第3讲-气体电介质的绝缘特性(二)分解.ppt

高电压技术 第2讲回顾 带电粒子的产生与消失汤逊理论巴申定律汤逊理论的适用范围 第3讲气体电介质的绝缘特性 二 1 2 5流注理论 在高气压长间隙条件下的气体放电理论特点 认为电子碰撞电离及空间光电离是维持自持放电的主要因素 并强调了空间电荷畸变电场的作用通过大量的实验研究 主要在电离室中进行的 说明放电发展的机理 电离室 电离室结构示意图1 照射火花间隙 2 石英窗 3 电极4 玻璃壁 5 橡皮膜 6 绝缘柱 研究放电时的电路图N 电离室 S 火花间隙 L L K 短路回路 电子崩阶段空间电荷畸变外电场流注阶段光电离形成二次电子崩 等离子体 1 电子崩阶段 a 初始电子崩 电子崩头部接近阳极时 崩头电子和崩尾正离子数目总数剧增 崩头崩尾电场都急剧增强 那么崩头的强烈电离也伴随强烈的激励和反激励 并向周围放射光子 崩中部的弱电场也为分子吸附电子及正负离子复合提供条件 强烈的复合也放射出大量光子 一 流注理论 b 二次电子崩 光子使附近的气体因光电离而产生二次电子它们崩尾局部增强的电场中 又形成新的电子崩 即二次电子崩 2 流注的形成和发展 二次电子崩中头部的电子向初始电子崩的正空间电荷区域运动 并与之汇合成为充满正负带电粒子混合通道 且通道中正负粒子密度大致相等 这种等离子体 流注 流注是导电良好的等离子体 其头部又是二次电子崩形成的正电荷 因此流注头部前方电场大为增加 电离过程更激烈 3 间隙的击穿 流注不断向阴极方向发展 流注通道不断延伸流注发展到阴极 间隙被导电良好的等离子通道所贯通 间隙击穿从整个间隙的放电发展来看 二次电子崩是逐步由阳极向阴极扩展的 这一个过程称为正流注 即从正极出发的流注 在电离室中得到的初始电子崩照片图a和图b的时间间隔为1 10 7秒p 270毫米汞柱 E 10 5千伏 厘米 初始电子崩转变为流注瞬间照片p 273毫米汞柱E 12千伏 厘米 电子崩在空气中的发展速度约为1 25 107cm s 在电离室中得到的阳极流注发展过段的照片正流注的发展速度约为1 108 2 108cm s 自持放电条件 形成流注 空间光电离维持放电 自持放电 如果电场均匀 间隙就将被击穿 所以流注形成的条件就是自持放电条件 在均匀电场中也就是导致击穿的条件 流注形成的条件 足够的空间光游离 较多的初始电子崩 电子崩积累到一定的数量 二 流注理论对高气压 长间隙 pd很大 放电现象的解释 1 放电外形具有通道形式通道电荷密度很大 电导率高 故其中电场强度很小 一旦流注出现 将降低流注头部后方及其周围空间的电场 加强流注前方的电场 这一作用伴随着其前方的发展而更为增强 因而在电子崩转化成流注后 当某个流注由于偶然原因发展更快时 就将抑制其他流注的形成和发展 这个作用随着流注向前推进将越来越强 开始时流注很短 可能有三个 随后减为两个 最后只剩下一个流注贯通整个间隙 树枝状放电与放电发展的抑制 2 放电时间二次电子崩由光电离形成 光子的运动速度比电子快得多 二次电子崩又是在加强了的电场中 所以流注发展速度极快 放电时间特别短3 阴极材料的影响维持放电依靠空间光电离 而不是阴极表面的电离过程 与材料无关 在Pd值较小时 起始电子不可能在穿越极间距离后完成足够多的碰撞电离次数 因而难以聚积到足够的电子数 这样就不可能出现流注 放电的自持只能依靠阴极上的 过程 1 3不均匀电场中气体的击穿 1 击穿电压2 电晕起始电压3 放电不稳定区 d 2D 电场还比较均匀 其放电特性与均匀电场相似 一旦出现自持放电 立即导致整个气隙击穿放电达到自持时 这时和均匀电场中情况类似 1 3 1稍不均匀场和极不均匀场的放电特点 d 4D 电场分布极不均匀 电压达到一定临界值时 曲率半径小的电极附近的强电场区域首先放电 出现碰撞电离和电子崩 甚至产生流注 靠近两个球极的表面出现蓝紫色晕光 并发出 咝咝 声 电晕放电 外加电压进一步增大 电极表面的电晕层扩大 并出现刷状的细火花 刷状放电电压继续升高 火花变长 最终导致气隙完全击穿 d 2D 4D 属于过渡区域 放电过程极不稳定 放电电压分散性很大 由实验可知 随着电场不均匀程度增加 放电现象不相同 电场越不均匀 两球隙间距离越大 电场越不均匀 则击穿电压和电晕起始电压之间的差别也越大 21 从放电的观点来看 电场的不均匀程度也可以根据是否存在稳定的电晕放电来区分 极不均匀电场 d 4D 存在稳定的电晕放电稍不均匀电场 d 2D 4D 虽然电场不均匀 但不存在稳定的电晕放电 放电电压与电晕起始电压重合 电晕一旦出现间隙就立即被击穿 电场不均匀系数ff4时 极不均匀电场 自持放电的条件即是电晕起始条件 由发生电晕击穿的过程还必须提高击穿电压才能完成 23 极不均匀电场中的放电具有如下特征 1 极不均匀电场的击穿电压比均匀电场低 2 极不均匀电场如果由不对称电极形成 则放电有明显的极性效应 3 极不均匀电场具有特殊的放电形式 电晕放电 1 3 2电晕放电现象 电晕放电现象 电极表面电离区的放电过程造成 强电场 电子崩 复合 光辐射 电晕咝咝的电晕噪声 臭氧的气味 蓝紫色的晕光 回路电流明显增加 绝对值仍很小 电晕电极周围的电离区称为电晕层 电晕层以外的电场很弱 不发生强烈的电离 电晕的起始阶段 一系列短促的陡脉冲组成 这与电离的间歇性有关 电晕层中的碰撞电离过程不断产生正 负带电粒子 其中与电极同极性的粒子在电场作用下离开电晕层 逐步走向对面电极 而异号电荷则迅速进入电极 因为电极附近存在较多与电极同极性的带电粒子 导致电极表面场强减小 导致电离停止 等到这些电荷逐渐向外移动及扩散 电场得以重新增强后 电离才再次爆发电晕放电的电流强度 外施电压 电极形状 极间距离 气体性质和密度等因素 电晕电流与能量 a 时间刻度T 125 s b 0 7 A电晕电流平均值 c 2 A电晕电流平均值 电晕放电产生的空间电荷的运动 电晕电流 电晕电流比较小的 但比泄漏电流要大得多 空间电荷的运动需要电源供给能量 输电线路电晕损耗的主要部分 而使空气电离所消耗的能量则比较小 输电线路的电晕放电 导线表面的场强为电晕起始场强 E0的经验公式 m 导线表面的粗糙系数 光滑导线m 1 一般导线m 0 82 0 9 对绞线局部电晕m 0 72 输电线路的电晕不仅与导线的表面状况有关 还与天气状况有关 即导线表面曲率大小 粗糙不平或污秽都会使电晕损耗增加 雨 雪 霜等坏天气时 电晕损耗急剧增加 水滴 电场作用 表面张力 变成锥形 对于500 750kV的超高压输电线路 在天气好时电晕损耗一般不超过几个W km 而在坏天气时 可以达到100W km以上 因此在设计超高压线路时 需要根据不同天气条件下电晕损耗的实测数据和线路参数 以及沿线路各种气象条件的出现概率等对线路的电晕损耗进行估算 随着输电电压的提高 电晕问题也越来越突出 在保持同样电流密度的条件下 导线截面积 导体表面电场 减小电晕的方法 降低导线表面场强的方法 增大线间距离d或增大导线半径r 一般采取适当增大导线直径的办法为节省导线材料 通常采用分裂导线的解决办法 即每相导线由2根或2根以上的导线组成 使得导线表面场强得以降低 电晕影响的两面性 不利影响 能量损失 放电脉冲引起的高频电磁波干扰 化学反应引起的腐蚀作用等有利方面 电晕可削弱输电线上雷电冲击电压波的幅值及陡度 利用电晕放电改善电场分布 提高击穿电压 利用电晕放电除尘与臭氧发生器等 1 3 3极不均匀场中的放电过程 一 非自持放电阶段 高场强 电离 电子崩阳极积聚正电荷 减小了棒极表面附近的电场 略微加强了外部空间的电场 棒极表面附近电场被削弱 难以造成流注 电晕放电难以形成 放电难以自持 二 流注发展阶段 随着电压升高 头部电场增强 新电子崩 流注及其头部的正电荷向前移动 好像把棒极向前延伸 促进流注发展 三 先导放电阶段条件 间隙距离较长 如大于1m 在流注通道还不足以贯通整个间隙的电压作用下 仍可能发生击穿 当外施电压一定时 高电压使棒极附近电场很高 在棒极前方较大范围内都可能产生强烈电离 形成电子崩和流注 通道根部的电子最多 流注根部温度升高 出现热电离 先导通道 具有热电离过程的通道 新的电离过程使电离加强 电导增大 从而加大了其头部前沿区域中的场强 引起新的流注 导致先导通道不断伸长 四 主放电过程先导头部发展到非常接近板极时 小间隙中的高场强引起强烈电离 带电粒子浓度高 新出现的等离子体大致具有极板电位 强电离区迅速向阳极传播 强电离通道也迅速向前推进 主放电过程 主放电通道贯穿电极间隙 击穿 特点 由于其头部场强极大 所以主放电通道发展速度及电导都远大于先导通道 主放电通道 主放电和先导通道的交界区 先导通道 1 3 4极不均匀场中的极性效应 正棒 负板 电子运动速度快 迅速进入棒极 棒极附近积聚起正空间电荷 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结果 1