第一章气体放电

1-4不同电压形式下空气间隙的击穿,1-2均匀电场的放电,1-3不均匀电场的放电,1-1气体中带电质点的产生与消失,1-5大气条件对空气击穿电压的影响,1-6提高气隙击穿电压的措施,1-7沿面放电与污秽放电,1-8SF6气体的绝缘特性,第一章气体放电,第一章气体放电,一、气体放电的一般分类气体放电,气体放电统称为放电（discharge),二、绝缘的一般分类（*）,对变压器绝缘,对有绕组设备,1-1气体中带电质点的产生与消失一、气体中带电质点的产生(游离或电离)、碰撞游离、光游离、热游离、表面游离,1.碰撞游离自由行程:质点两次碰撞之间的距离。平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温度成正比。2光游离各种短波长的高能辐射线，如宇宙射线，紫外线、线、X线等才有使气体产生光游离的能力。由光游离产生的自由电子称为光电子。,3.热游离热游离是在热状态下产生碰撞游离和光游离的综合。4.表面游离如将金属电极加热，正离子撞击阴极、短波光照射电极及强电场的作用等，都可以使阴极发射电子。,二、气体中带电质点的消失(去游离)1.漂移(定向运动消失于电极)2.扩散3.复合4.吸附效应,1.漂移(定向运动消失于电极)电流的大小取决于带电质点的浓度及其在电场方向的速度。2.扩散气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。3.复合强烈的游离区总是强烈的复合区。通常以异性离子间的复合更为重要。值得注意的是：光辐射在一定条件下又可能成为导致光游离的因素。,4.吸附效应容易吸附电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧、氯、氟、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体。,一、气体放电过程的一般描述1、自持放电与非自持放电（汤逊放电实验，在均匀电场中)(1)线性段(2)饱和段(3)游离段(4)自持段,1-2均匀电场的放电,实验图,+,-,V,A,U,外界光照射,图1-2实验原理接线图,自持放电：仅需外加电场就能维持的放电过程,非自持放电：需要外游离因素和外加电场共同作用维持的放电过程,2、气体放电后的形式,二、气体放电理论1、汤逊理论(1)电子崩及过程电子碰撞游离系数，表示一个电子沿着电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。与气体的种类、相对密度和电场强度有关。,（2）过程正离子碰撞游离系数，表示一个正离子沿电场方向行进的过程中，在单位距离内平均发生碰撞游离的次数。值极小，在分析时可予忽略。(3)过程正离子的表面游离系数，表示一个正离子在电场作用下由阳极向阴极运动，撞击阴极表面产生表面游离的电子数。,（4）汤逊自持放电条件（eas一1)1物理意义？（5）巴申定律Ub=f(pd)式中P气压（Pa）d极间距(cm),巴申定律曲线呈U型，可解释如下：1、当d一定时P电子动能气体游离能力击穿电压Ub反之P碰撞次数击穿电压Ub,2、当P一定时d要维持足够的电场强度必须升高电压反之d当与平均可比拟时电子走完全程中的碰撞次数Ub,（6）适用范围及局限性解释低气压、短间隙、均匀电场中的放电现象，即pd较小时。在解释大气中长间隙放电过程时，发现有以下几点实验现象无法全部在汤逊理论范围内给予解释：放电时间阴极材料的影响放电外形,2、流注理论该理论认为：电子的碰撞游离和空间光游离是形成自持放电的主要因素，并且强调了空间电荷对电场的畸变作用。（1）空间电荷对电场的畸变（2）流注的形成正流注的形成,初崩产生大量空间电荷电场分布被畸变崩头、崩尾电场增强（使游离更强烈），崩内电场削弱（使复合更容易）向空间辐射大量光子光游离产生光电子被主崩正离子吸引二次崩产生与主崩汇合形成流注（导电性好）流注迅速发展流注贯穿两极间隙击穿（正流注的形成）负流注（略）,（3）流注自持放电条件初崩头部的电荷达到一定的数量（一般认为当ad20或ed=108）时便可以形成流注，而流注一旦形成，放电就可以转入自持。（4）适用范围及局限性适用于长间隙、大气压，即pd较大的情况。汤逊理论与流注理论互相补充，从而在广阔的pd范围内说明了不同的放电现象。,棒-棒间隙,棒-板间隙,图1-9不均匀电场的几种典型形式,1-3不均匀电场的放电过程,电场的不均匀程度一般可用电场不均匀系数f来描述:其中,Emax为最大场强，Eav为平均场强。,其中，U为间隙上外加的电压,d为间隙间的最小距离。一般地，对均匀电场f=1，对稍不均匀电场14。,一、电晕放电1.电晕放电的概念不均匀电场中，气隙上电压升高至某一临界值时，在曲率半径较小的尖电极附近空间，局部场强将首先达到引起强烈游离的数值，在这局部区域内形成自持放电。,2、电晕放电的现象薄薄的淡淡的发光层;伴有“咝咝”放电声;发出臭氧气味。3、电晕放电的危害引起能量损耗；干扰周围无线电通信和测量；腐蚀有机绝缘材料和金具噪声干扰。,4、限制措施最有效的措施就是增大电极的曲率半径，改进电极形状。例如超（特）高压线路采用分裂导线;有些高压电器采用空心薄壳的，扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的电极;采用管型空心硬母线等。,二、极不均匀电场中气隙的击穿过程和极性效应（以棒一板电极为例）极性效应：（一）短间隙的击穿1、正棒负板2、负棒一正板,极性效应：在间隙距离相同时UC(+)UC(-)Ub(+)Ub(-)式中UC电晕起始电压Ub击穿电压,（二）长间隙的击穿（d1m时）1.先导放电阶段具有热游离过程的通道称为先导通道。2.主放电阶段,小结：a、长间隙的放电通常分为电子崩、流注、先导放电和主放电四个阶段。b、短间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电三个阶段。c、由于间隙越长，先导过程与主放电过程就发展得越充分，所以长间隙的平均击穿场强比短间隙的平均击穿场强低。,1-4不同电压形式下空气间隙的击穿,气隙的击穿电压与电场均匀程度、电极形状、极间距、气体的状态以及气体种类有关。除此而外，气隙的击穿电压还与外加的电压形式（这里指直流电压、交流电压、雷电冲击电压、操作冲击电压等）有非常大的关系。按作用时间的长短，外加电压形式可分为两类：一类称为持续作用电压（这类电压持续时间较长，变化速度较小，如直流电压和工频电压）;另一类称为冲击电压（这类电压持续时间极短，以s计，变化速度很快，如雷电冲击电压和操作冲击电压）。在持续作用电压下，间隙放电发展所需的时间可以忽略不计，此时仅需考虑其电压大小即可。但是在冲击电压下，电压作用时间短到可以与放电需要的时间相比拟，这时放电发展所需的时间就不能忽略不计了。,一、冲击电压作用下气隙的击穿特性及相关概念1、放电时间间隙击穿的必要条件足够的电压充分的时间放电时间tb=t0+ts+tf=t0+tlagtb放电时间;t0升压时间,电压从零升高到U0所需的时间;ts统计时延,从电压升到U0的时刻起到气隙中形成第一个有效电子的时间;tf放电形成时延,从形成第一个有效电子的时刻起到气隙完全被击穿的时间;t1ag放电时延,t1ag=ts+tf。,2、冲击电压的标准波形（IEC规定）标准雷电冲击电压波形：1.2/50s标准操作冲击电压波形：250/2500s,3、U50%及冲击系数多次施加某冲击电压时，放电的概率约为50%，称为U50%。,冲击系数,式中，U0最低静态击穿电压,在均匀电场和稍不均匀电场中，1，且击穿通常在波头附近,在极不均匀电场中，1，且击穿通常在波尾部分,4、伏秒特性（1）伏秒特性的概念及其绘制方法概念：工程上用气隙出现的电压最大值和放电时间的关系来表示气隙在冲击电压下的击穿特性。绘制方法,（2）伏秒特性的形状对均匀或稍不均匀电场：较为平坦，分散性也较小对极不均匀电场：较为陡峭，分散性也较大,（3）伏秒特性的意义能够全面反映间隙在冲击电压作用下的击穿特性。是电力系统防雷设计中绝缘配合的依据。,（4）对绝缘配合的要求保护设备绝缘的伏秒特性曲线的上包线始终低于被保护设备的伏秒特性曲线的下包线保护设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些，即采用电场比较均匀的绝缘结构。,二、不同电压形式下气隙的击穿电压1、均匀电场中（无极性效应）在不同形式电压下，其击穿电压相同（冲击系数等于1），分散性也很小。在标准大气条件下，均匀电场中空气的电气强度约为30kV/cm（峰值）。,2、稍不均匀电场中（有弱极性效应）与均匀电场类似，但在电场不对称时，有较弱的极性效应，且与极不均匀电场中的极性效应相反。,3、极不均匀电场中（1）直流电压下（有极性效应）同样间隙距离下不同间隙类型的击穿电压比较：负棒正板棒棒正棒负板（2）工频电压下（有极性效应，击穿电压峰值稍低于直流击穿电压）棒板间隙的击穿总是在棒极性为正、电压达峰值时发生。,（3）雷电冲击电压下（有极性效应，长间隙时击穿电压与气隙距离呈线性关系）（4）操作冲击电压下（有极性效应，长间隙时呈现“饱和”效应和“U”型关系，对330KV超高压系统的绝缘设计起主要的决定作用）,一、气压、温度对击穿电压的影响,式中空气的相对密度;p实际大气条件下的气压，kPa;t实际大气条件下的温度，;,Ub,t,1-5大气条件对空气击穿电压的影响,海拔高度H,P,Ub,二、湿度对击穿电压的影响,在均匀或稍不均匀电场中，湿度对气隙击穿电压的影响可忽略不计。,在极不均匀电场中,湿度增大后，气隙击穿电压随之提高。,三、海拔高度对击穿电压的影响,途径有二：一是改善电场分布，使之尽量均匀;二是削弱气隙中的游离过程。具体措施有五：一、改善电场分布，使之尽量均匀（1）改变电极形状（2）细线效应,1-6提高气隙击穿电压的措施,（3）采用绝缘屏障,+,电极,d1,屏障,-,电极,无屏障,有屏障,屏障布置图,二、削弱气体的游离过程,采用高气压,采用高真空,采用高电气强度气体,沿面放电与污秽放电,击穿,闪络,：,沿着固体表面的气体放电（沿面放电），当沿面放电贯穿两电极时，称为闪络。,：,单一气体间隙的绝缘被破坏。,1-7沿面放电与污秽放电,极间距离d相同时：击穿电压(Ub)与闪络电压(Uf)的比较：,因此，电力系统中的绝缘事故大多表现为闪络形式。,一、沿面放电的一般物理过程1、均匀电场,气隙的击穿总是发生在固体介质的表面，且UfE时的沿面放电（如高压套管）,等值电路及分析,提高套管闪络电压的措施（）减小C0,如加大法兰处的套管外径;适当减小靠近法兰处的表面电阻，如涂半导体漆或釉。思考：在DC和AC作用下，套管的沿面闪络电压是否相等?其大小关系？,（2）EE时的沿面放电（如支柱绝缘子）,提高支柱绝缘子闪络电压的措施：（）改进电极的形式，改善电场分布，如装屏蔽罩和均压环等。,二、线路悬式绝缘子串的电压分布问题的提出:每片绝缘子承担的电压是否相等？绝缘子串片数：35kv:3片；110kv:78片；220kv:1314片；500kv:2830片。绝缘子串电压分布不均匀的原因：绝缘子金具对地具有电容。一般C=50-75Pf,=3-5Pf，Cc=0.3-1.5Pf,C每片绝缘子自身的电容，CE每片绝缘子对地的电容，CL每片绝缘子对导线的电容,一般地，CCECL结论：由于CE与CL的存在，使得在AC下沿绝缘子串的电压分布不均匀，呈“U”型分布，且靠近导线的绝缘子承受的电压最高。（）改善措施：对330KV的线路在绝缘子串导线端安装均压环。（）,三、绝缘子的电气性能问题的提出：户外绝缘子的形状为何总做成伞裙状（通常，伞宽:伞距=1:2）？下表面做成凸起的棱幻灯片94?,干闪电压,湿闪电压,污闪电压,：,清洁、表面干燥绝缘子的闪络电压,清洁、表面严重受潮（比如雨淋）绝缘子的闪络电压,污秽绝缘子在表面受潮情况下的闪络电压,衡量绝缘子的电气性能,：,：,结论:通常，干闪电压湿闪电压污闪电压。但是当绝缘子串长度较长时，湿闪电压反而超过干闪电压。（）,四、污秽闪络1、污闪的一般过程（条件）绝缘子自然污秽或人工污秽表面沉积污秽物毛毛雨、雾、露、融雪、溶冰污秽物湿润污秽物电导表面泄漏电流。（？，机理尚不成熟）沿面闪络（污闪）,2、污闪的危害会造成大面积、长时间的停电，现被列为电力系统头号安全大敌。污秽绝缘水平已成为选择超高压、特高压系统外绝缘水平的决定性因素。,典型案例最早污闪事故：英国伦敦（雾都，工业革命）1974年沈阳、抚顺地区大面积污闪，工业损失3000多万元1990年2月华北电网大面积污闪，500kV全部污闪，损失电量1200万度，损失6000多万元1999年3月华北、山东及其他地区电网大面积污闪事故,3、绝缘子污秽程度的表征等值盐密（ESDD）它指的是绝缘子每平方厘米表面沉积的等效NaCl毫克数（mg/cm2）。,4、污闪的防止措施（）规划设计时，应采用适当的爬电比距。爬电比距（）绝缘子的相对地之间的爬电距离与系统最高工作线电压的比值（cm/kV）。定期清扫或采用带电水冲洗。,增加绝缘子片数或采用防污型绝缘子（即增大爬距）在绝缘子表面涂憎水性涂料，如RTV涂料(5)硅橡胶增爬裙(6)选用新型的合成绝缘子,填充层,粘接剂,金具,其他附件,玻璃钢芯引拔棒,硅橡胶伞裙和护套,基本结构,课堂思考题：下列哪几种情况容易出现污闪