高电压技术2.ppt

NorthChinaElectricPowerUniversity 高电压技术 谢红玲 高压教研室 第二章气体放电的物理过程 第一节气体中带电质点的产生和消失第二节气体放电机理第三节电晕放电第四节不均匀电场气隙的击穿第五节雷电放电第六节气隙的沿面放电 2 1气体中带电质点的产生和消失 一 带电质点在气体中的运动 1 自由行程长度当气体中存在电场时 其中的带电粒子将具有复杂的运动轨迹 它们一方面与中性的气体粒子 原子或分子 一样 进行着混乱热运动 另一方面又将沿着电场作定向漂移 各种粒子在空气中运动时都会不断碰撞 单位行程中的碰撞次数Z的倒数 即为该粒子的平均自由行程长度 实际的自由行程长度是随机量 并有很大的分散性 粒子的平均自由形成长度等于或大于某一距离x的概率为 所以电子的平均自由行程长度 式中r 气体分子的半径 N 气体分子的密度 由于代入上式即得 2 带电粒子的迁移率 带电离子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞 但在电场力的驱动下 仍将沿着电场方向漂移 其速度u与场强E其比例系数k u E 称为迁移率 它表示该带电粒子单位场强 1V m 下沿电场方向的漂移速度 由于电子的平均自由行程长度比离子大得多 而电子的质量比离子小得多 更易加速 所以电子的迁移率远大于离子 3 扩散 气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关 在热运动的过程中 粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域 从而使每种粒子的浓度分布均匀化 这种物理过程叫扩散 气压越低或温度越高 则扩散进行的越快 电子的热运动速度大 自由行程长度大 所以其扩散速度也要比离子快得多 二 带电质点的产生 气体中带电质点的来源有二 一是气体分子本身发生电离 包括撞击电离 光电离 热电离等多种形式 另一是气体中的固体或液体金属发生表面电离 1 电离是气体放电的首要前提电离 产生带电离子的物理过程称为电离 激励 在常态下 电子受外界因素影响由低能量级轨道上跃迁到高能量级轨道的现象称为激励 产生激励所需的能量 激励能 等于该轨道和常态轨道的能级差 2 电离的几种形式 1 光电离频率为 的光子能量为W h 式中h 普郎克常数 发生空间光电离的条件为或者式中 光的波长 m c 光速Wi 气体的电离能 eV 2 撞击电离 主要是电子碰撞电离 原因 1 电子小 自由程长 可以加速到很大的速度 2 电子的质量小 可以加速到很大 产生条件 所以提高场强可以使碰撞电离加剧 3 热电离在常温下 气体分子发生热电离的概率极小 是气体在热状态下光电离和撞击电离的综合 4 表面电离电子从金属表面逸出需要一定的能量 称为逸出功 主要发生在阴极 原因 阳极自由电子不会向气体中释放 主要有4种形式 1 热电子发射 金属中的电子在高温下也能获得足够的动能而从金属表面逸出 称为热电子发射 在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射 2 强场发射 冷发射 当阴极表面附近空间存在很强的电场时 106V cm数量级 也能时阴极发射电子 常态下作用气隙击穿完全不受影响 在高气压 压缩的高强度气体的击穿过程中会起一定的作用 真空中更起着决定性作用 3 正离子撞击阴极表面 通常正离子动能不大 可忽略 只有在它的势能等于或大于阴极材料逸出功两倍时 才能引起阴极表面电离 这个条件可满足 4 光电子发射 高能辐射先照射阴极时 会引起光电子发射 其条件是光子的能量应大于金属的逸出功 当电子与气体分子碰撞时 可能会发生电子与中性分子相结合而形成负离子的情况 这种过程称为附着 易于产生负离子的气体称为电负性气体 这个过程有时需要放出能量 有时需吸收能量 负离子的形成不会改变带电质点的数量 但却使自由电子数减少 因此对气体放电的发展起抑制作用 或有助于提高气体的耐电强度 如SF6气体对电子有很强的亲和性 因此具有高电气强度 5 负离子的形成 三 带电质点的消失 气体中带电粒子的消失有可有下述几种情况 1 带电粒子在电场的驱动下作定向运动 在到达电极时 消失于电极上而形成外电路中的电流 2 带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间 3 带电粒子的复合 气体中带异号电荷的粒子相遇时 可能发生电荷的传递与中和 这种现象称为复合 是与电离相反的一种过程 2 2气体放电机理 自持放电与非自持放电放电发展过程与电场的关系电子崩汤森德放电理论帕邢定律流注放电理论 一 自持放电 非自持放电 当场强小于某个临界值时候 电子崩有赖于外界电离因素的原始电离才能持续和发展 如果外界电离因素消失 则这种电子崩也随之逐渐衰减以至消失 称这种放电为非自持放电 当场强大于某个临界值时 电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展 不再依赖外界电离的因素 这种性质的放电称为自持放电 二 在很不均匀的电场中 以棒电极为例 1 在电压比较低时 棒极附近场强可能已超过临界值 即发生自持放电 离棒端稍远处有电晕出现 2 电压再升高时 若电极间距不大 则有可能从电晕放电直接转为整个间隙的火花击穿 若电极间隙较大 则从电晕到击穿之间还有刷状放电的过渡阶段 3 电压再提高 刷状放电中的个别光束突发的前伸 形成明亮的火花通道到达对面电极 气隙被就击穿了 当电源功率足够时 火花击穿迅速的转变成电弧 一 在大体均匀的电场中 各处场强的差异不大 任意一处一旦形成自持放电 就会很快发展到整个间隙 气隙即被直接击穿 二 放电发展过程与电场的关系 三 电场不均匀系数 式中 Emax最大电场强度 Eav平均电场强度 式中 U 电极间的电压 d 极间距离 f4以上时明显地属于极不均匀电场 可分为棒 棒间隙和棒 板间隙 例如架空线的导线 导线 导线 大地 均匀电场f 1不均匀电场f 1 三 电子崩 外界电离因子在阴极附近产生一个初始电子如果空间的电场强度足够大 该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离 产生出一个新电子 初始电子和新电子 继续向阳极运动 又会引起新的碰撞电离 产生出更多的电子 依次类推 电子数将按几何级数不断增多 象雪崩似的发展 这种急剧增大的空间电流被称为电子崩 第二节电子崩 1 适用条件低气压 短间隙的电场中 2 理论要点电子碰撞电离和正离子撞击阴极产生的金属表面电离是使带电质点激增 并导致击穿的主要因素 击穿电压大体上是的函数 四 汤森德气体放电理论 1 系数 表示一个电子由阴极到阳极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数 平均值 2 系数 表示一个正离子由阳极到阴极每1cm路程中与气体质点相碰撞所产生的自由电子数 平均值 3 系数 表示一个正离子撞击到阴极表面时使阴极逸出的自由电子数 平均值 系数和与气体的性质 密度及该处的电场强度等因素有关 3 引用三个系数来定量地反映所考虑的三种因素的作用 4 电子碰撞电离系数 根据碰撞电离系数 的定义 可得 分离变数并积分 可得 均匀电场 不随x变化 抵达阳极的电子数 5 自持放电条件与表面电离系数 如果电压 电场强度 足够大 初始电子崩中的正离子能在阴极上产生出来的新电子数等于或大于n0 那么即使除去外界电离因子的作用放电也不会停止 即放电仅仅依靠已经产生出来的电子和正离子 它们的数目取决于电场强度 就能维持下去 这就变成了自持放电 在整个路程撞击出的正离子数为 令 表示一个正离子撞击到阴极表面时产生出来的二次电子数 则从金属表面电离出的电子数为 若该电子数大于等于起始电子数n0 那么放电可以自持 即自持放电条件为 式 1 14 包含的物理意义为 一个电子从阴极到阳极途中因电子崩而造成的正电子数为ead 1 这批在阴极上造成的二次自由电子数应为 ead 1 如果它等于1 就意味着那个初试电子有了一个后继电子 从而使放电得以自持 物理 物理意义 在不均匀电场中 各点的电场强度E不同 所以各处的 值也不同 在这种条件下 上面的自持条件应改写成 实验表明正离子在返回阴极途中造成的碰撞电离作用极小 可以忽略不计 上述过程可以用图2 1中的图解加以概括 当自持放电条件得到满足时 就会形成图解闭环部分循环不息的状态 放电就能自己维持下去 而不再依赖外界电离因子的作用了 第三节自持放电放电条件 放电过程 五 帕邢定律 帕邢定律 在均匀的电场中 击穿电压与气体的相对密度 极间距离S的积有函数关系 只要的乘积不变 也就不变 物理解释 假设S保持不变 当气体密度增大时 电子的平均自由行程缩短了 相邻两次碰撞之间 电子积聚到足够动能的几率减小了 故必然增大 反之 当减到过小时 电子在碰撞前积聚到足够动能的几率虽然增大了 但气体很稀薄 电子在走完全程中与气体分子相撞的总次数却减到很小 所以也会增大 在这两者之间 总有一个值对造成撞击游离最有利 此时最小 同样 可假设保持不变 S值增大时 欲得一定的场强 电压必须增大 当S值减到过小时 场强虽大增 但电于在走完全程中所遇到的撞击次数已减到很小 故要求外加电压增大 才能击穿 这两者之间 也总有一个S的值对造成撞击游离最有利 此时最小 汤森德放电机理的不足 1 只是在一定的范围内有效 2 不均匀的电场中 该理论不适用 其主要原因如下 汤森德理论没有考虑电离出来的空间电荷会使电场畸变 从而对放电过程产生影响 汤森德理论没有考虑光子在放电过程中的作用 空间光电离和阴极表面光电离 六 流注理论 高电压技术面对的往往是高气压长气隙的情况 汤逊理论并不适用 应当用流注理论解释 适用条件为 流注理论也是以实验为基础的 影响因素主要有以下几方面 一 空间电荷对原有电场的影响 电子崩的头部集中着大部分的正离子和几乎全部电子 原有均匀场强在电子崩前方和尾部处都增强了 在这两个强场区中间出现了一个电场强度很小但电子和正离子浓度却最大的区域 使此处产生强烈的复合并发射出许多光子 成为引发新的空间光电离的辐射源 第三节 上面所说的辐射源向气隙空间各处发射光子而引起光电离 如果光子位于强场区 二次电子崩将以更大得多的电离强度向阳极发展 或汇入崩尾 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区 二次电子崩 以及它们不断汇入初崩通道的过程被称为流注 二 空间光电离的作用 第三节 自持放电条件 二 空间光电离的作用流柱理论 流注的特点 电离强度很大 传播速度很快 超过初崩发展速度10倍以上 出现流注后放电便获得独立继续发展的能力 而不再依赖外界电离因子的作用 可见出现流注的条件也就是自持放电条件 初崩头部空间电荷数必须达到某一临界值 对于均匀电场自持放电条件应为 2 3电晕放电 一 基本物理过程 在极不均匀电场中 最大场强与平均场强相差很大 以至当外加电压及其平均场强还较低的时候 电极曲率半径较小处附近的局部场强已很大 在这局部强场区中 产生强烈的游离 但由于离电极稍远处场强已大为减小 所以 此游离区不可能扩展到很大 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 外观特征 电极附近空间发出蓝色的晕光 电晕 2 外加电压增大 电晕区也随之扩大 放电电流也增大 由微安级到毫安级 但气隙总的来看 还保持着绝缘状态 还没有被击穿 3 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式 它可以是极不均匀电场气隙击穿的第一个阶段 也可以是长期存在的稳定的放电形式 它与其他的形式的放电有着本质的区别 二 电晕放电效应1 伴随着游离 复合 激励 反激励等过程而有声 光 热等效应 表现是发出 丝丝 的声音 蓝色的晕光以及使周围气体温度升高等 2 在尖端或电极的某些突出处 电子和离子在局部强场的驱动下高速运动 与气体分子交换动量 形成 电风 当电极固定得刚性不够时 气体对 电风 的反作用力会使电晕极振动或转动 3 电晕会产生高频脉冲电流 其中还包含着许多高次谐波 这会造成对无线电的干扰 4 电晕产生的化学反应产物具有强烈的氧化和腐蚀作用 所以 电晕是促使有机绝缘老化的重要因素 5 电晕还可能产生超过环保标准的噪声 对人们会造成生理 心理的影响 6 电晕放电 会有能量损耗 三 消除电晕措施最根本的途径就是设法限制和降低导线的表面电场强度 1 采用分裂导线 使等值曲率半径增大 2 改进电极的形状 增大电极的曲率半径 使表面光滑 四 电晕效应有利的方面1 电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡度 2 利用电晕放电来改善电场分布 3 利用电晕原理制造除尘器 静电涂喷装置 臭氧发生器等 2 4不均匀电场气隙的击穿 极不均匀电场中的放电存在明显的极性效应 在两个电极几何形状不同的场合极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号 几何形状相同则取决于不接地的那个电极上的电位 下面以最不均匀的 棒 板 气隙为例 从流注理论的概念出发 说明放电发展过程的极性效应 一 短气隙的击穿 一 正极性棒极带正电位时 棒极附近强场区域的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子 这些空间电荷削弱的棒极附近的电场强度 加强了正离子群外部空间的电场 因此随着电压提高电晕的扩展 强场区也将逐渐向板极方向推进 因而放电的发展是顺利的直至气隙被击穿 二 负极性棒极带负电位时 电子崩将由棒极表面出发向外发展 留在棒极附近的也是大批正离子它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间电场 电晕区不易向外扩展 整个气隙的击穿是不顺利的 气隙的击穿电压要比正极性时高很多 完成击穿所需时间也比正极性时间长得多 结论 1 2 二 长气隙的击穿气隙较长时 流注往往不能一次贯穿整个气隙 而出现逐级推进的先导放电现象 长间隙的放电过程 电晕放电 先导放电 主放电 整个气隙被击穿 电离形式 热电离 雷电放电是自然界的超长间隙放电 其先导过程和主放电过程发展的最充分 2 6气隙的沿面放电 一 概述 一切导体都要靠固体绝缘装置 各类绝缘子 固定 这些固体绝缘装置还起着电气绝缘的作用 它们丧失绝缘功能有两种可能 一是固体介质本身的击穿 二是沿着固体介质表面发生闪络 电力系统的外绝缘一般都是自恢复绝缘 绝缘子闪络或空气间隙击穿后 它们的绝缘性能很快自动恢复 实验表明 沿固体表面的闪络电压不但比固体介质本身的击穿电压低得多 而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少 可见一个固体绝缘装置的实际耐压能力取决于沿面闪络电压 在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时 沿面闪络电压起着决定性作用 在表面潮湿污染的情况下 沿面闪络电压会更低 1 固体介质处于均匀电场中 且界面与电力线平行 这种情况在工程中比较少见 但实际结构中会遇到固体处于稍不均匀电场中 且界面与电力线大致平行的情况 此时的沿面放电特性与均匀电场的情况有些相似 固体介质与气体介质交界面上的电场分布状况对沿面放电特性有很大影响 界面电场分布可分为典型三种情况 二 沿面放电的类型与特点 下面就三种情况分别介绍其放电特性 情况一中 虽界面与电力线平行 但沿面闪络电压仍要比空气间隙的击穿电压低很多 说明电场发生了畸变 主要原因如下 一 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电 在电压还不高时 如右a图法兰附近先出现电晕放电 随着电压升高放电区变成许多平行的火花细线组成的光带 b图 当电压超过某一临界值后个别细线突然迅速增长 转为分叉的树枝状明亮火花通道 如c图 这种树枝火花在不同的位置上交替出现 成为滑闪放电 电压再升高一些火花就到达另一电极 完成表面气体的完全击穿 称为沿面闪络或简称 闪络 1 固体介质与电极表面接触不良 存在小气隙 小气隙中的电场强度很大 首先发生放电 所产生的带电粒子沿固体介质表面移动 畸变了原有电场 可采用在固体介质表面喷涂导电粉末的办法消除 2 大气的湿度影响 大气中的潮气吸附在固体介质表面形成水膜 其中的离子受电场的驱动而沿着介质表面移动 降低了闪络电压 与固体介质吸附水分的性能也有关 3 固体介质表面电阻的不均匀和表面的粗糙不平也会造成沿面电场畸变 二 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电 这种绝缘子的两个电极之间的距离较长 其间固体介质本身不可能被击穿 只可能出现沿面闪络 与前两种相比平均闪络场强要比均匀电场时低得多 不出现热电离和滑闪放电 干闪络电压随极间距离的增大而提高 平均闪络场强大于前一种有滑闪放电时的情况 三 沿面放电电压的影响因素和提高方法 影响因素 一 固体介质材料主要取决于该材料的亲水性或憎水性 二 电场形式同样的表面闪络距离下均匀与稍不均匀电场闪络电压最高 界面电场主要为强切线分量的极不均匀电场中 闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压低的较少强垂直分量极不均匀电场则低得很多 三 极不均匀电场垂直分量很弱时的沿面放电 主要是增大极间距离 防止或推迟滑闪放电 以瓷套管为例 要在瓷套的内壁上喷铝 消除内壁消除内壁两侧的电位差 加大法兰处瓷套的外直径和壁厚或涂半导体漆或半导体釉 防止滑闪放电过早出现 对35kV以上的高压套管要采用电容式套管和充油式套管 四 固体表面有水膜时的沿面放电 此处讨论的是洁净的瓷表面被雨水淋湿时的沿面放电 相应的电压称为湿闪电压 绝缘子表面有湿污层时的闪络电压称为污闪电压 将在后面再作探讨 提高方法 如右图 棒型绝缘子除最上面的一个伞裙的上表面会全部淋湿外 下面各伞的上表面都只有一部分淋湿 且全部伞裙的下表面及瓷柱也不会被淋湿 只可能有少量的回溅雨水 可见绝缘子表面的水膜是不均匀和不连续的 有水膜覆盖的表面电导大 无水膜处的表面电导小 决大多数外加电压将由干表面 图中的BCA 段来承受 当电压升高时 或者空气间隙BA 先击穿或者干表面BCA 先闪络 但结果都是形成ABA 电弧放电通道 出现一连串的ABA 通道就造成整个绝缘子完全闪络 如雨量特别大时 伞绝缘间有可能被雨水短接而构成电弧通道 绝缘子也将发生完全的闪络 四 固体表面有水膜时的沿面放电 可见绝缘子在雨下有三种可能的闪络途径 沿湿表面AB和干表面BCA 发展 沿湿表面AB和空气间隙BA 发展 沿湿表面AB和水流BB 发展 第一种情况湿闪只有干闪电压的40 50 还受雨水电导率的影响 第二种情况下绝缘子的湿闪电压不会降低太多 第三种情况 湿闪电压将降低到很低的数值 在设计时对各级电压的绝缘子应有的伞裙数 三的倾角 伞裙直径 伞裙伸出长度与伞裙间气隙长度的比均应仔细考虑 合理选择 绝缘子污染通常可分为积污 受潮 干区形成 局部电弧的出现和发展等四个阶段 采取措施抑制或阻止其中任何一个阶段的完成就能防止污闪事故的发生 五 绝缘子污染状态下的沿面放电 线路和变电所的外绝缘受环境应力的作用 包括雨 露 霜 雪 风等气候条件和工业粉尘 废气 自然盐碱 灰尘 鸟粪等污秽物的污染 外绝缘被污染的过程一般是渐进的 但有时也可能是急速的 染污绝缘子表面上的污层在干燥状态下一般不导电 遇到雨 雾 露等不利天气时 污层被湿润 电导增大 在工作电压下的泄漏电流大增 电流所产生的焦耳热 既可能使污层电导增大 又可能使水分蒸发 污层变干而减小其电导 例如悬式绝缘子铁脚和铁帽附近的污层中电流密度较大 污层烘干较快先出现干区或干带 干区的电阻比其余湿区的电阻大的多 整个绝缘子上的电压都集中到干区上 一般干区宽度不大 所以电场强度很大 如果电场强度已足以引起表面空气的电离 在铁脚和铁帽周围即开始电晕放电或辉光放电 由于此时泄漏电流较大 电晕或辉光放电很容易转为只存在于绝缘子局部表面的有明亮通道的电弧 成为局部电弧 随着干区的扩大 电弧被拉长 在雾 露天 污层湿润度不断增大 泄漏电流也随之增大 在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增大 一旦局部电弧达到某一临界长度时弧道温度已很高 弧道的进一步伸长不