课件：气体放电理论及紫外检测技术应用.ppt

气体放电理论及紫外检测技术应用,主要内容 第一部分 气体放电理论基础知识 第二部分 紫外检测技术及其应用 1.紫外6D二号机位-干燥加压试验-002_2015_05_22_04_31_53.avi,第一部分 气体放电理论基础知识 1.1 气体中带电质点的产生和消失 1.2气体放电过程的一般描述 1.3 均匀电场气隙的击穿 1.4 不均匀电场气隙的击穿 1.5 气隙的击穿特性 1.6 固体介质的沿面放电 1.7 固体介质的局部放电 1.8 液体介质的放电,1.1 气体中带电质点的产生和消失,一、 气体绝缘特征 纯净气体不导电， 带电质点导电。 二、气体带电质点来源 1）光游离：紫外线、X射线等短波射线的光子能量很大，射到中性原子或分子产生光游离。光游离产生的自由电子称为光电子，带电质点复合放出光子。,1. 1气体中带电质点的产生和消失,2）撞击游离：在外加电场作用下，带电质点（电子）被加速，具有一定的能量，与原子或分子碰撞时产生撞击游离。 3）热游离：气体温度升高时，产生光游离或产生撞击游离。 4）表面游离：气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。,1.1 气体中带电质点的产生和消失,三、气体中带电质点的消失 带电质点流入电极； 带电质点的扩散； 带电质点的复合。 异号质点的浓度愈大，复合就愈强烈。强烈的游离区通常也总是强烈的复合区，这个区的光亮度也就较高。,1.2 气体放电过程的一般描述,1.2 气体放电过程的一般描述,外界游离因素消失，电子崩随之消失，这种放电称为非自持放电。 当场强达到Ecr值时，电子崩仅由电场的作用自行维持和发展，这种性质的放电称为自持放电。 由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强Ecr。 在均匀电场中，气隙的击穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。,1.2 气体放电过程的一般描述,在很不均匀电场中，如尖端电极，在电压较低时，尖端处的场强已可能超过临界值，出现自持电晕放电。离尖端稍远处，场强大为减小。 当电压再提高时，如电极间距不大，则可能从电晕放电直接转变成整个间隙的火花击穿。 如电极间距离大时，则从电晕转到刷形放电阶段。 当电压再增高时，刷形放电增长到达对面的电极，就转变为火花击穿。 当电源功率足够大时，火花击穿迅速即转变成电弧。,大小,1.3均匀电场气隙的击穿,一、电场 均匀电场与非均匀电场。,1.3均匀电场气隙的击穿,1.3 均匀电场的气隙击穿,1.3均匀电场气隙的击穿,二、汤森德机理 在均匀电场中，当S0.26cm时，气隙的击穿电压大体上是S 的函数，即击穿电压： Ub=f（S）。,1.3均匀电场气隙的击穿,关于最小值的解释： S不变，增大，电子自由行程缩短，电子积聚动能减小，Ub增大。反之，过小时，气体很稀薄，电子与气体分子相撞的几率减小，Ub也增大。 不变，S值增大，E=U/S，电压必须增大。S过小时，场强虽大增，电子的撞击次数减小，Ub也增大。,三、流注机理 当S 0.26cm，空间电荷量达到很大，使电场强烈畸变，形成局部强场。 大量空间电荷的复合，产生光子，造成空间光游离，在局部强场中，发展成为衍生电子崩。 衍生电子崩与主电子崩汇合发展，形成流注。,1.3均匀电场气隙的击穿,1）主电子崩阶段：电子迁移速度快，集中在崩头，正离子随后至崩尾，形成锥形电子崩。,1.3均匀电场气隙的击穿,1.崩头电荷密度大，电离强烈，强场畸变引起大量光子发射。 2.崩头前后，强场效应引发分子和离子激励现象（高能至常态），发射光子。 3.正负电荷区域间的弱电场区，有助于发生复合现象，也引发光子放射。,1.3均匀电场气隙的击穿,2）二次电子崩阶段： 当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电场，引发大量光子，光子引起光电离，形成二次电子崩。,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,1.3均匀电场气隙的击穿,3）流注阶段： 二次电子崩中的电子进入主电子崩头部空间，大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注。 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,1.3均匀电场气隙的击穿,流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道。 流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的击穿完成。,1.3均匀电场气隙的击穿,负流注的形成：当外施电压高于击穿电压时，则电子崩发展无需到达阴极，其头部电离（引发二次电子崩）就可直接形成流注。,1.3均匀电场气隙的击穿,1.4不均匀电场的气体击穿,1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 刷状放电电压 4 过渡区域 d0 2D；d0 4D,一、电晕放电 在极不均匀电场中，电极曲率半径较小处附近空间的局部场强已很大，并产生强烈的游离，但由于离电极稍远处场强已大为减小，此游离区只能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射，使在黑暗中可以看到，在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这就是电晕。,1.4不均匀电场的气体击穿,负尖正板 低压时，电流极小，波形不规则。 电压升高，出现规律的重复脉冲放电电流(b)。 电压再高，电流脉冲幅值不变，频率增大(c)。 电压再高，高频脉冲消失，转持续电晕，电流增大。 电压再高，出现刷状放电，不规则的强脉冲电流，直至击穿。 正尖负板 重复放电脉冲，但不整齐。 电压升高，电流增加，脉冲特性不明显，转持续电流。 电压再高，出现幅值极大的不规则的刷状放电电流脉冲现象。,1.4不均匀电场的气体击穿,影响电晕的因素及电晕的危害：电晕损耗、噪声污染。 防止和减轻电晕的方法：降低导线的表面电场强度。空心导线、分裂导线。 电晕的积极意义：抑制雷电、操作过电压的幅值。,1.4不均匀电场的气体击穿,二、极不均匀电场的放电过程（短间隙） 1）非自持放电阶段： （正棒负板） 电子向正棒极运动，电离开始。电子崩到达棒极，电子进入棒极，正离子在棒极附近积累，减弱了棒极附近的电场，而加强了外部空间的电场。,Eex外电场 Esp空间电荷的电场,1.4不均匀电场的气体击穿,负棒正板 阴极电子进入强场区，形成电子崩，部分消失于阳极，部分形成负离子。 正离子向负棒极缓慢运动，棒极附近积累正空间电荷，使棒极附近的电场加强，容易满足自持放电条件，转入流注与电晕。,Eex外电场 Esp空间电荷的电场,1.4不均匀电场的气体击穿,2）流注发展阶段： （ 正棒负板） 空间正离子的分布，减弱了后方等离子体中电场，而加强了其头部电场，产生新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷区内，头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线3），促进流注通道进一步向阴极扩展。,1.4不均匀电场的气体击穿,负棒正板 多次电子崩产生的电子汇入正电荷区，使前方电场削弱，某种程度上阻碍了放电发展。 外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电。 外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿。,1.4不均匀电场的气体击穿,三、极不均匀电场中的放电过程（长间隙） 较长间隙放电过程：电晕放电、先导放电、主放电。,1.4不均匀电场的气体击穿,(a) 先导和其头部的流注km；(b) 流注头部电子崩的形成；(c) km由流注转变为先导和形成流注mn；(d) 流注头部电子崩的形成；(e) 沿着先导和空气间隙电场强度的分布 。,1主放电通道； 2主放电和先导通道的交界区； 3先导通道,主放电发展和通道中轴向电场强度分布图,1.4不均匀电场的气体击穿,一、气隙的击穿时间 气隙的最低静态击穿电压：长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低（U0）。 欲使间隙击穿，外加电压必须不小于这静态击穿电压。,1.5 气隙分击穿特性,二、气隙的伏秒特性 不论是在直流电压、交流电压、雷电冲击或操作冲击电压的作用下，气隙的击穿电压都有一定的分散性。 气隙击穿的几率分布接近正态分布。例如=0.7的曲线表示有70的击穿次数。,1.5 气隙分击穿特性,三、提高气隙击穿电压的方法 改进电极形状以改善电场分布； 覆盖固体绝缘层； 利用空间电荷以改善电场分布； 增高气压； 高真空的采用； 高电强度气体的采用。,1.5 气隙分击穿特性,1.6 固体介质沿面放电,均匀电场中，固体介质的引入并不影响电极间的电场分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。 闪络电压低于纯气隙击穿电压的原因： 固体介质表面不光滑，导致介质场强不均匀，其中凸起处场强高，易发生放电。 介质吸收水分形成水膜，导致沿面电压不均匀，因而使闪络电压低于纯气隙击穿电压。 介质与介质间易有小气隙，气隙中的场强高，气隙放电致界面电场畸变。,1.6 固体介质沿面放电,1.6 固体介质沿面放电,1.6 固体介质沿面放电,1.6 固体介质沿面放电,污闪的发展过程：（1）污层刚受潮时，介质表面有明显的泄漏电流流过，电压分布是较均匀；（2）污层不均，电阻不均，高电阻的发热多，形成的“干燥带” ，使泄漏电流减小，并在干燥带形成很大的电压降； （3）当干燥带的电位梯度超过沿面闪络场强时，干燥带发生放电，出现局部电弧的阶段。,3紫外6D二号机位-.污秽加压试验002_2015_05_22_05_15_02.avi,1.7 固体介质局部放电,以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电的机理 Cg：气泡的电容； Cb：和Cg相串联部分的介质电容； Cm：其余大部分绝缘的电容,介质内部气隙放电的三电容模型 (a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路,气泡,介质,当u上升到Us瞬时值时，ug到达Cg的放电电压Ub，Cg气隙放电。于是Cg上的电压一下子从Ub下降到Ur（残余电压）。 放电后，气泡中的电荷重新分布，产生反向电场，使得气泡中总的电场强度小于原先的电场强度，放电停止。,1.7 固体介质局部放电,：气泡总电场,：外加电场,：气泡击穿电场,1.7 固体介质局部放电,1.7 固体介质局部放电,液体中的杂质和水分在电场力的作用下，沿电场方向排列成“小桥”，水分及纤维杂质的电导大，泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化，形成气泡。 串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡承担比液体更高的场强（气泡r=1，液体r 1），且气体耐电强度低，气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生。,1.8 液体介质击穿放电,变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,1.8 液体介质击穿放电,第二部分 紫外检测技术及其应用 2.1 紫外检测技术基本原理 2.2 电气设备紫外检测对象及周期 2.3电气设备紫外检测内容及方法 2.4电气设备紫外检测诊断方法 2.5紫外检测典型案例分析 2.6紫外成像仪的操作培训 2.7紫外检测报告的制作,2.1 紫外线基础知识,一、紫外线 紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，是位于日光高能区的不可见光线。,日常生活中可发出紫外线的物体或现象：太阳、火焰、电焊、闪电、放电。 这些现象有什么共同点？,都有一个其他能量激烈地转换成光能的过程。,2.1 紫外线基础知识,二、局部放电及紫外检测机理 在导体曲率半径小的地方，特别是尖端，其电荷密度大，电场强度也大，形成电晕放电。 当绝缘体表面污秽或内部存在洞隙、裂痕缺陷时，受导致局部场强的改变，形成局部放电。,2.1 紫外线基础知识,在发生电晕或局部放电的过程中，气体被击穿而电离，空气中的主要成分是氮气（N2），电离的氮原子在复合时发射的光谱（波长=280400nm），主要落在紫外光波段。 气体放射光波的频率与气体的种类有关。,2.1 紫外线基础知识,三、 紫外成像仪的基本原理,2.1 紫外线基础知识,日冕和太阳的能量的光谱辐射,太阳发出各种波长的紫外线,臭氧层,太阳光透过大气层时波长短于 290nm 的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。240-280纳米这个波段被称为太阳盲区（Solar Blind）,2.1 紫外线基础知识,背景环境及设备放电产生的紫外线及可见光,光学上分成两路,TV Camera,UV Detector,视 频 叠 加,最后得到紫外图像,UV滤片,2.1 紫外线基础知识,四、 紫外成像仪发展历程 第一代紫外成像仪结构比较简单，仪器内部有宽带通滤波器，成像后与可见光叠加。由于工作波段没有避开太阳盲区波段（Solar Blind），所以仪器不能在阳光下进行操作，主要用于在夜间、阴天或者室内检测高压设备的电气放电。这代产品以南非CoroCAM I和俄罗斯的菲林-6为典型代表。,CoroCAM I,紫外图像,2.1 紫外线基础知识,第二代紫外成像仪采用了窄带通紫外滤波技术，通过紫外滤波，使仪器只工作在240-280nm 的太阳盲区波段。由于该波段避开了阳光的干扰，仪器可以直接在强太阳光下正常操作，实现了白天户外检测，更加适合于现场应用。这一代产品主要是南非CoroCAM IV+和以色列的Daycor 2，它具有初步的紫外图像数字处理功能。,CoroCAM IV+,紫外图像,2.1 紫外线基础知识,第三代紫外成像仪CoroCAM 504，它在第二代的基础上进行了较大改进，主要有：（1）增加了数字积分滤波器，操作者通过调节积分参数，可有效避开来自地面的紫外线干扰；（2）同时保留了太阳盲区工作波段和全紫外工作波段，可在两种波段范围之间进行切换。,CoroCAM 504,紫外图像,2.1 紫外线基础知识,第四代紫外成像仪CoroCAM 6D，特点:（1）体积小，操作简便；（2）可存储AVI视频和JPEQ图像（无需外接存储设备）。,CoroCAM 6D,紫外图像,2.1 紫外线基础知识,一 、电气设备紫外检测的对象 1）导电体表面电晕放电，有下列情况： 由于设计、制造、安装或检修等原因，形成的锐角或尖端； 运行中导线断股（或散股）； 均压、屏蔽措施不当； 导电体截面偏小； 悬浮金属物体产生的放电； 导电体对地或导电体间间隙偏小； 设备接地不良。,2.2 紫外检测对象,导线断股放电 导线放电.mpg,均压环局部放电,2.2 紫外检测对象,2）绝缘体表面电晕放电，有下列情况： 绝缘子表面破损或裂纹； 在潮湿情况下，绝缘子表面污秽； 绝缘子表面不均匀覆冰； 绝缘子表面金属异物短接。,2.2 紫外检测对象,玻璃绝缘子表面放电 玻璃绝缘子.mpg,瓷质绝缘子表面放电 阻波器悬式绝缘子.avi,复合绝缘子表面电晕,2.2 紫外检测对象,表面局部放电发光,侵蚀和碳化道,2.2 紫外检测对象,一、电气设备紫外检测周期建议 运行电气设备的紫外检测周期应根据电气设备的重要性，电压等级及环境条件等因素确定： 220kV及以上变电设备检测每年不少于1次。 220kV及以上输电线路，宜13年1次。 重要的新建、改扩建和大修的设备，宜在投运后1月内进行检测。 特殊情况下，如电气设备出现电晕放电声异常时、冰雪天气（特别是冻雨）、在污秽严重且大气湿度大于90，宜及时检测。,2.3 紫外检测周期及方法,二、紫外成像检测方法 电晕放电强度。紫外成像仪检测的单位时间内光子数与电气设备电晕放电量具有一致的变化趋势和统计规律。 电晕放电形态和频度。电气设备电晕放电从连续稳定形态向刷状放电过渡，刷状放电呈间歇性爆发形态。 电晕放电长度范围。紫外成像仪在最大增益下观测到短接绝缘子干弧距离的电晕放电长度。,2.3 紫外检测周期及方法,一、诊断方法 主要根据电气设备电晕状态、发生部位和严重程度进行综合判断和缺陷定级。常见放电缺陷紫外图谱如下： （1）外绝缘表面污秽引起的放电 此类缺陷较为常见，通常因为绝缘表面积污比较严重，遇到大雾、小雨或积雪等潮湿天气条件，容易形成表面放电。 若表面爬电超过绝缘长度1/3，通常需要停电处理。,2.4 紫外检测诊断方法,支柱绝缘子表面放电 阻波器支柱绝缘子.mp4,2.4 紫外检测诊断方法,220kV隔离刀闸中间发兰部位放电及清扫后紫外检测图谱,2.4 紫外检测诊断方法,500kV绝缘子第2、3、4片形成贯通放电（母线悬式绝缘子.mp4）,2.4 紫外检测诊断方法,（2）外瓷绝缘局部缺陷引起的表面放电 此类缺陷通常由于瓷绝缘存在裂纹、破损或断裂等情况，导致局部电场强度发生变化，产生局部放电。 缺陷部位通常发生在瓷套与法兰结合处，此处应力比较集中。 这类放电就需要非常关注，有条件的情况下尽快进行处理或更换。,2.4 紫外检测诊断方法,瓷套底部放电,2.4 紫外检测诊断方法,SF断路器可见光、红外和紫外检测,2.4 紫外检测诊断方法,（3）复合绝缘局部缺陷引起的表面放电 这类绝缘子出现电晕的情况比较少见，并且放电强度比较弱，不容易检测到。 常见的原因是复合绝缘出线破损，或内部导电回路存在缺陷，内部放电部位击穿外复合绝缘。 此类缺陷易导致设备内部受潮或形成贯穿性设备故障，应及时停电处理。,2.4 紫外检测诊断方法,管母外护套局部放电,2.4 紫外检测诊断方法,35kV电缆叉口绝缘劣化缺陷,2.4 紫外检测诊断方法,复合绝缘子芯棒护套开裂及在工频运行电压下电晕放电（合成绝缘子击穿2.MPG）,2.4 紫外检测诊断方法,（4）均压、屏蔽措施不当导致的局部放电。 均压环异常放电对日常设备的运行不会造成太大的影响。 通常是均压环由于结构、安装工艺、表面缺陷等原因。 可结合停电进行处理或更换。,2.4 紫外检测诊断方法,500kV母线接地刀闸均压环对外瓷放电 隔离刀闸支柱绝缘子.mp4,2.4 紫外检测诊断方法,支柱绝缘子端部均压环偏小,2.4 紫外检测诊断方法,输电线路均压环表面电晕,2.4 紫外检测诊断方法,隔离刀闸端部均压环电晕放电,2.4 紫外检测诊断方法,复合绝缘子未装均压环端部放电,2.4 紫外检测诊断方法,（5）变电设备导电部局部放电 存在尖端、毛刺、松动等原因导致的局部放电。 此类缺陷通常不影响设备运行，可结合停电进行处理，采取均压措施或对表面进行处理。,2.4 紫外检测诊断方法,管母端部电晕放电,2.4 紫外检测诊断方法,支柱绝缘子金具尖端放电 避雷器.mp4,2.4 紫外检测诊断方法,35kV母线支柱绝缘子端部放电,2.4 紫外检测诊断方法,（6）输电设备导线、金具等局部放电 导线的放电会有四种原因，污染、毛刺、断股或散股。 在日常检测中如果检测到导线的放电就需要首先判断是否是由于污染，这个可以通过高倍望远镜进行外表面观察或者在雨后进行复测，这样就基本可以排除污染导致的放电。,2.4 紫外检测诊断方法,导线线夹电晕放电,2.4 紫外检测诊断方法,导线断股电晕放电,2.4 紫外检测诊断方法,导线表面尖端放电,2.4 紫外检测诊断方法,2.4 紫外检测诊断方法,线路避雷器局部放电,二、 缺陷类型分类 一般缺陷：指设备存在的电晕放电异常，对设备产生老化影响，但还不会引起事故，一般要求记录在案，注意观察其缺陷的发展。 严重缺陷：指设备存在的电晕放电异常突出，或导致设备加速老化，但还不会马上引起事故。应缩短检测周期并利用停电检修机会，有计划安排检修，消除缺陷。 危急缺陷 ：指设备存在的电晕放电严重，可能导致设备迅速老化或影响设备正常运行，在短期内可能造成设备事故，应尽快安排停电处理。,2.4 紫外检测诊断方法,紫外线检测诊断标准（推荐）,2.4 紫外检测诊断方法,一.紫外成像检测发现35kV避雷器线夹接触不良缺陷,1.发现经过 紫外成像检测发现，某变电站2号主变35kV侧避雷器B相与母线桥连接线夹处有放电信号，如图所示：,2.5 案例分析,2.检测分析 现场用望远镜观察发现，2号主变35kV侧避雷器A、B、C三相线夹固定至母线绝缘层外，接触不可靠，因此在线夹上产生悬浮电位放电。 3.处理情况 停电后，将避雷器线夹处母线绝缘层割开接口并重新连接紧固线夹，恢复正常，局放信号消失，见图：,2.5 案例分析,二.紫外检测发现500kV出线场阻波器支柱绝缘子上端有电晕放电,1.发现经过 2012年4月，对500kV出线场设备5405/5406线出线场避雷器、CVT、出线套管、阻波器和支柱绝缘子进行了紫外电晕放电检测。在检测过程中发现5405/5406出线场阻波器、支柱绝缘子上端有电晕放电，其中5405线路阻波器A相光子数6184/min，5406线路阻波器B相光子数5626/m