1高电压技术_第一章气体的绝缘特性.ppt

本书内容分成两篇第一篇高电压绝缘及试验第二篇电力系统过电压及其防护 第一章气体的绝缘特性主要内容 气体放电的主要形式气体中带电质点的产生和消失汤逊理论和流注理论不均匀电场中的放电过程冲击电压下气隙的击穿特性影响气体放电电压的因素提高气体介质电气强度的方法沿面放电 1气体放电的主要形式 1气体放电的主要形式 1气体放电的主要形式 1 1气体放电的基本概念 1 2气体放电的主要形式 1 1气体放电的基本概念 1 1 1气体放电1 1 2气体的绝缘特性1 1 3气体的电气强度 1 1 1气体放电 气体放电 气体中流通电流的各种形式 气体击穿 气体电绝缘状态突变为良导电状态的过程 沿面闪络 击穿发生在气体与液体 气体与固体交界面上的放电现象 工程上将击穿和闪络统称为放电 1 1 2气体的绝缘特性 气体指高压电气设备中常用的空气 SF6 以及高强度混合气体等气态绝缘介质 空气 架空线路 电气设备外绝缘 SF6 SF6断路器和全封闭组合电器外绝缘 空气是最廉价 应用最广 自动恢复绝缘的气体 因此我们主要研究空气的放电 气体具有绝缘自恢复特性 1 1 3气体的电气强度 气体的电气强度表征气体耐受电压作用的能力 均匀电场中击穿电压Ub与间隙距离之比称为击穿场强Eb 把均匀电场中气隙的击穿场强Eb称为气体的电气强度 空气在标准状态下的电气强度为30kV cm 注意 不能把不均匀场中气隙Ub与间隙距离之比称为气体的电气强度 通常称之为平均击穿场强 1 2气体放电的主要形式 注意 电晕放电时气隙未击穿 而辉光放电 火花放电 电弧放电均指击穿后的放电现象 且随条件不同 这些放电现象可相互转换 常见放电形式辉光放电电晕放电火花放电电弧放电 2气体中带电质点的产生和消失 2 1气体中带电质点的产生2 2气体中带电质点的消失 2 1气体中带电质点的产生 气体原子的激发和游离 玻尔理论 2 1气体中带电质点的产生 气体原子的激发和游离 激励 原子外层电子跃迁到较远的轨道上去的现象 激励能 产生激励需要的能量 电离 使原来的一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子的现象 电离能 电离所需的最小能量 Wi 分级电离 先经过激励再产生电离的过程 2 1气体中带电质点的产生 带电粒子的运动 在存在电场的气体中 粒子进行热运动和沿电场定向运动 自由行程 一个质点在每两次碰撞间自由地通过的距离 平均自由行程 众多质点自由行程的平均值 p 气压k 波尔兹曼常数T 气温r 气体分子半径 常温常压下空气中电子平均自由行程在10 5cm数量级 2 1气体中带电质点的产生 一 碰撞电离 电子或离子与气体分子碰撞 将电场能传递给气体分子引起电离的过程 因素 外电场强弱 能量的积累 移动距离的大小 2 1气体中带电质点的产生 即使满足上述条件 不是每次碰撞都能引起电离碰撞概率与质点速度的关系 一 碰撞电离 Wi为气体分子的电离能 碰撞电离条件当电子从电场获得的动能大于或等于气体分子的电离能时 就可能使气体分子分裂为电子或正离子 即 2 1气体中带电质点的产生 续1 一 碰撞电离 在电场中 电子的平均自由行程大 且与气体分子发生弹性碰撞 未发生电离 几乎不损失能量 因此电离的主要因素是电子引起的电离 离子碰撞电离系数 一个正离子沿电场方向行经单位距离 1cm 时平均发生的碰撞电离次数 汤逊第二电离系数 电子碰撞电离系数 一个电子在电场力作用下 沿电场方向行经单位距离 1cm 平均发生碰撞电离的次数 汤逊第一电离系数 在电场中 造成碰撞电离的主要因素是电子 2 1气体中带电质点的产生 续2 含义 由光辐射引起气体分子电离的过程 光电离产生的电子称为光电子 来源 紫外线 宇宙射线 x射线等 异号带电质点复合成中性质点释放出光子 激励态分子回复到正常态释放出光子 条件 二 光电离 h 普朗克常数 C 光速 光频率 光波长 或 2 1气体中带电质点的产生 续2 三 热电离本质 气体分子热状态引起电离 是碰撞电离 热运动 和光电离 热辐射 的综合 电离度 气体中发生电离的分子数与总分子数比值 常温下 气体分子发生热电离概率极小 当t 10000K时才需考虑热电离 当t 20000K时 几乎全部的分子都处于热电离状态 空气电离度m和温度T的关系 热电离条件 气体分子平均动能 2 1气体中带电质点的产生 续3 四 表面电离 含义 金属阴极表面发射电子的过程 逸出功 使阴极释放出电子需要的能量 通常比气体电离能小 形式 正离子碰撞阴极表面 正离子能量大于2倍金属逸出功 光电效应 光子能量大于金属逸出功 强场发射 场强在103kV cm数量级 热电子发射 金属电子动能大于逸出功 2 1气体中带电质点的产生 续3 表面电离系数 折合到每个碰撞阴极表面的正离子使阴极金属表面释放出的自由电子数 汤逊第三电离系数 四 表面电离 2 1气体中带电质点的产生 续3 五 负离子的形成 附着 电子与中性分子相结合形成负离子的情况 电子附着系数 电子行经单位距离时附着于中性原子的电子数目 负离子的形成使自由电子数减少 因而对气体放电的发展起抑制作用 亲和能 中性分子或原子与电子结合生成负离子所放出的能量 亲和能越大 越易与电子结合形成负离子 2 1气体中带电质点的产生2 2气体中带电质点的消失 2 2气体中带电质点的消失 一 电场作用下气体中带电质点的定向运动 带电质点一旦产生 在外电场作用下作定向运动 形成电导电流 带电质点的运动速度 电子的迁移率比离子大2个数量级 b为带电质点在电场中的迁移率 二 带电质点的扩散 带电质点从浓度较大区域转移到浓度较小区域 热运动 电子扩散比离子扩散高3个数量级 2 2气体中带电质点的消失 续1 正离子和负离子或电子相遇时 发生电荷的传递而相互中和还原为分子的过程 复合放出能量 复合的质点相对速度越大 复合概率越小 复合过程要阻碍放电的发展 但在一定条件下又可因复合时的光辐射加剧放电的发展 放电过程中绝大多数是正 负离子之间复合 参加复合的电子绝大多数先形成负离子再与正离子复合 三 带电质点的复合 小结 气体间隙中带电质点的产生和消失是气体放电的一对基本矛盾 气体放电的发展和终止取决于这两个过程谁占主导地位 强电场下 气体中带电质点的产生形式可以分为空间电离和表面电离 它们都与外界供给的能量有关 能量的形式主要是电场能 光辐射和热能 而能量的传递靠电子 光子或气体分子的热运动 其传递的过程主要是碰撞 它是造成气体分子电离的有效过程 本节要点 激励 激励能 电离 电离能 分级电离的概念 带电质点的产生方式 电离的主要方式 电离的原因及其条件 自由行程和平均自由行程的概念 异号带电质点复合成中性原子 分子 时 光电子的产生过程 表面电离比空间电离更容易的原因 带电质点消失的各种方式及其特点 电子亲和能和电负性对气体分子附着效应的影响 3汤逊理论和流注理论 3 1汤逊理论和巴申定律 3 2流注理论 3汤逊理论和流注理论 3 1 1非自持放电和自持放电 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 3 1 3巴申定律 3 2 1空间电荷对电场的畸变3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论3 2 3流注理论对放电现象的解释 3 1汤逊理论和巴申定律 3 2流注理论 汤逊理论和流注理论 3 1 4汤逊理论的适用范围 3 1汤逊理论和巴申定律 3 2流注理论 3 1汤逊理论和巴申定律 3 1 1非自持放电和自持放电3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论3 1 3巴申定律3 1 4汤逊理论的适用范围 3 1 1非自持放电和自持放电 非自持放电与自持放电的分界点 气体放电实验的伏安特性曲线 3 1 1非自持放电和自持放电 气体放电实验的伏安特性曲线 图表示实验所得平板电极 均匀电场 气体中的电流I与所加电压的关系 即伏安特性 气体放电伏安特性 3 1 1非自持放电和自持放电 在曲线0a段 I随U的提高而增大 这是由于电极空间的带电粒子随外施电压增加向电极运动加速所致 气体放电伏安特性 3 1 1非自持放电和自持放电 气体放电伏安特性 当电压接近Ua时 电流I0趋向于饱和值 因为这时外界电离因子所产生的带电粒子几乎能全部抵达电极 所以电流值仅取决于电离因子的强弱而与所加电压无关 3 1 1非自持放电和自持放电 气体放电伏安特性 当电压提高到时Ub 电流又开始随电压的升高而增大 这是由于气隙中出现碰撞电离和电子崩 3 1 1非自持放电和自持放电 续1 实验分析 OA段 电流随电压升高而升高 这是由于电极空间的带电粒子向电极运动加速而导致复合数的减少所致 AB段 电流仅取决于外电离因素与电压无关 电流趋向于饱和值 因为这时外界电离因子所产生的带电粒子几乎能全部抵达电极 所以电流值与所加电压无关 BC段 当电压提高到时 电流又开始随电压的升高而增大 这是由于气隙中出现碰撞电离和电子崩 电压升高碰撞电离增强但仍靠外电离维持 非自持 C点后 只靠外加电压就能维持 自持 3 1 1非自持放电和自持放电 续1 起始电压U0 非自持 自持 均匀场 击穿电压Ub 不均匀场 电晕起始电压 气隙仍绝缘 Ub U0 如果取消外电离因素 那么电流也将消失 这类依靠外电离因素的作用而维持的放电叫非自持放电 气隙中电离过程只靠外施电压已能维持 不再需要外电离因素 电压到达U0后的放电称为自持放电 sustaineddischarge U0称为起始放电电压 Initial 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 一 电子崩 a 电子崩的形成 b 带电离子在电子崩中的分布 外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子 如果空间电场强度足够大 该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离 产生一个新的电子 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 产生更多电子 依此 电子将按照几何级数不断增多 类似雪崩似地发展 这种急剧增大的空间电子流被称为电子崩 avalanche 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 二 电子崩中形成的电流 汤逊理论中的 过程 为了分析碰撞电离和电子崩引起的电流 引入 电子碰撞电离系数 表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程所完成的碰撞电离次数平均值 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 汤逊理论中的 过程 图为平板电极气隙 板内电场均匀 设外电离因素在阴极表面产生的起始电子数为n0 当起始电子到达离阴极x处时 电子数为n 这n个电子行经dx后 又会产生dn个新电子 均匀电场中的电子崩计算模型 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 根据碰撞电离系数的定义 可得 分离变量并积分 得 n是包括起始电子在内的电子崩中的电子数 它表征一个起始电子在向阳极运动过程到达阳极时产生的电子数 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 式子两侧乘以电子的电荷qe 即得电流关系式 表明 虽然电子崩电流按指数规律随极间距离d而增大 但这时放电还不能自持 因为一旦除去外界电离因子 令I0 0 即变为零 非自持放电阶段 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 对E值敏感 当E 不变时 系数 与气体相对密度成正比 经推导 得 A B常数 空气相对密度 pE 场强 汤逊理论中的 过程 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 气隙中碰撞电离而产生的正离子 即从阴极产生的一个电子消失在阳极前 由 过程形成的正离子数 即 汤逊理论中 过程 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 在电场作用下 正离子向阴极运动 由于它的平均自由行程长度较短 不易积累动能 所以很难使气体分子发生碰撞电离 但当正离子撞击阴极表面时却有可能引起表面电离而拉出电子 部分电子和正离子复合 其余部分则向着阳极运动和形成新的电子崩 过程也不能维持放电的自持 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 正离子消失在阴极前 由 过程在阴极上释放出二次电子数 即 表示由 过程在阴极上重新产生一个电子 此时不再需要外电离因素就能使电离维持发展 即转入自持放电 汤逊理论中的 过程 若 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 自持放电条件 如自持放电条件满足时 会形成下图的闭环部分 3 1 2低气压下均匀电场自持放电的汤逊理论 总结 将电子崩和阴极上的 过程作为气体自持放电的决定因素是汤逊理论的基础 汤逊理论的实质是电子碰撞电离是气体放电的主要原因 二次电子来源于正离子撞击阴极表面使阴极表面逸出电子 逸出电子是维持气体放电的必要条件 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据 3 1 3巴申定律 根据自持放电条件 导出击穿电压的表达式 A B是与气体种类有关的常数 ub为气温不变的条件下 均匀电场中气体的自持放电起始电压等于气隙击穿电压 巴申定律 当气体成份和电极材料一定时 气体间隙击穿电压 ub 是气压 p 和极间距离 d 乘积的函数 3 1 3巴申定律 均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系 巴申曲线表明 改变极间距离d的同时 也相应改变气压p而使pd的乘积不变 则极间距离不等的气隙击穿电压却彼此相等 3 1 3巴申定律 3 1 3巴申定律 由巴申曲线可知 当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空 都可以提高气隙的击穿电压 这一概念具有十分重要的实用意义 高气压 高真空都可以提高击穿电压 工程上已得到广泛应用 如 压缩空气开关 真空开关等 3 1 4汤逊理论的适用范围 汤逊理论是在低气压pd较小条件下建立起来的 pd过大 汤逊理论就不再适用 pd过大时 气压高 距离大 汤逊理论无法解释 放电时间 很短 放电外形 具有分支的细通道 击穿电压 与理论计算不一致 阴极材料 无关 汤逊理论适用于pd 26 66kPa cm 3 1汤逊理论和巴申定律 3 2流注理论 3 2流注理论 3 2 1空间电荷对电场的畸变3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论3 2 3流注理论对放电现象的解释 3 2流注理论 汤逊放电理论所讨论的是低气压 短气隙的情况 但在高气压 101 3kPa或更高 长气隙的情况 pd 26 66kPa cm 汤逊理论将不适用 以自然界的雷电为例 它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间 这时不存在金属阴极 因而与阴极上的 过程和二次电子发射根本无关 气体放电流注理论以实验为基础 它考虑了高气压 长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响 主要有以下两方面空间电荷对原有电场的影响 空间光电离的作用 3 2 1空间电荷对电场的畸变 电子崩头部聚集大部分正离子和全部电子 产生了电场畸变 在电场很小的区域 电子和离子浓度最大 有利于完成复合 强烈的复合辐射出许多光子 成为引发新的空间光电离辐射源 一 空间电荷对原有电场的影响 3 2 1空间电荷对电场的畸变 汤逊理论没有考虑放电本身所引发的空间光电离现象 而这一因素在高气压 长气隙的击穿过程中起着重要的作用 考虑初始电子崩头部成为辐射源 会向气隙空间各处发射光子而引起光电离 二 空间光电离的作用 3 2 1空间电荷对电场的畸变 如图所示 如果这时产生的光子位于崩头前方和崩尾附近的强场强区 则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中 这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩不断汇入初崩通道的过程称为流注 流注形成过程示意图 3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩 初崩发展到阳极 正离子作为空间电荷畸变原电场 加强正离子与阴极间电场 放射出大量光子 光电离产生二次电子 在加强的局部电场作用下形成二次崩 三 流注的形成和发展示意图 3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 d 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道 其端部又有二次崩留下的正电荷 加强局部电场产生新电子崩使其发展 e 流注头部电离迅速发展 放射出大量光子 引起空间光电离 流注前方出现新的二次崩 延长流注通道 f 流注通道贯通 气隙击穿 3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 流注的形成和发展示意图 3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 续1 起始电子发生碰撞电离形成初始电子崩 初崩发展到阳极 正离子作为空间电荷畸变原电场 加强正离子与阴极间电场 放射出大量光子 光电离产生二次电子 在加强的局部电场下形成二次崩 二次崩电子与正空间电荷汇合成流注通道 其端部有二次崩留下的正电荷 加强局部电场产生新电子崩使其发展 流注头部电离迅速发展 放射出大量光子 引起空间光电离 流注前方出现新的二次崩 延长流注通道 流注通道贯通 气隙击穿 注 流注速度为108 109cm s 而电子崩速度为107cm s 3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 四 流注条件形成流注的必要条件是 电子崩发展到足够的程度后 电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变 大大加强电子崩崩头和崩尾处的电场 电子崩中电荷密度很大 所以复合频繁 放射出的光子在这部分很强 电场区很容易成为引发新的空间光电离的辐射源 二次电子主要来源于空间光电离 气隙中一旦形成流注 放电就可由空间光电离自行维持 3 2 2高气压下均匀电场自持放电的流注理论 流注自持放电条件 或 初崩头部电子数要达到108时 放电才能转为自持 出现流注 3 2 3流注理论对放电现象的解释 放电时间二次崩的起始电子是光子形成的 而光子以光速传播 所以流注发展非常快 放电外形二次崩的发展具有不同的方位 所以流注的推进不可能均匀 而且具有分支 阴极材料大气条件下的气体放电不依赖阴极表面电离 而是靠空间光电离产生电子维持 因此与阴极材料无关 小结 1 汤逊理论只适用于pd值较小的范围 流注理论只适用于pd值较大的范围 二者过渡值为pd 26 66kPa cm 1 汤逊理论的基本观点 电子碰撞电离是气体放电时电流倍增的主要过程 而阴极表面的电子发射是维持放电的必要条件 2 流注理论的基本观点 以汤逊理论的碰撞电离为基础 强调空间电荷对电场的畸变作用 着重于用气体空间光电离来解释气体放电通道的发展过程 放电从起始到击穿并非碰撞电离连续量变的过程 当初始电子崩中离子数达108以上时 引起空间光电离质变 电子崩汇合成流注 流注一旦形成 放电转入自持 小结 2 引起气体放电的外部原因有两个 其一是电场作用 其二是外电离因素 把去掉外界因素作用后 放电立即停止的放电形式称为非自持放电 把由电场作用就能维持的放电称为自持放电 3 汤逊理论和流注理论自持放电条件的比较 1 汤逊理论 自持放电由阴极过程来维持 流注理论 依赖于空间光电离 2 系数的物理意义不同 流注发展过程 初始电子崩 电子崩头部电子数达到一定数量 电场畸变和加强 电子崩头部正负空间电荷复合 放射大量光子 光电离 崩头处二次电子 光电子 向正空间电荷区运动 碰撞游离 二次电子崩 二次电子崩电子跑到初崩正空间电荷区域 流注 本节重点 汤逊放电理论和流注理论的使用范围 汤逊放电描述的电子崩发展过程 电子碰撞游离系数 汤逊理论的自持放电条件及其物理解释 巴申定律及其在实际中的应用 流注理论与汤逊理论在考虑放电发展因素上的不同 流注及其放电的发展过程 流注及自持放电的形成条件 4不均匀电场中的放电过程 4不均匀电场中的放电过程 4 1电场不均匀程度的划分 4 2稍不均匀电场中的击穿过程 不均匀电场放电过程 4 3极不均匀电场中的击穿过程 4 3 1电晕放电4 3 2极性效应4 3 3长间隙放电 4不均匀电场中的放电过程 4 1电场不均匀程度的划分4 2稍不均匀电场中的击穿过程4 3极不均匀电场中的击穿过程 4 1电场不均匀程度的划分 球隙的放电特性与极间距离的关系 1 击穿电压2 电晕起始电压3 放电不稳定区 4 1电场不均匀程度的划分 均匀电场是一种少有的特例 在实际电力设施中常见的却是不均匀电场 电场越不均匀 击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大 从放电观点看 电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分 4 1电场不均匀程度的划分 续1 f4时为极不均匀电场 Emax 最大电场强度 Eav 平均电场强度 为了描述各种结构的电场不均匀程度 可引入一个电场不均匀系数f 表示为 球间隙和圆柱间隙电场是稍不均匀电场 如 全封闭组合电器 GIS 和测量球间隙 棒 棒和棒 板间隙电场是典型极不均匀电场 如 输电线路 4 1电场不均匀程度的划分4 2稍不均匀电场中的击穿过程4 3极不均匀电场中的击穿过程 4 2稍不均匀电场中的击穿过程 稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似 属于流注击穿 击穿条件就是自持放电条件 无电晕产生 但稍不均匀电场中场强并非处处相等 电离系数 是空间坐标x的函数 因此自持放电条件为 4 1电场不均匀程度的划分4 2稍不均匀电场中的击穿过程4 3极不均匀电场中的击穿过程 4 3极不均匀电场中的击穿过程 4 3 1电晕放电4 3 2极性效应4 3 3长间隙放电 4 3 1电晕放电 定义 由于电场强度沿气隙的分布极不均匀 因而当所加电压达到某一临界值时 曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0 因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩 甚至出现流注 这种仅仅发生在强场区 小曲率半径电极附近空间 的局部放电称为电晕放电 特点 电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式 电晕起始电压低于击穿电压 电场越不均匀其差值越大 4 3 1电晕放电 电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算 应用最广的是皮克公式 电晕起始场强近似为 m 导线表面粗糙系数 空气相对密度 R 导线半径 cm 4 3 1电晕放电 影响 电晕放电引起的光 声 热等效应使空气发生化学反应 都会消耗一定的能量 电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素 坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多 电晕放电中 由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波 从而对无线电和电视广播产生干扰 电晕放电还会产生可闻噪声 并有可能超出环境保护所容许的标准 方法 增大电极曲率半径 采用扩径导线等 4 3 1电晕放电 有利 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度 操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制 电晕放电还在除尘器 静电喷涂装置 臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用 4 3 2极性效应 在极不均匀电场中 放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始 与该电极极性无关 但后来的发展过程 气隙的电气强度 击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系 极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应 4 3 2极性效应 决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号 在两个电极几何形状不同时 极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号 如 棒 板 气隙 在两个电极几何形状相同时 极性取决于不接地的那个电极上的电位 如 棒 棒 气隙 4 3 2极性效应 下面以电场极不均匀的 棒 板 气隙为例 从流注的概念出发 说明放电的 发展过程极性效应 4 3 2极性效应 一 正极性如图所示 棒极带正电位时 电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和 棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子 4 3 2极性效应 这些正离子虽朝板极移动 但速度很慢而暂留在棒极附近 4 3 2极性效应 这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度 而加强了正离子群外部空间的电场 因此当电压进一步提高 随着电晕放电区的扩展 强场区亦将逐渐向板极方向推进 因而放电的发展是顺利的 4 3 2极性效应 二 负极性 如图 a 示 棒极负极性时 电子崩将由棒极表面出发向外发展 崩头的电子在离开强场 电晕 区后 虽不能再引起碰撞电离 但仍继续往板极运动 4 3 2极性效应 在图 b 中 留在棒极附近的也是大批正离子 这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场 电场情况如图 c 所示 4 3 2极性效应 所以 当电压进一步提高时 电晕区不易向外扩展 整个气隙击穿将是不顺利的 因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多 完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多 4 3 2极性效应 非自持放电阶段正极性 正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场 阻止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高 负极性 正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场 促进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低 4 3 2极性效应 自持放电阶段正极性 空间电荷加强放电区外部空间的电场 因此当电压进一步提高时 强场区将逐渐向极板推进至击穿负极性 空间电荷削弱放电区外部空间的电场 因此当电压进一步提高时 电晕区不易向外扩展 气隙击穿将不顺利 因此负极性击穿电压比正极性高很多 完成击穿所需时间也长得多 4 3 2极性效应 工程实际中 输电线路外绝缘和高压电器的外绝缘都属于极不均匀电场分布 在交流电压下的击穿都发生在正半波 因此 考核绝缘冲击特性时应施加正极性的冲击电压 4 3 3长间隙放电 4 3 3长间隙放电 续1 先导放电特点 电子通过通道根部时由于剧烈的摩擦产生的热电离过程先导加强了前方电场 引起新的流注 使其进一步伸展并逐级推进主放电当先导贯穿两极 导致沿先导通道向反方向扩展到棒极的主放电和最终击穿 4 3 3长间隙放电 流注通道电子被阳极吸引 电子浓度 电流 流注中热电离 电导 电流 流注变成高电导的等离子体 先导 电场 新流注 先导不断推进 稍不均匀电场和极不均匀电场的划分及其典型的电场形式 稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 电晕放电的概念和导线起晕场强的计算 极不均匀电场中的放电发展过程 极性定义和极性效应 本节重点 5冲击电压下气隙的击穿特性 5冲击电压下气隙的击穿特性 5 1雷电冲击电压下的击穿 5 2操作冲击电压下的击穿 冲击电压下气隙的击穿特性 5 2 1操作冲击电压的形成 5 1 1雷电冲击电压标准波形 5 1 2冲击放电时延 5 1 3雷电冲击50 击穿电压 5 1 4伏秒特性 5 2 2操作冲击电压标准波形 5 2 3操作冲击放电电压的特点 5冲击电压下气隙的击穿特性 5 1雷电冲击电压下的击穿5 2操作冲击电压下的击穿 5 1雷电冲击电压下的击穿 5 1 1雷电冲击电压标准波形5 1 2冲击放电时延5 1 3雷电冲击50 击穿电压5 1 4伏秒特性 5 1 1雷电冲击电压标准波形 标准雷电冲击电压波 雷电冲击电压波形的标准化 5 1 1雷电冲击电压标准波形 5 1 1雷电冲击电压标准波形 标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后所出现的截尾冲击波 如图所示 5 1 2冲击放电时延 一 放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件 足够大的电场强度或足够高的电压 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子 需要有一定的时间 让放电得以逐步发展并完成击穿 5 1 2冲击放电时延 完成击穿所需放电时间是很短的 微秒级 直流电压 工频交流等持续作用的电压 满足上述三个条件不成问题 当所加电压变化速度很快 作用时间很短的冲击电压 因有效作用时间短 以微秒计 此时放电时间就变成一个重要因素 5 1 2冲击放电时延 放电时间的组成 总放电时间 后面两个分量之和称为放电时延 5 1 2冲击放电时延 t1 气隙在持续电压下的击穿电压为Us 为所加电压从0上升到Us的时间 ts 从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts 5 1 2冲击放电时延 tf 出现有效电子后 引起碰撞电离 形成电子崩 发展到流注和主放电 最后完成气隙的击穿 这个过程需要的时间称为放电形成时延tf 5 1 2冲击放电时延 tb和tf都具有统计性 短气隙中 1cm以下 特别是电场均匀时 tf ts 放电时延主要取决于ts 为减小ts 可提高外施电场使气隙中出现有效电子的概率增加 可采用人工光源照射 使阴极释放出更多的电子 较长气隙时 放电时延主要决定于tf 且电场越不均匀 tf越大 5 1 3雷电冲击50 击穿电压 定义 在多次施加同一电压时 其中半数导致气隙击穿 以此反映气隙的耐受冲击电压的能力 在工程实际中广泛采用击穿百分比为50 时的电压 U50 来表征气隙的冲击击穿特性 实际中 施加10次电压中有4 6次击穿了 这一电压即可认为是50 冲击击穿电压 特点 1 在均匀和稍不均匀场中 击穿电压分散性小 冲击系数 2 在极不均匀电场中 由于放电时延较长 其冲击系数击穿电压分散性也较大 5 1 4伏秒特性 冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示 这种在 电压 时间 坐标平面上形成的曲线 通常称为伏秒特性曲线 它表示该气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系 伏秒特性曲线的绘制方法示意图 5 1 4伏秒特性 一 绘制伏秒特性的方法保持冲击电压波形不变 逐级升高电压使气隙发生击穿 记录击穿电压波形 读取击穿电压值U与击穿时间t 当电压不很高时击穿一般在波长发生 当电压很高时 击穿百分比将达100 放电时延大大缩短 击穿可能发生在波前发生 当击穿发生在波前时 U与t均取击穿时的值 当击穿发生在波长时 U取波峰值 t取击穿值 伏秒特性曲线的绘制方法示意图 5 1 4伏秒特性 实际的伏秒特性曲线如下图所示 是一个以上 下包线为界的带状区域 通常取50 伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击击穿特性 5 1 4伏秒特性 极不均匀电场 平均击穿场强低 放电时延长 曲线上翘 稍不均匀电场 平均击穿场强高 放电时延短 曲线平坦 因此在避雷器等保护装置中 保护间隙采用均匀电场 确保在各种电压下保护装置伏秒特性低于被保护设备 二 伏秒特性与电场的关系 随着时间的延伸 一切气隙的伏秒特性都趋于平坦 但特性曲线变平的时间却与气隙的电场形式有较大关系 5 1 4伏秒特性 三 伏秒特性在绝缘配合中的应用 5 1雷电冲击电压下的击穿5 2操作冲击电压下的击穿 5 2操作冲击电压下的击穿 5 2 1操作冲击电压的形成5 2 2操作冲击电压标准波形5 2 3操作冲击放电电压的特点 5 2 1操作冲击电压的形成 电力系统的输电线及电气设备都有各自的电感和电容 由于系统运行状态的突变 正常或故障 将导致电感和电容元件间电磁能的互相转换 引起振荡性的过渡过程 过渡过程会在电气设备或局部电网上造成远远超过正常运行的电压 称为操作过电压 操作过电压幅值与波形跟电力系统的参数有密切关系 由于其过渡过程的振荡基值是系统运行电压 因此电压等级越高 操作过电压幅值越高 最高可达到最大相电压峰值的3 4倍 5 2 2操作冲击电压标准波形 5 2 3操作冲击放电电压的特点 均匀场和稍不均匀场中操作冲击电压的作用时间介于工频电压与雷电冲击电压之间 操作冲击50 冲击放电电压U50 直流放电电压 工频放电电压等峰值几乎相同 分散性不大 击穿发生在波前部分 与半峰时间无关 极不均匀场中操作冲击表现出许多不同的特点 5 2 3操作冲击放电电压的特点 U形曲线左半支 波前 放电时延 Ub 右半支 波前 空间电荷迁移范围 电极附近电场 Ub 5 2 3操作冲击放电电压的特点 极性效应 在不同的电场结构中 正极性操作冲击50 击穿电压比负极性低 一般均讨论正极性的情况 操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压 在某些波前时间内 甚至比工频击穿电压还低 在同极性的雷电冲击标准波作用下 棒 板间隙的击穿电压比棒 棒间隙时低得不多 而在操作过电压下 前者比后者低得多 注意 设计高压电气设备时应尽量避免出现棒 板间隙 5 2 3操作冲击放电电压的特点 饱和现象原因 长间隙下先导形成后 放电更易发展 这对于发展特高压输电技术是不利的 而雷电冲击作用时间太短 其饱和不明显 放电电压与间隙距离一般呈线性关系 分散性大操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性都比雷电冲击电压大得多 本节重点 雷电冲击的有关概念 全波和截波 波前时间和半峰值时间等 雷电 操作波标准波形 放电时间和放电时延的概念 50 冲击放电电压 伏秒特性的定义 求取伏秒特性的方法和伏秒特性的配合 操作冲击电压波作用下的击穿特性 6影响气体放电电压的因素 6影响气体放电电压的因素 6 1电场形式对放电电压的影响6 2电压波形对放电电压的影响6 3大气条件对放电电压的影响 6 1电场形式对放电电压的影响 一 均匀电场中的击穿电压 均匀电场 两个电极形状完全相同且对称布置 因而不存在极性效应 均匀电场中各处的电场强度均相等 击穿所需的时间极短 在直流 工频和冲击电压作用下的击穿电压实际上都相同 击穿电压的分散性很小 伏秒特性很快就变平 冲击系数 1 6 1电场形式对放电电压的影响 击穿电压的经验公式可表示为 上式完全符合巴申定律 因为它也可改写成 6 1电场形式对放电电压的影响 二 稍均匀电场中的击穿电压 与均匀电场相似 冲击系数接近1 冲击击穿电压与工频击穿电压及直流击穿电压几乎相等 6 1电场形式对放电电压的影响 二 稍均匀电场中的击穿电压 1 球间隙 一般取d D 2范围内工作 2 同轴圆筒外筒内半径R 10cm 改变内筒外半径r之值 气隙起始电晕电压Uc和击穿电压随内筒外直径r变化规律 6 1电场形式对放电电压的影响 工程上常见电场大多数是极不均匀电场 工程上遇到极不均匀电场时 可由典型电极的击穿电压来修正绝缘距离 对称电场参照 棒 棒 电极数据 不对称电场可参照 棒 板 电极数据 放电的分散性大 且极性效应明显 三 极不均匀电场中的击穿电压 6 1电场形式对放电电压的影响6 2电压波形对放电电压的影响6 3大气条件对放电电压的影响 6 2电压波形对放电电压的影响 气隙在各种电压下的击穿特性 直流电压工频交流电压雷电冲击电压操作冲击电压 6 2电压波形对放电电压的影响 均匀电场中不同电压波形下击穿电压 峰值 相同 放电分散性小 稍不均匀电场中不同电压波形下击穿电压基本相同 放电分散性不大 极性效应不显著 极不均匀电场中直流 工频及冲击电压间差别明显 6 2电压波形对放电电压的影响 棒 板间隙存在极性效应 棒 棒电极击穿电压介于不同极性棒 板之间 一 直流电压下的击穿特性 6 2电压波形对放电电压的影响 无论棒 棒或棒 板电极击穿都发生在正半周峰附近 分散性不大 当间隙距离不太大时 击穿电压与间隙距离呈线性关系 当间隙距离很大时 平均击穿场强明显降低 呈现出饱和现象 二 工频电压下的击穿特性 6 2电压波形对放电电压的影响 雷电冲击击穿电压与距离呈正比 无饱和 操作冲击电压有明显的极性效应和饱和现象 二 冲击电压下的击穿特性 6 2电压波形对放电电压的影响 6 1电场形式对放电电压的影响6 2电压波形对放电电压的影响6 3大气条件对放电电压的影响 6 3大气条件对放电电压的影响 由于大气的压力 温度 湿度等条件都会影响空气的密度 电子自由行程长度 碰撞电离及附着过程 所以也必然会影响气隙的击穿电压 海拔高度的影响亦与此类似 因为随着海拔高度的增加 空气的压力和密度均下降 6 3大气条件对放电电压的影响 不同大气条件下测得的击穿电压必须换算到统一的参考条件下才能进行比较 我国规定的标准大气条件为 6 3大气条件对放电电压的影响 实际试验条件下的击穿电压和标准大气条件下的击穿电压可通过相应的校正系数换算 Kd 空气密度校正系数Kh 湿度校正系数 6 3大气条件对放电电压的影响 对空气密度的校正对湿度的校正在极不均匀场中对海拔高度的校正气体性质对放电电压的影响 7提高气体介质电气强度的方法 7提高气体介质电气强度的方法 为了缩小电力设施的尺寸 总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些 为此就应采取措施来提高气体介质的电气强度 从实用角度出发 要提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径 改善气隙中的电场分布 使之均匀 设法削弱和抑制气体介质中的电离过程 7提高气体介质电气强度的方法 7 1改善电场分布7 2削弱或抑制电离过程 7 1改善电场分布 7 1 1改进电极形状7 1 2空间电荷的利用7 1 3极不均匀电场中屏障的采用 7 1 1改进电极形状 电场分布越均匀 气隙的平均击穿场强也就越大 因此 可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度 以改善电场分布 提高气隙的击穿电压 如 增大电极的曲率半径消除电极表面的毛刺消除电极表面尖角 7 1 1改进电极形状 7 1 2空间电荷的利用 极不均匀电场中间隙被击穿前先发生电晕现象 所以在一定条件下 可以利用放电产生的空间电荷来改善电场分布 提高击穿电压 例如 导线与平板间隙中 导线直径很小时 导线周围容易形成比较均匀的电晕层 由于电晕层比较均匀 电场分布改善 提高了击穿电压 7 1 3极不均匀电场中屏障的采用 在极不均匀电场中 放入薄片固体绝缘材料 在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷 这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小 从而使整个气隙的电场分布均匀化 7 1 3极不均匀电场中屏障的采用 例如 正棒负板电极中设置屏障后 正离子将在屏障上集聚 由于同号排斥作用 正离子沿屏障表面均匀分布 在屏障前方从而形成较均匀的电场 改善了电场分布 提高了击穿电压 7 1 3极不均匀电场中屏障的采用 但当棒为负极性时 即使屏障放在最有利的位置 也只能略微提高气隙的击穿电压 例如20