2 气体击穿理论分析和气体间隙绝缘ppt课件

第二章气体击穿理论分析和气体间隙绝缘,1,第一节气体放电的主要形式简介第二节带电粒子的产生和消失第三节均匀电场中气体击穿的发展过程第四节不均匀电场中的气体击穿的发展过程第五节持续电压作用下气体的击穿特性第六节雷电冲击电压下气体的击穿特性及伏秒特性第七节操作冲击电压下气体的击穿特性第八节SF6和气体绝缘电气设备第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正第十节提高气体介质电气强度的方法第十一节沿面放电和污闪事故,本章主要内容,2,第一节气体放电的主要形式简介,气体放电的概念,气体放电气体中流通电流的各种形式。,正常状态：优良的绝缘体。,在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但这些带电粒子并不影响气体的绝缘。空气的利用：架空输电线路个相导线之间、导线与地线之间、导线与杆塔之间的绝缘；变压器相间的绝缘等。,3,输电线路以气体作为绝缘材料,4,变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料,5,高电压状态,电压升高,达到一定数值,气体中的带电粒子大量增加,电流增大,达到一定数值,气体失去绝缘,击穿（或闪络）,击穿纯空气隙之间。（架空线相间的空气放电）闪络气体沿着固体表面击穿。（气体沿着悬挂架空线的绝缘子串放电）,6,气体放电的相关概念,击穿电压Ub或闪络电压Uf发生击穿或闪络的最低临界电压；击穿场强Eb（均匀电场中的击穿电压）/间隙距离平均击穿场强（不均匀电场中的击穿电压）/间隙距离,7,根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式。利用放电管可以观察放电现象的变化,气体的放电形式,8,当气体压力不大，电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间忽然出现发光现象。特点：放电电流密度较小，放电区域通常占据了整个电极间的空间。霓虹管中的放电就是辉光放电的例子，管中所充气体不同，发光颜色也不同,辉光放电,9,减小外回路中的阻抗，则电流增大，电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大特点：电弧通道和电极的温度都很高，电流密度极大，电路具有短路的特征,电弧放电,10,当外回路中阻抗很大，限制了放电电流时，电极间出现贯通两极的断续的明亮细火花。（大气条件下）特点：具有收细的通道形式，并且放电过程不稳定,火花放电,返回,11,第二节带电粒子的产生和消失,带电粒子的产生和消失是气体放电的根本根源，是分析气体击穿的理论基础；正常时气体中有正负粒子存在，但对气体的绝缘状态没有影响；随着电压升高气体间隙中的带电粒子数量会迅速增加，带电粒子的运动会产生电流。,掌握气体放电时，带电粒子如何产生？放电结束后，带电粒子又如何消失？,12,原子的激励和电离,原子的能级,原子的结构可用行星系模型描述。,原子能量大小的衡量,13,原子的激励,激励(激发)原子在外界因素（电场、高温等）的作用下，吸收外界能量使其内部能量增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道上跳到离原子核较远的轨道上去的过程。,激励能（We）产生激励所需的能量。等于该轨道和常态轨道的能级差。,注意激励状态存在的时间很短（10-710-8s），电子将自动返回到常态轨道上去。原子的激励过程不会产生带电粒子。,14,原子的电离,电离在外界因素作用下，其一个或几个电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。,电离能（Wi）使稳态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需要的最小能量。（电子伏eV）,1eV1V1.610-19C1.610-19J（焦耳）,1V电压,qe：电子的电荷（库伦）,注意原子的电离过程产生带电粒子。,15,表1-1某些气体的激励能和电离能,16,原子的激励与电离的关系,原子发生电离产生带电粒子的两种情况：,原子吸收了一定的能量，但能量不太高,发生激励，跳到更远的轨道,再次吸收能量,发生电离，产生带电粒子,原子吸收直接吸收了足够的能量,发生电离，产生带电粒子,原子的激励过程不产生带电粒子；原子的电离过程产生带电粒子；激励过程可能是电离过程的基础。,激励+电离,直接电离,17,气体中带电粒子的产生,电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同,光电离,碰撞电离,热电离,电极表面电离（阴极表面电离）,负离子的形成,18,气体中带电粒子的产生,电离所获能量形式不同，带电粒子产生的形式不同,光电离,光电离光辐射引起的气体分子的电离过程。,发生光电离的条件式中：h普郎克常数；光子的频率；Wi气体的电离能，eV；c光速=3108m/s；光的波长，m。,光子能量Wh,注意可见光都不可能使气体直接发生光电离，只有波长短的高能辐射线（例如X射线、射线等）才能使气体发生光电离。,19,碰撞电离,碰撞电离由于质点碰撞所引起的电离过程。（主要是电子碰撞电离）,电子在电场强度为E的电场中移过x距离时所获得的动能为：式中:m电子的质量；qe电子的电荷量,若W等于或大于气体分子的电离能Wi，该电子就有足够的能量去完成碰撞电离,发生碰撞电离的条件,20,电子为造成碰撞电离而必须飞越的最小距离：式中：Ui为气体的电离电位，在数值上与以eV为单位的Wi相等。xi的大小取决与场强E，增大气体中的场强将使xi值减小，可见提高外加电场将使碰撞电离的概率和强度增大。,注意碰撞电离是气体中产生带电粒子的最重要的方式。主要的碰撞电离均有电子完成，离子碰撞中性分子并使之电离的概率要比电子小得多，所以在分析气体放电发展过程时，往往只考虑电子所引起的碰撞电离。,21,热电离,热电离因气体热状态引起的电离过程。,发生热电离的条件式中：k波尔茨曼常数；（k=1.3810-23J/K）Wi气体的电离能，eV；T绝对温度，K；,注意分子热运动所固有的动能不足以产生碰撞电离，20oC时，气体分子平均动能约0.038eV。热电离起始温度为103K（727oC）在一定热状态下物质会发出辐射，热辐射光子能量大，会引起光电离,绝对温度和摄氏温度的关系：T绝对=273+T摄氏,22,热电离实质上是热状态下碰撞电离和光电离的综合例如：发生电弧放电时，气体温度可达数千度，气体分子动能就足以导致发生明显的碰撞电离，高温下高能热辐射光子也能造成气体的电离,23,电极表面电离（阴极表面电离）,电极表面电离电子从金属电极（阴极）表面逸出的过程。,逸出功电子从金属表面逸出所需的能量。,逸出功,与表1-1相比较，可知金属的逸出功比气体分子的电离能小得多，表明金属表面电离比气体空间电离更易发生。阴极表面电离在气体放电过程中起着相当重要的作用。,24,电极表面电离按外加能量形式的不同，可分为四种形式,正离子碰撞阴极时把能量传递给金属极板中的电子，使其逸出金属正离子必须碰撞出一个以上电子时才能产生自由电子逸出的电子有一个和正离子结合成为原子，其余成为自由电子。,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。同样的光辐射引起的电极表面电离要比引起空间光电离强烈得多,正离子撞击阴极表面,光电子发射（光电效应）,25,当阴极被加热到很高温度时，其中的电子获得巨大动能，逸出金属表面在许多电子器件中常利用加热阴极来实现电子发射。,当阴极表面附近空间存在很强的电场时（106V/cm数量级），能使阴极发射电子。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。,热电子发射,强场发射（冷发射）,26,负离子的形成,自由电子碰撞中性的分子或原子可能产生的三种结果,电子碰撞中性的分子或原子,发生电离,产生自由电子,情况一,电子碰撞中性的分子或原子,能量不足，撞击后反弹回来,未产生自由电子,情况二,电子碰撞中性的分子或原子,没发生电离，也没被反弹回来,被中性的分子捕捉，成为自己的束缚电子,情况三,形成了负离子,27,附着自由电子与气体分子碰撞时，发生电子与中性分子相结合而形成负离子的过程。,形成负离子时可释放出能量有些气体容易形成负离子，称为电负性气体（如氧、氟、氯等），SF6（绝缘性是空气的3倍，灭弧性是空气的100倍）负离子的形成起着阻碍放电的作用,负离子形成过程的特点,28,带电粒子在气体中的运动,自由行程长度,带电粒子的运动轨迹,当气体中存在电场时，带电粒子将具有复杂的运动轨迹“混乱热运动沿着电场作定向漂移”,自由行程长度带电粒子与气体分子发生第一次碰撞到第二次碰撞所移动的距离。（两次碰撞中未再发生任何碰撞）,29,平均自由行程长度,平均自由行程长度带电粒子单位行程中的碰撞次数Z的倒数。,实际的自由行程长度是随机量，有很大的分散性，任意带电粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与分子的半径和密度有关,粒子的实际自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为,注意：由于电子的半径或体积比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多。,30,又由式中：p气压，Pa；T气温，K；k波尔茨曼常数，（k=1.3810-23J/K）。,由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度式中：r气体分子半径；N气体分子密度。,平均自由行程长度与温度成正比，温度越高气体发散，粒子间距离较远，e越大平均自由行程长度与气压成反比，气压越高，气体分子被得越紧，粒子间距离较近，e越小。,31,带电粒子的迁移率,带电粒子的迁移率k带电粒子在单位场强（1V/m）下沿电场方向的漂移速度。式中：v带电粒子的速度；E电场强度。,注意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。一般电子迁移率比离子迁移率大两个数量级,32,扩散,扩散在热运动的过程中，粒子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的物理过程。,气压越低，温度越高，扩散进行的越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，其扩散速度也要比离子快得多。,扩散的特点,33,带电粒子消失,带电粒子产生和消失的关系,带电粒子产生和消失是同时发生的过程；若产生的带电粒子大于消失的带电粒子，则会促进气体放电过程；若产生的带电粒子等于消失的带电粒子，则会促进气体就处于稳定状态；若产生的带电粒子小于消失的带电粒子，则会阻碍气体放电过程；,34,带电粒子消失的形式,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。,带电粒子因扩散现象而逸出气体放电空间。,扩散的实质某一局部的带电粒子从浓度比较高的区域，扩散到浓度比较低的区域，使得原区域的带电粒子数减少。带电粒子的扩散是由于热运动造成，带电粒子的扩散规律和气体的扩散规律相似气体中带电粒子的扩散和气体状态有关，气体压力越高或者温度越低，扩散过程也就越弱电子质量远小于离子，所以电子的热运动速度高，它在热运动中受到的碰撞也少，因此，电子的扩散过程比离子的要强,35,带电粒子的复合,复合气体中带异号电荷的粒子相遇而发生电荷的传递与中和，还原为分子的过程。（是与电离相反的一种过程）电子复合电子和正离子发生复合，产生一个中性分子离子复合正离子和负离子发生复合，产生两个中性分子带电粒子的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又成为导致电离的因素参与复合的粒子的相对速度越大，复合概率越小。通常放电过程中离子间的复合更为重要带电粒子浓度越大，复合速度越大，强烈的电离区也是强烈的复合区,36,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,掌握非自持放电过程和自持放电过程的概念；汤逊气体放电理论的要点和适用范围；流注气体放电理论的要点和适用范围；,气体的击穿过程与电场分布有很大关系，均匀电场和不均匀电场下气体的击穿过程有很大的不同；均匀电场电场中任一点的电场强度均相同；不均匀电场电场中任一点的电场强度均不相同；,37,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,非自持放电和自持放电,非自持放电去掉外电离因素的作用后放电随即停止；自持放电不需要外界因素，仅由电场作用而维持的放电过程。,非自持放电和自持放电的概念,非自持放电和自持放电的过程,测定气体间隙中电流变化的实验装置通过调节电阻，测量回路电流随电压变化的情况,气体间隙中电流的变化反映放电过程,38,加电场前，外电离因素（光照射）在极板间产生带电粒子，但带电粒子制作杂乱无章的热运动，不产生电流；加电场后，带电粒子沿电场方向定向移动，形成电流。随着电压升高，带电粒子运动速度加快，使到达极板的带电粒子数量和速度不断增大，电流也随之增大。,oa段随着电压升高，电流增大，到达极板的带电粒子数量和速度也随之增大。,均匀电场中气体的伏安特性,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,39,均匀电场中气体的伏安特性,ab段电流趋于饱和，由外电离因素产生的带电粒子已全部进入电极，电流I0大小取决于外电离因素与电压无关。,外电离因素（光照射）的强度一定的情况下，单位时间内产生的带电粒子数量是一定的，由此产生的电流也是一定。I0饱和电流。,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,40,均匀电场中气体的伏安特性,bc段电流又再随电压的增大而增大。发生电子碰撞电离。,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,电压升高,气体间的带电粒子运动速度加快,带电粒子能量（动能）增加,当能量大于极板间空气中原子的电离能,电子碰撞电离，产生大量带电粒子,电流急速增加,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,41,均匀电场中气体的伏安特性,c点U=Uc，电流急剧增大。气体间隙被击穿进入导电状态（自持放电），不再需要任何外界因素（光照射、外加电源）。,c点处的临界电压Uc就是击穿电压Ub，当电压达到Uc后气体即被击穿，由原来的绝缘体变成了导体。,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,42,均匀电场中气体的伏安特性,I0,Ua,Ub,Uc,U,I,均匀电场下气体间隙中电流随电压变化的分析,当产生的电流IIc：非自持放电区；当产生的电流IIc：自持放电区；当施加的电压UUc：气体保持绝缘；当施加的电压UUc：气体被击穿。,Ic,自持放电区,非自持放电区,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,43,（二）汤逊放电理论,20世纪初，汤逊根据大量的试验研究结果，提出了适用于均匀电场、低气压、短气隙时气体放电理论理论认为，电子的碰撞电离(过程）和正离子撞击阴极造成的表面电离（过程）起主要作用提出气隙放电电流和击穿电压的计算公式,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,44,过程（电子崩过程）,电子崩的形成过程,由外电离因素产生一个初始电子,电子数目迅速增加，如同冰山上发生雪崩一样，形成了电子崩,产生正离子和自由电子,原来的电子和新产生的电子继续移动，不断发生电子碰撞电离,电场力作用下，电子沿电场做定向移动,与中性粒子发生电子碰撞,中性粒子发生电离,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,45,电子崩的形状：“崩头大、崩尾小。”电子发生电子碰撞后，电子的速度快，所以会大量的集中在崩头；正离子移动速度较慢，所以缓慢的移向崩尾。,电子崩电子数按几何级数不断增多，像雪崩似的发展。从而形成的急剧增大的空间电子流。,崩头,崩尾,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,46,过程引起的电流,电子碰撞电离系数表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数平均值。即是一个电子在单位长度行程内新电离出的电子数或正离子数。,注意：必须是电子发生碰撞且电离的次数，若电子只发生了碰撞没有导致电离则不能计入中。,的定义,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,47,电子增长规律（n0个电子行进x距离产生的电子数n）令x=d，抵达阳极电子数na,过程的分析（电子崩的计算）,设：在外电离因素光辐射的作用下，单位时间内阴极单位面积产生n0个电子，由于碰撞电离和电子崩得作用下，在距离阴极x处，电子数增至n个。,在dx段上产生的新电子dndnndx,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,48,令x=d，进入阳极的电流（外回路电流）若I0=0，则I=0，既若去掉外界电离因素，气隙中电流为0，气体放电停止。,过程的分析（电子崩的计算）,途中新增的电子数或正离子数n,电子电流增长规律将式两边乘以电子电荷qe式中：I0初始电子引起的初始电流,结论：若只有过程，气体放电是不能自持的。,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,49,的分析,假设电子的平均自由行程为e，运动1cm碰撞次数为1/e，但并不是每次碰撞都引起电离；碰撞引起电离的概率为，xi为电子造成碰撞电离而必须飞跃的最小距离。,根据定义有：式中：A、B与气体种类有关的常数；E电场强度；P气体压力。,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,50,由式，可得结论：,电场强度E增大，则增大；气体压力P很大（电子的平均自由行程e很小）或者气体压力P很小（电子的平均自由行程e很大）时，值都很小。既在高气压或高真空的条件下，气体间隙不易发生放电现象，具有较高的电气强度。,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,51,过程,正离子表面电离系数表示一个正离子沿电场方向由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面电离的电子数。正离子向阴极移动，依靠它所具有的动能及位能，在撞击阴极时能引起表面电离，使阴极释放出自由电子,的概念,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,52,过程和过程引起的电流,设阴极表面单位时间内发射的电子数为nc,nc,外电离因素产生的电子数n0,前一秒钟产生出来的正离子在阴极上造成的二次电子发射所产生的电子数nc(ed1),nc个电子到达阳极后，产生总电子数为：nanced,产生的新正离子数为：ncednc,正离子撞击阴极表面产生的电子数为nc(ed1),每产生一个自由电子的同时，会产生一个正离子,产生的新电子数为：ncednc,正离子沿电场运动，撞击阴极造成二次电子发射,二次电子发射的形成过程,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,53,进入阳极的电流（外回路电流）将上式两边乘以电子电荷qe若=0，则II0ed，即只有过程；若，当I00时，I0若，当I00时，I0,nc个电子行进d距离产生的电子数na已知ncn0nc(ed1)nanced,过程过程的分析,结论：若1(ed1)0，即使I0=0（除去外界的电离因素），放电能维持下去。,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,54,汤逊理论的均匀电场中的电压,汤逊理论的自持放电条件,物理意义：一个电子从阴极到阳极途中因电子崩（过程）而造成的正离子数为ed1，这批正离子在阴极上造成的二次自由电子数（过程）应为(ed1)，如果它等于1，就意味着那个初始电子有了一个后继电子，从而使放电得以自持。,(ed1)1,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,55,当自持放电条件得到满足时，就会形成图解中闭环部分所示的循环不息的状态，放电就能自己维持下去。,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,56,击穿电压、巴申定律,起始电压U0放电由非自持转为自持时的电压。均匀电场中：起始电压U0击穿电压Ub,将计算式代入自持放电条件，并且考虑均匀电场中自持放电的起始场强得：结论：均匀电场中气体的击穿电压Ub是气压和电极间距离的乘积（pd）的函数。,均匀电场击穿电压的推导,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,57,巴申定律巴申实验曲线,击穿电压与pd的规律在汤逊碰撞电离学说提出之前，巴申已从实验中总结出来了，汤逊理论从理论上解释了试验结果。,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,58,巴申定律,从曲线可以看出，存在一个最小值，此时击穿电压最低假设d不变：当气压很小时，气体稀薄，虽然电子自由程大，可以得到足够的动能，但碰撞总数小，所以击穿电压升高当气体增大时，电子自由程变小，得到的动能减小，所以击穿电压升高。总有一个气压对碰撞电离最有利，此时击穿电压最小,第三节均匀电场中气体击穿的发展过程,59,汤逊理论的适用范围,适用范围,均匀场、低气压、短气隙pd36.66kPacm(20mmHgcm),局限性,pd较大时，解释现象与实际不符,放电外形汤逊理论解释：放电外形均匀，如辉光放电；pd大时的实际现象：外形不均匀，有细小分支；放电时间：Tpd大T汤逊击穿电压：Ubpd大1MPmm，Ub88.5pd,在稍不均匀电场中击穿场强不与气压成正比，而是增加的少一些。负极性时的击穿电压反而比正极性时低10%左右。,第八节SF6和气体绝缘电气设备,133,极不均匀电场中SF6的击穿特性,电场不均匀程度对SF6击穿电压的影响远比对空气的影响大,异常情况工频击穿电压随气压的变化，曲线存在“驼峰”（0.1-0.2MPa工作气压下）；“驼峰”区雷电冲击电压明显低于静态击穿电压。,注意：SF6只用于均匀或稍不均匀电场，不能用于极不均匀电场。,第八节SF6和气体绝缘电气设备,134,（三）SF6混合气体,纯SF6气体的缺陷,价格高；液化温度不够低；对电场的均匀度太敏感,SF6混合气体,将SF6气体和别的气体（N2、CO2）按一定容积比混合,混合后要考虑的问题：混合后其灭弧性能、绝缘性能如何？混合后气体的物理化学特性如何？（是否极易液化？有毒？）,第八节SF6和气体绝缘电气设备,135,SF6N2混合气体,横坐标：SF6百分含量；纵坐标：混合后气体的击穿场强与纯SF6击穿场强的比值,当SF6占80%，N2占20%时：混合气体的击穿场强还是纯SF6击穿场强的90%以上；当SF6占60%，N2占40%时：混合气体的击穿场强是纯SF6击穿场强的90%左右；,SF6N2混合气体特点：能较好保持纯SF6的绝缘性能；更好的物理化学特性(液化温度低)能取得很大的经济效益。,第八节SF6和气体绝缘电气设备,136,（四）气体绝缘电气设备,封闭式绝缘组合电器（GIS）,GIS由断路器、隔离开关、接地刀闸、互感器、避雷器、母线、连线和出线终端等部件组合而成，全部封闭在充SF6气体的金属外壳中。,GIS具有下列突出优点：大大节省占地面积和空间体积（SF6绝缘性能好，大大减少设备与设备、设备对地的距离）。运行安全可靠。有利于环保，使运行人员不受电场和磁场的影响。安装工作量小、检修周期长。,第八节SF6和气体绝缘电气设备,137,第八节SF6和气体绝缘电气设备,500kV户外GIS,138,第八节SF6和气体绝缘电气设备,500kV户内GIS,139,气体绝缘管道输电线（GIC）,气绝缘管道输电线亦可称为气体绝缘电缆(GIC），它与充油电缆相比具有如下优点：,电容量小，只有充油电缆的1/4左右，充电电流小，传输距离长；损耗小。充油电缆介质损耗大。传输容量大。常规电缆截面不超过2000mm2,第八节SF6和气体绝缘电气设备,140,隧道中SF6绝缘电缆,第八节SF6和气体绝缘电气设备,141,气体绝缘变压器（GIT）,气体绝缘变压器与传统的油浸变压器相比，有以下主要优点,GIT是防火防爆型变压器，特别适合城市高层建筑的供电和用于地下矿井等有防火防爆要求的场合。气体传递震动的能力比液体小，所以GIT的噪声小于油浸变压器。气体介质不会老化，简化了维护工作。,第八节SF6和气体绝缘电气设备,返回,142,第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正,我国的国家标准规定的标准大气条件：压力：P0=101.3KPa（760mmHg）温度：t0=20或T0=293K绝对湿度：h0=11g/m3(每立方米水蒸气11克）,在实际试验件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0之间的换算关系：式中：Kd空气密度校正因数；Kh湿度校正因数。,注意：空气密度的变化实际上是压力和温度的变化,143,式中：p气压，kPa；T温度，K。,第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正,（一）空气密度的校正,空气的密度与压力和温度有关,空气的相对密度,大气条件下，气隙的击穿电压随的增高而提高。,密度增加,气体被压紧，气隙之间距离很短,虽然自由电子碰撞次数多，但自由行程短，碰撞有效性差,电离数很低,击穿电压高,144,实验表明，当处于0.951.05的范围内时，气隙的击穿电压几乎与成正比，即此时的空气密度校正因数Kd，因而,UU0,对更长空气间隙来说，击穿电压与大气的关系并不是一种简单的线形关系。而是随电极形状、电压类型和气隙长度而变化的复杂关系。,Kd计算式,式中：m、n与电极形状、气隙长度、电压类型及极性有关，值在0.41.0的范围内变化,第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正,145,（二）湿度的校正,大气的湿度越大，气隙的击穿电压增高大气中的水分子能够俘获自由电子而形成负离子，对气体的放电过程起着抑制作用均匀和稍不均匀电场中，湿度影响不太明显均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气隙的电场强度都很大，电子运动速度较快，不易被水分子俘获极不均匀电场中，湿度影响很明显极不均匀电场中，放电开始时，电场强度比较低，出现电晕放电，这时电子运动速度较慢，容易被水分子俘获修正式：Kh=k,式中：k与绝对温度和电压类型有关，指数之值取决于电极形状、气隙长度、电压类型及其极性。,第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正,146,（三）海拔高度的校正,海拔高度越大，气隙的击穿电压越低,海拔越高空气越稀薄大气压力和相对密度越小击穿电压降低,我国国家标准规定：对于安装在海拔高于1000m、但不超过4000m处的电力设施外绝缘，其试验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压Up乘以海拔校正因数Ka,U=KaUp,式中：H安装点的海拔高度，m。,第九节大气条件对气隙击穿特性的影响及其校正,返回,147,第十节提高气体介质电气强度的方法,（一）两个途径,改善电场分布，使之尽量均匀（内因）利用其它方法来削弱气体中的电离过程（外因）,（二）方法,改善电场分布的方法,改进电极形状利用空间电荷畸变电场采用屏障,148,第十节提高气体介质电气强度的方法,削弱气体电离过程的方法,采用高气压采用高电气强度气体采用高真空,149,改进电极形状,增大电极曲率半径减小表面场强。如变压器套管端部加球形屏蔽罩,改善电极边缘电极边缘做成弧形,使电极具有最佳外形如穿墙高压引线上加金属扁球；,第十节提高气体介质电气强度的方法,150,第十节提高气体介质电气强度的方法,利用空间电荷畸变电场,极不均匀电场中击穿前发生电晕放电，利用放电产生的空间电荷改善电场分布，使电场均匀度提高，从而提高击穿电压；直径D20、16mm时，击穿电压曲线的直线部分和棒一板间隙相近导线直径减为3mm以至0.5mm时，击穿电压曲线的直线部分陡度大为增加，曲线逐渐与均匀电场中的相近“细线效应”,当导线直径减小到一定程度后，气隙的工频击穿电压会随导线直径的减小而提高，出现所谓“细线效应”。,151,极不均匀电场中采用屏障,在电场极不均匀的气隙中，放入薄片固体绝缘材料（例如纸或纸板），在一定条件下，可以显著提高气隙的击穿电压。,屏障作用的原理,x,棒极附近产生电晕，产生带电粒子,正离子沿电场向负极板运动,正离子遇到固体绝缘材料被拦截下来,均匀的排列在固体绝缘材料的左侧,使材料右侧的电场变得均匀，形状像均匀电场，提高击穿电压,屏障作用：积聚空间电荷，改善电场分布,第十节提高气体介质电气强度的方法,152,极不均匀电场中采用屏障,影响屏障气隙的击穿电压的因素：屏障位置及棒电极的极性,当棒为正极性屏障在间隙的任何位置都会增加击穿电压值。当时最有利；当棒为负极性屏障离棒极很近时，有一定的屏障效果；屏障离开棒电极一定距离，设置屏障反而降低间隙的击穿电压,第十节提高气体介质电气强度的方法,153,极不均匀电场中采用屏障,工频电压下屏障的作用设置屏障可以显著提高间隙的击穿电压。雷电冲击电压下屏障的作用棒电极具有正极性时，设置屏障可显著提高间隙的击穿电压棒极性为负时设置屏障后，间隙的击穿电压和没有屏障时相差不多,第十节提高气体介质电气强度的方法,154,采用高气压,原理：减小电子的平均自由行程，削弱电离过程例：大气压力下空气的电气强度仅约为变压器油的1/51/8，提高压力至11.5MPa，空气的电气强度和一般的液、固态绝缘材料如变压器油、电瓷、云母等的电气强度相接近高气压下应尽可能的改善电场分布，使电场均匀，否则用高气压来提高击穿电压的效果不明显因为电场的不均匀对击穿电压的影响比大气压对击穿电压的影响要大得多。压缩空气绝缘及其它压缩气体绝缘在一些电气设备中已得到采用。如高压空气断路器、高压标准电容器等,第十节提高气体介质电气强度的方法,155,采用高电气强度气体,高电气强度气体含卤族元素的气体化合物，如六氟化硫（SF6）、氟利昂（CCl2F2）等，其电气强度比空气要高很多。,含有卤族元素，气体具有很强的电负性，气体分子容易和电子结合成为负离子，削弱电子的碰撞电离能力，同时又加强复合过程气体的分子量比较大，分子直径较大，电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，从而减少其碰撞电离能力电子和这些气体的分子相遇时，还易于引起分子发生极化等过程，增加能量损失，从而减弱其碰撞电离能力,卤化物气体电气强度高的原因,第十节提高气体介质电气强度的方法,156,采用高真空,采用高度真空可以提高气隙的击穿电压的原因：削弱间隙中的碰撞电离过程，从而显著增高间隙的击穿电压。,仅某些特殊领域，如真空断路器中用作灭弧和绝缘,真空断路器,第十节提高气体介质电气强度的方法,157,小结,纯空气隙击穿理论,与电场均匀度有关,均匀电场,汤逊理论,流注理论,内容：过程过程,自持放电条件：(ed1)1,适用范围：低气压、短气隙,内容：电子崩流注过程,自持放电条件：ed常数,适用范围：高气压、长气隙,不均匀电场,电晕放电：极不均匀电场特有的自持放电现象,极性效应,正棒负板,电晕起始电压高,间隙击穿电压低,负棒正板,电晕起始电压低,间隙击穿电压高,158,小结,纯空气隙击穿理论,与电压类型有关,静态击穿电压（直流、工频）,放电时间足够，击穿电压有确定值,标准波形,U50%：击穿百分比为50%的击穿电压,v-t特性：气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。用于绝缘配合,雷电冲击击穿电压,特点,邻近效应：接地物体靠近放电间隙降低正极性击穿电压，提高负极性击穿电压,非周期性双指数衰减波,衰减震荡操作冲击波,饱和现象：增大气隙的长度，不能提高其击穿电压。,波形U形曲线：一定波前时间内，U50%比工频击穿电压低,操作冲击击穿电压,标准波形,非周期性双指数衰减波,雷电截波,159,小结,纯空气隙击穿理论,与气体状态有关,空气密度,相对密度,空气湿度,影响：气隙的击穿电压随的增高而提高,影响：湿度越大，气隙的击穿电压增高,校正：Kh=k,海拔高度,空气,SF6,物理化学特性：无色、无味，化学性能稳定,绝缘特性：击穿电压是空气的3倍，灭弧性能大约是空气的100倍,混合气体：较好保持纯SF6的绝缘性能；更好的物理化学特性(液化温度低);能取得很大的经济效益,气体绝缘电气设备：封闭式绝缘组合电器、气体绝缘变压器、气体绝缘管道输电线,校正：UU0,影响：海拔高度越大，气隙的击穿电压越低,校正：U=KaUp,与气体种类有关,160,小结,提高气体介质电气强度的方法,改善电场分布,改进电极形状,使电场分布更加均匀,利用放电产生的空间电荷改善电场分布，使电场均匀度提高,采用高气压,减小电子平均自由行程，削弱电离过程,积聚空间电荷，改善电场分布,利用空间电荷畸变电场,利用屏障,削弱气体电离过程,采用高电气强度气体,削弱间隙中的碰撞电离过程,采用高真空,卤族元素：很强的电负性；分子直径大，电子自由行程短；易发生极化现象,161,第十一节沿面放电和污闪事故（教材P22）,（一）沿面放电的一般概念,沿面放电沿着固体介质表面的气体发生的放电,闪络沿面放电发展到贯穿性的空气击穿导体都要靠固体绝缘装置（各类绝缘子）固定，同时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落。,162,第十一节沿面放电和污闪事故,注意沿面闪络电压比气体或者固体单独存在时的击穿电压都要低；在表面潮湿污染的情况下，沿面闪落电压会更低。一个绝缘装置的实际耐压能力取决于它的沿面闪络电压。,163,（二）沿面放电的类型和特点,沿面放电与固体介质表面的电场分布有很大关系,界面电场分布的三种典型情况,固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，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。此时沿面放电特性与均匀电场的情况相似。,界面气体介质与固体介质的交界面,第十一节沿面放电和污闪事故,164,固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量En比平行于表面的切线分量Et大得多,电极,固体介质,类似于变压器用电容套管,第十一节沿面放电和污闪事故,165,固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的水平分量Et比垂直分量En大得多,电极,固体介质,类似于支持绝缘子,电极,复合支持绝缘子,户外高压支持绝缘子,第十一节沿面放电和污闪事故,166,沿面放电的特性,均匀和稍不均匀电场中的沿面放电,放电特点：放电总发生在沿着固体介质表面，且放电电压比纯空气间隙的放电电压要低.,原因,固体介质与电极表面没有完全密合存在小气隙,或介面有裂纹,小气隙存在,形成(气体固体气体)串联回路,电场强度与介电常数成反比且气体介电常数小,小气隙中电场强度大,小气隙内先发生放电，产生带电粒子,带电粒子在电场作用下沿固体介质表面运动,固体介质表面电场变得不均匀，导致沿面闪络电压低,所以放电总发生在沿着固体介质表面,第十一节沿面放电和污闪事故,167,介质表面易吸收水分，形成一层很薄的膜，水膜中的离子在电场作用下向两极移动，易在电极附近积聚电荷，使介质表面电场不均匀，降低闪络电压，导致放电总发生在沿着固体介质表面。,介质表面不可能绝对光滑及介质表面电阻不均匀，使表面电场不均匀，降低闪络电压，导致放电总发生在沿着固体介质表面。,第十一节沿面放电和污闪事故,168,极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电（套管）,放电过程,外加电压较低，首先在电场强的法兰盘处发生电晕放电,辉光放电,外加电压升高，电晕放电延伸,滑闪放电,电压超过某一值,电压微小升高，滑闪迅速延伸，贯穿两极,沿面闪络,强垂直场强分量作用使带电粒子不断摩擦介质表面局部温度升高个别地方发生热电离出现明亮的树枝状放电,第十一节沿面放电和污闪事故,169,极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电（绝缘子）,注意由于界面上电场垂直分量很弱，因此不会出现热电离和滑闪放电平均闪络场强比均匀电场时低得多；但大于前一种有滑闪放电的情况,放电过程,电晕放电,辉光放电,外加电压升高，电晕放电延伸,电压超过某一值,沿面闪络,第十一节沿面放电和污闪事故,170,（三）沿面放电电压的影响因素和提高方法,影响因素,固体介质材料,亲水性介质表面易吸潮介质表面电阻下降沿面闪络电压下降憎水性介质表面不易吸潮沿面闪络电压提高,取决于材料的亲水性或憎水性,第十一节沿面放电和污闪事故,171,电场形式,相同的表面闪络距离下，均匀电场和稍不均匀电场中的沿面闪络电压最高；在极不均匀电场中，沿面闪络电压比同样距离的纯空气间隙的击穿电压降低得较少，因而单纯靠增大极间距离等措失提高沿面放电电压的可能幅度也不大；只有采取防治或推迟滑闪放电的措施才能收到效果。,第十一节沿面放电和污闪事故,172,提高沿面放电电压的方法,以套管为例（具有强垂直分量的极不均匀电场）,等值电路分析电流：导线与法兰两极间的电流沿绝缘表面经过Rs流到各C0；电压：表面各处电流不同，越靠近法兰电流越大，单位长度压降也大，使得表面电压分布不均匀；场强：法兰附近，电场强度大，其垂直分量也大，极易发生滑闪放电。,Rs表面电阻；C0瓷套对地电容；Gr体积电导(0)；,第十一节沿面放电和污闪事故,173,提高方法,加大法兰处瓷套的外直径和璧厚,外直径璧厚增加,减小对地电容C0,分流作用减小,表面电流更均匀电压分布更均匀,沿面电场更均匀,沿面闪络电压提高,第十一节沿面放电和污闪事故,174,在法兰处电场强度较强的瓷套外表面涂上半导体漆或半导体釉,涂半导体漆（釉）,减小法兰附近表面电阻,法兰附近压降减小,表面电场分布更加均匀,沿面闪络电压提高,第十一节沿面放电和污闪事故,175,（四）固体表面有水膜时的沿面放电,湿闪电压