高电压技术--1 气体的放电特性

1 高电压技术 潘大控学院电气工程系 2 高电压技术导言一 本课程学习目的通过本课程学习应重点掌握电力系统产生过电压的机理和过电压保护的基本方法 培养学生分析和解决电力系统中绝缘与作用电压矛盾的能力 通过本课程学习 为今后从事有关高电压与绝缘方面的工作打下基础 二 主要内容各类电介质在高电场下的特性电气设备绝缘试验技术电力系统过电压与绝缘配合 3 三 参考书目1 高电压技术文远芳华中科技大学出版社2 高电压技术周浩浙江大学出版社3 高电压技术张一尘中国电力出版社4 高电压技术周泽存中国电力出版社 4 第一篇各类电介质在高电场下的特性主要介绍固体 液体 气体介质的放电 闪络 击穿特性和极化 电导 损耗等电气现象 以及提高电介质电气强度的方法 主要内容 气体的放电基本物理过程和电气强度固体 液体介质的电气特性 5 第1章气体的放电基本物理过程和电气强度主要内容 本章主要介绍气体放电的汤逊理论和流注理论 气体放电的基本规律 击穿特性和影响因素 以及提高气体介质电气强度的方法 此外还介绍沿面放电以及防污对策 6 第1节汤逊理论和流注理论主要内容 一 非自持放电和自持放电二 汤逊理论三 巴申定律四 流注理论五 强电负性气体自持放电的条件 7 一 自持放电和非自持放电 oa 初始阶段ab 良好的绝缘状态bc 碰撞电离 带电离子 cs 气体间隙击穿 电流急剧增加非自持放电 依靠外电离因素作用而维持的放电自持放电 只依靠外施电压而维持的放电U0 放电起始电压 8 二 汤逊理论汤逊从均匀电场 低气压 短气隙的气体放电实验出发 总结出的气体放电理论 1 电子崩的形成 阴极电极表面由于光电离产生电子 起始电子 电场作用 向阳极运动 动能增大 发生碰撞电离 产生新电子 电子数量增多 电子崩正离子 向阴极运动 加强阴极电场或与阴极碰撞 产生新电子 雪崩现象加剧 放电自持 9 2 三个系数作用 定量分析气隙中的放电过程 系数 电子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数 电子崩过程 过程 系数 正离子沿电场方向运动1cm平均发生的碰撞电离次数 离子崩过程 过程 系数 折合到每个碰撞阴极表面的正离子 使阴极金属平均释放出的自由电子数 离子崩达到阴极后引起阴极发射二次电子的过程 过程 10 3 均匀电场中电子崩的计算 解方程得 过程电子崩的电子过程中产生的离子崩中的正离子数过程在阴极上释放出二次电子数 如果便开始转入自持放电阶段因此自持放电的条件为 11 3 汤逊理论汤逊理论的实质 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 所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据 适用范围 解释低气压 短气隙中的放电现象 12 三 巴申定律 U0 均匀电场中 气体的自持放电的起始电压 等于气隙的击穿电压Ub 巴申定律 当气体成分和电极材料一定时 气体间隙击穿电压Ub是气压p和极间距离d乘积的函数 13 由曲线可知 随pd的变化 击穿电压有最小值 该现象可由汤逊理论加以解释 形成自持放电需要达到一定的电离数 d 而这又决定于碰撞次数与电离概率的乘机 14 巴申定律 Ub f pd 当考虑温度变化时 可以用气体的相对密度 代替大气压力 Ts ps 标准大气压 Ts 293K ps 101 3kpaT p 实验时大气条件 15 四 流注理论1 汤逊理论的不足汤逊理论适用于低气压 短气隙的放电现象 但是解释高气压 长气隙时 与实际相矛盾 2 流注的形成和发展 起始电子 碰撞电离 初始电子崩 正离子暂留 电场畸变 发射光子 产生二次电子 二次电子崩 产生充满正负粒子的通道 流注形成 16 3 流注理论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 同时放射出大量光子成为空间光电离的辐射源 二次电子主要来源于空间的光电离 汤逊理论 二次电子主要来源于正离子碰撞阴极的逸出电子 4 流注的产生条件流注的产生条件即自持放电条件 对于均匀场为 一般认为当ad 20 ead 108 便可满足上述条件 使流注得以形成 17 5 强电负性气体的自持放电条件 1 附着效应 系数一个电子沿电场方向运动1cm时 平均发生的电子附着次数 在电负性气体中 有效碰撞电离次数为 汤逊自持放电条件中的 不能简单用 代替 因为在电负性气体中 正离子数等于增新的电子数与负离子数之和 2 电负性气体的自持放电条件 K 电子崩中电子的临界值取对数 对于SF6 K 10 5 18 第2节不均匀电场中的放电过程稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特点极不均匀电场中的电晕放电现象极不均匀电场中的放电过程 均匀电场不均匀电场 稍不均匀电场极不均匀电场 19 一 稍不均匀电场和极不均匀电场1 球隙大小与放电情况之间关系 1 d 2D电场较均匀 稍不均匀 一旦出现自持放电 立即导致整个气隙击穿 2 d 4D电场极不均匀 电压达到某一临界值 电晕起始电压 电晕放电 电压继续升高 刷状细火花 气隙完全击穿 3 2D d 4D过渡区域 电压升高 不稳定电弧 电弧立刻转换为火花放电 气隙完全击穿 20 2 实验结论两球间距越大 电场越不均匀电场越不均匀 击穿电压与电晕起始电压差别越大 3 电场不均匀度的划分 1 根据是否存在稳定电晕划分存在稳定电晕 极不均匀电场 d 4D 不存在稳定电晕 电晕一出现气隙马上击穿 稍不均匀电场 d4 极不均匀电场 21 4 电场均匀度与击穿电压之间的关系电场越不均匀 击穿电压越低 极不均匀电场的电晕起始电压即为放电起始电压 由发生电晕至击穿的过程还必须升高电压才能完成 22 二 极不均匀电场中的电晕放电现象1 电晕和晕光在极不均匀电场中 气隙在完全击穿之前 电极附近会产生电晕放电 电晕放电的强度与外加电压 电极形状 极间距离 气体性质和密度相关 电晕放电的起始场强 m1 导体表面粗糙系数 光滑导线为1 绞线为0 8 0 9 m2 由天气产生的可用系数 好天气为1 坏天气为0 8 23 2 电晕的应用 危害和防治方法电晕放电的害处 引起功率损耗 产生放电脉冲 导致电磁干扰 噪声 产生臭氧和氧化氮 电晕放电的应用 静电除尘器 臭氧发生器 静电喷涂等 防止电晕方法 采用分裂导线 扩径导线 对330kV 500kV 750kV的线路可分别采用二分裂 四分裂 六分裂导线 24 四分裂导线 25 钢芯铝绞线和扩径钢芯铝绞线 26 三 极不均匀电场中的放电过程1 概述棒 板电极中 电离首先从棒极开始 放电发展过程与电极极性有关 电场极性取决于曲率较小电极的极性 在两个电极几何形状相同时 极性取决于不接地的那个棒极的极性 2 自持放电前的阶段正极性棒 板电极 电晕起始电压较高负极性棒 板电极 电晕起始电压较低 27 2 自持放电后阶段极不均匀电场中 由电晕放电发展到击穿放电的阶段 正极性棒 板电极 击穿电压较低负极性棒 板电极 击穿电压较高 28 3 总结对于极不均匀电场 击穿的极性效应与电晕放电的极性效应相反 在工程实际中 进行绝缘冲击试验 要施加正极性的冲击电压 4 长气隙 大于1m 放电过程流注不会一次贯穿整个气隙 而是出现逐级推进的先导放电现象 电晕放电 先导放电 主放电 29 第3节空气间隙在各种电压下的击穿特性主要内容 作用电压类型空气间隙在稳态电压下的击穿空气间隙在冲击电压下的击穿 30 一 作用电压类型 稳态电压 直流电压 工频交流电压冲击电压 雷电冲击电压 操作冲击电压 二 空气气隙在稳态电压下的击穿1 均匀电场气隙的击穿均匀场气隙在直流 工频电压作用下的击穿电压是相同的 d 1 10cm时 击穿场强约为30kV cm 31 2 稍不均匀电场中的击穿 1 球隙 dD 4时 电场不均匀程度增大 击穿场强下降 出现极性效应 球隙测压器的工作范围d D 2 否则因放电分散性增大 不能保证测量的精度 32 放电球隙测压器 是一对直径相同的球型电极 当其与高压试验变压器 控制台 调压器等组成成套测试设备后 可在工频高压试验时用于高压测量及保护被试品之用 33 2 同轴圆柱高压标准电容器 单芯电缆 GIS分相母线 r R0 1时 稍不均匀电场 击穿前不出现电晕 且由图可见 当r R 0 33时击穿电压出现极大值 电气设备在绝缘设计时尽量将r R选取0 25 0 4的范围内 为什么有极大值 Uc 电晕起始电压Ub 击穿电压R 外径r 内径 34 3 极不均匀电场中的击穿 导线 导线 可用 棒 棒 气隙击穿特性估算 导线 大地 可用 棒 板 气隙击穿特性估算不仅电极的对称程度影响气隙的击穿特性 而且极间距离大小对击穿电压也有很大影响 棒 棒 和 棒 板 空气间隙的直流击穿特性 1 短气隙直流击穿特性直流电压下 棒 板电极具有明显的极性效应 棒 棒电极极性效应较弱 棒 棒电极的击穿电压介于极性不同的棒 板电极之间 35 棒 棒 和 棒 板 长空气间隙的直流击穿特性 2 长气隙直流击穿特性特性与短气隙直流击穿特性相同 可用于估算超高压直流输电过程中对称布置和不对称布置所需的绝缘距离 正极性棒 板电极 4 5kV cm负极性棒 板电极 10kV cm棒 棒电极 5 4kV cm 3 工频交流击穿特性大家推算一下 对于棒 板电极和棒 棒电极 在工频电压下有什么特性 36 4 长空气间隙工频击穿电压在距离小于1m的范围内 两种电极的工频击穿电压几乎相等 当距离超过2m 击穿电压和气隙间隙距离的关系出现饱和趋势 设计电气设备时 应尽量避免棒 板电极的出现 37 二 空气间隙在冲击电压下的击穿1 在雷电冲击电压下的击穿 1 雷电冲击电压标准波形 T1 波前时间1 2usT2 半峰值时间50us标准波形 1 2 50us 2 冲击放电的时延 U0 静态击穿电压ts 统计时延tf 形成时延冲击放电总时间为 tb t1 ts tf 38 3 雷电50 冲击击穿电压 U50 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特性 绝缘冲击系数 U50 U0均匀和稍不均匀电场中 U50 U0 1极不均匀电场中 U50 U0 1 长空气间隙的雷电击穿特性1 正极性 棒 板 2 正极性 棒 棒 3 负极性 棒 棒 4 负极性 棒 板 39 4 伏秒特性定义 在同一冲击电压波形作用下 间隙上出现的击穿电压值和放电时延之间的关系曲线 为伏秒特性曲线 一般用来表征气隙在冲击电压下的击穿特性 求取伏秒特性曲线的试验方法伏秒特性曲线的分散性 40 伏秒特性的作用 秒特性曲线主要用于保护装置和被保护设备之间的绝缘配合 保护间隙的伏秒特性曲线应在被保护设备的伏秒特性曲线的下方 平坦的伏秒特性曲线有利于较好的实现绝缘配合 41 2 操作冲击电压下的击穿 非周期双指数冲击波波前时间 Tcr 250us半峰值时间 T2 2500us记做 250 2500us衰减震荡波第一个半波的持续时间为2000 3000us 第二个半波为反极性 峰值约占第一个半波峰值的4 5 42 1 均匀电场和稍不均匀电场气隙的50 冲击击穿电压与工频击穿电压几乎相同 击穿几乎发生在峰值 2 极不均匀电场操作冲击电压下 极不均匀场长气隙Tcr U50 击穿特性呈U形曲线 气隙的操作冲击击穿电压不仅远低于雷电冲击击穿电压 甚至在某些波前时间比工频击穿电压还低 极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性具有 饱和 特征 操作冲击电压下的气隙击穿电压和放电时间的分散性都雷电冲击电压下大得多 43 第4节大气条件对气隙击穿特性的影响对空气密度的校正对湿度的校正对海拔高度的校正 U0 标准大气压下的击穿电压Kd 空气密度校正系数Kh 湿度校正系数 44 一 空气密度的校正 当空气相对密度在0 95 1 05范围内变动时 气隙的击穿电压与其密度成正比 及kd 适用条件 极间距离不大 电场比较均匀或长度虽长 但击穿电压仍随极间距离增加呈线性增大 如雷电冲击电压 的情况 其余情况 m n与电极形状 极间距离 电压种类及极性有关 其值在0 4 1 0之间 45 二 湿度的校正大气的湿度越大 气隙的击穿电压也会越高 均匀和稍不均匀电场 球隙测压器 湿度影响可忽略不计 极不均匀电场 k 与绝对湿度和电压种类有关 取决于电极形状 极间距离 电压种类及其极性三 对海拔高度的校正凡安装在海拔1000m 4000m之间的电气设备 其试验电压应等于平原地区绝缘实验电压与海拔校正系数的乘积 46 第5节提高气体介质电气强度的方法研究气隙放电的目的 提高气体介质强度 采用各种措施使气隙绝缘距离尽可能取小 以减小绝缘尺寸 主要内容 一 改善电场分布二 削弱或抑制气体介质中的电离过程 47 一 改善电场分布1 改进电极形状以改善电场分布增大电极的曲率半径 改善电极边缘形状等方法减小场强差异 使电场均匀化 2 利用空间电荷改善电场分布 利用电晕层改善电场分布 进而提高击穿电压 3 极不均匀电场中采用屏蔽改善电场分布x d 0 2处使正极性棒 板电极增加2 3倍 对于负极性棒 板电极可能会起到反作用 棒 棒电极应当设置两层屏蔽 只能提高稳态击穿电压 48 二 削弱或抑制电离过程1 采用高气压在均匀电场中 压缩空气气压在10个大气压以下时 击穿电压随气压增加而成线性增加 2 采用强电负性气体六氟化硫和氟利昂是常用强电负性气体 绝缘强度达到空气的2 5倍 3 采用高真空采用高真空可以使气隙的击穿电压得到显著上升 49 第6节沿面放电及防污对策沿面放电的基本概念沿面放电界面电场分布与特点固体介质表面有水膜时的沿面放电绝缘子污染状态下的沿面放电 50 一 沿面放电的基本概念沿面放电 沿气体介质与固体介质的交界面上发展的放电现象 它是一种持殊的气体放电 绝缘子 绝缘支柱 支撑 悬挂高压导体套管 固定高压导体 固体介质 沿面滑闪 尚未发生击穿的放电沿面闪络 沿面击穿放电现象 放电形式 沿面闪络电压比纯气隙击穿电压要低得多 因此一个绝缘装置的实际耐压能力是取决于它的沿面闪络电压 沿面闪络电压决定其外绝缘的绝缘水平 绝缘子 套管 51 二 沿面放电界面电场分布与特点 界面电场分布可以分为上述三种典型情况 52 1 均匀和稍不均匀电场中的沿面放电此时沿面闪络电压比纯空气间隙的击穿电压低得多 均匀电场发生畸变 主要有以下原因 潮气吸附到固体介质表面而形成薄水膜 其中离子移动导致电场不均匀 对工频和直流电压下的闪络电压影响较大 固体介质与电极接触不良 存在小气隙 气隙内将首先发生放电 所产生的带电粒子使原有电场发生畸变 固体介质表面电阻不均匀和表面的粗糙不平也会畸变沿面电场 53 提高均匀电场沿面闪络电压的措施 采用石蜡 硅橡胶等憎水性材料 而少采用瓷 玻璃等亲水性材料 将电极与介质接触面仔细研磨 使两者紧密接触以消除空气隙 或者在介质端面上喷涂金属 将气隙短路 提高沿面闪络电压 54 2 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电 沿套管表面放电示意图具有强垂直分量极不均匀电场的沿面放电主要包括电晕放电 辉光放电 滑闪放电和沿面闪络四个阶段 1 沿面闪络电压降低的原因主要是由于电流通过固体介质表面电容时 分流引起介质表面的电压分布不均匀造成的 55 放电只和电场分布有关 而与电极的电位无关 可认为法兰加高压 导杆接地 在介质表面 电流分布不均匀 越靠近法兰处 电流越大 在法兰单位距离上的压降最大 电场最强 易发生游离 56 2 提高沿面闪络电压的具体措施减小比电容C0 可采用加大法兰处套管的外径和壁厚 也可采用介电常数较小的介质 减小绝缘表面电阻R0 可通过减小介质表面电阻率实现 如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉 在电机绝缘的出槽口处涂半导体漆等 57 3 极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电 1 放电特点电极本身的形状和布置已使电场很不均匀 其表面状况 材料吸湿性能以及电极与介质的间隙对降低闪络电压已不明显 由于电场的垂直分量较小 表面无大的电容电流流过 不会出现热游离和滑闪现象 58 2 提高沿面闪络电压的具体措施增高支柱绝缘子 即加大极间距离 增加悬式绝缘子片数 35kV线路一般用3片 110kV用7片 220kV用13片 330kV用19片 500kV用28片 对于耐张杆塔 考虑到绝缘子老化较快 通常增加1 2片 在机械负荷很大的场合 可以将几串相同的绝缘子并联使用 装设均压环 补偿部分对地电容电流 改善电压分布 提高闪络电压 如高3 3m的支柱绝缘子 干闪电压为588kV 导线处加装直径为1 5m均压环后 干闪电压提高到834kV 59 4 不同沿面电场分布的比较均匀电场的平均沿面闪络场强最高 具有强垂直分量电场的平均闪络场强最低 在界面具有弱垂直分量的极不均匀电场中 沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压略有减小 而在界面具有强垂直分量的极不均匀电场中 闪络电压最低 60 三 固体介质表面有水膜时的沿面放电洁净的瓷面被雨水淋湿时的沿面放电 由于水膜不均匀和不连续 有水膜的表面电导大 无水膜处电导小 雨中的棒性支柱绝缘子可能闪络途径AB BCA 湿闪络电压只有干闪络电压的40 50 AB BA 空气间隙 湿闪电压降低不多 AB BB 水流 湿闪电压很低 为保证绝缘子表面一部分不直接受雨淋 户外绝缘子安装有伞裙 伞裙突出主干直径的宽度