潮（比如雨淋）绝缘子的闪络电压。污秽绝缘子在表面受潮情况下的闪络电压。衡量绝缘子的电气性能：：nullnull结论: 通常，干闪电压>湿闪电压>污闪电压。但是当绝缘子串长度较长时，湿闪电压反而超过干闪电压。（★） null 四、污秽闪络 1、污闪的一般过程（条件）绝缘子自然污秽或人工污秽→表面沉积污秽物毛毛雨、雾、露、融雪、溶冰→污秽物湿润→污秽物电导↑→表面泄漏电流↑ →。。。（？？？机理尚不成熟）→ 沿面闪络（污闪） null受到污秽的绝缘子null风雪中的变电站null南方电网线路冰冻后图片null绝缘子表面受潮null污闪过程null污闪过程null2、污闪的危害 ①会造成大面积、长时间的停电，现被列为电力系统头号安全大敌。 ②污秽绝缘水平已成为选择超高压、特高压系统外绝缘水平的决定性因素。 null典型案例最早污闪事故：英国伦敦（雾都，工业革命） 1974年沈阳、抚顺地区大面积污闪，工业损失3000多万元 1990年2月华北电网大面积污闪，500kV全部污闪，损失电量1200万度，损失6000多万元 1999年3月华北、山东及其他地区电网大面积污闪事故 null 3、绝缘子污秽程度的表征——等值盐密（ESDD）它指的是绝缘子每平方厘米表面沉积的等效 NaCl毫克数（mg/cm2）。 null4、污闪的防止措施（★） ⑴规划设计时，应采用适当的爬电比距。爬电比距（λ）——绝缘子的相对地之间的爬电距离与系统最高工作线电压的比值（cm/kV）。 ⑵定期清扫或采用带电水冲洗。 null⑶增加绝缘子片数或采用防污型绝缘子（即增大爬距） ⑷在绝缘子表面涂憎水性涂料，如RTV涂料 (5)硅橡胶增爬裙 (6)选用新型的合成绝缘子 null填充层粘接剂金具其他附件玻璃钢芯引拔棒硅橡胶伞裙和护套基本结构nullnull500kV线路用合成绝缘子替换瓷绝缘子null课堂思考题：下列哪几种情况容易出现污闪放电？（A）烈日晴空（B）倾盘大雨（C）大雾弥漫（D）毛毛细雨（E）小雪纷飞答案：CDEnull小结沿面放电电压总是小于同样极间距的气隙击穿电压。在交流电压作用下，高压套管的沿面放电往往是由“滑闪放电”引起的，而支柱绝缘子不会出现滑闪放电，这是由于两者的电场分布特点不同所造成的。由于绝缘子串对地及对导线存在杂散电容，使得工频电压作用下沿绝缘子串的电压分布很不均匀，一般呈“U”型分布曲线。靠近导线端的绝缘子承担的电压最高。绝缘子闪络电压分干闪、湿闪与污闪电压。一般地，干闪电压大于湿闪电压（故户外绝缘子表面都设计成“伞裙”状），湿闪电压大于污闪电压。null污闪的危害极大。一旦发生污闪，往往会造成大面积、长时间的停电事故。污闪是在绝缘子受到污秽，并处在一些不利气候条件（如雾、毛毛雨、露、融雪等）下发生的。污闪的产生过程非常复杂，目前对它的认识还比较粗糙。污闪不仅与积污量有关，而且与污秽物性质及气候条件有关。防污闪措施主要是从绝缘子的防污、防潮或增大爬距等途径来实现的。近年来，RTV憎水涂料及防污型有机合成绝缘子得以广泛的应用。null 一、SF6气体的理化特性无色、无味、无臭、无毒，不燃、液化温度较低具有很强的电负性、化学稳定性很高，但应注意水分与密封管理。1-8 SF6气体的绝缘特性null二、SF6气体的绝缘特性 ⒈ 极不均匀电场中SF6气体的击穿（尽可能避免） ⒉ 均匀或稍不均匀电场中SF6气体的击穿（尽可能采用） ⒊ SF6气体中的沿面放电（略） null小结 SF6气体以其具有强烈的吸附效应而成为高电气强度气体，所以在电力系统中得以广泛的应用。不过， SF6气体的优良绝缘性能只有在均匀电场中才能得以充分发挥。 SF6气体气隙的极性效应与空气相反。充SF6气体的电气设备对水分及杂质的控制要求非常严格。

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