气体的放电特性PPT学习教案

1、会计学1气体气体(qt)的放电特性的放电特性第一页，共67页。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(txng)电气设备绝缘试验技术电力系统过电压与绝缘配合第1页/共67页第二页，共67页。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(zhn u)电力出版社4.高电压技术 周泽存 中国(zhn

2、u)电力出版社第2页/共67页第三页，共67页。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(fngf)。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第3页/共67页第四页，共67页。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(yn s)，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。第4页/共67页第五页，共67页。6第1节 汤逊理论和流注理论主要内容： 一、非

3、自持(zch)放电和自持(zch)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(zch)放电的条件第5页/共67页第六页，共67页。7一、自持(zch)放电和非自持(zch)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(j chun)，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：放电起始电压第6页/共67页第七页，共67页。8二、汤逊理论 汤逊从均匀电场、低气压、短气隙的气体放电(fng din)实验出发，总结出的气体放电(fng din)理论。1.电子崩的形成 阴极电极表面由于光电离产生电

4、子（起始电子）电场作用(zuyng)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第7页/共67页第八页，共67页。92.三个系数作用：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(d do)阴极后引起阴极发射二次电子的过程（过程）第8页/共67页第九页，共67页。103.均匀电场中电子(dinz)崩的计算dxndnd

5、xndn 或或den解方程得：) 1(1ddeen过程(guchng)电子崩的电子过程(guchng)中产生的离子崩中的正离子数 过程(guchng)在阴极上释放出二次电子数1) 1(de如果(rgu) 便开始转入自持放电阶段因此自持放电的条件为：1) 1(1) 1(0ddxdee第9页/共67页第十页，共67页。113.汤逊理论汤逊理论的实质(shzh)：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第10页/共67页第十一页，共

6、67页。12三、巴申定律(dngl)EBpApe/)()11ln()(ln)() 11ln(1) 1(0/0pdfpdApdBUdApeeUBpdd0/UBpdApeU0：均匀电场中，气体的自持放电的起始(q sh)电压，等于气隙的击穿电压Ub。巴申定律：当气体成分(chng fn)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。第11页/共67页第十二页，共67页。13 由曲线可知，随pd的变化，击穿(j chun)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。第12页/共67页第十三页，共67页。

7、14 巴申定律：Ub=f(pd) 当考虑(kol)温度变化时，可以用气体的相对密度代替大气压力。)( dfUbTpTppTss9 . 2Ts、ps：标准大气压，Ts=293K，ps=101.3kpaT、p：实验(shyn)时大气条件第13页/共67页第十四页，共67页。15四、流注理论1.汤逊理论的不足 汤逊理论适用(shyng)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(tngdo)流注形成第14页/共67页第十五页，共67页。163.流注理论 形成

8、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(chnshng)条件 流注的产生(chnshng)条件即自持放电条件，对于均匀场为： 一般认为当ad20（ead108）便可满足上述条件，使流注得以形成。常数常数de第15页/共67页第十六页，共67页。175.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(pn zhun)电离次数为：

9、汤逊自持放电条件(tiojin)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(tiojin)KdxKd)()(K：电子(dinz)崩中电子(dinz)的临界值取对数，对于SF6，K=10.5。第16页/共67页第十七页，共67页。18第2节 不均匀电场(din chng)中的放电过程稍不均匀电场(din chng)和极不均匀电场(din chng)的放电特点极不均匀电场(din chng)中的电晕放电现象极不均匀电场(din chng)中的放电过程均匀(jnyn)电场不均匀(jnyn)电场稍不均匀(jnyn)电场极不均匀(jn

10、yn)电场第17页/共67页第十八页，共67页。19一、稍不均匀电场(din chng)和极不均匀电场(din chng)1.球隙大小与放电情况之间关系（1）d2D 电场(din chng)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）d4D 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）2Dd4D 过渡区域电压升高不稳定电弧(dinh)电弧(dinh)立刻转换为火花放电气隙完全击穿第18页/共67页第十九页，共67页。202.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

11、分（1）根据是否(sh fu)存在稳定电晕划分存在稳定电晕：极不均匀电场（d4D）不存在稳定电晕，电晕一出现气隙马上击穿：稍不均匀电场（ d2D、2Dd4D）（2）根据电场不均匀系数划分 f=Emax/Eav Eav=U/d f4：极不均匀电场第19页/共67页第二十页，共67页。214.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(fshng)电晕至击穿的过程还必须升高电压才能完成。第20页/共67页第二十一页，共67页。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

12、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(xinggun)。 电晕放电的起始场强：)3 . 01 (3021rmmEcm1：导体表面粗糙(cco)系数，光滑导线为1，绞线为0.80.9。m2：由天气产生的可用系数，好天气为1，坏天气为0.8。第21页/共67页第二十二页，共67页。232.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(jngdin)除尘器、臭氧发生器、静电(jngdin)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

13、分别采用二分裂、四分裂、六分裂导线。第22页/共67页第二十三页，共67页。24四分裂(fnli)导线第23页/共67页第二十四页，共67页。25钢芯铝绞线和扩径钢芯铝绞线第24页/共67页第二十五页，共67页。26三、极不均匀电场中的放电过程1.概述棒板电极(dinj)中，电离首先从棒极开始；放电发展过程与电极(dinj)极性有关；电场极性取决于曲率较小电极(dinj)的极性；在两个电极(dinj)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(dinj)：电晕起始电压较高负极性棒板电极(dinj)：电晕起始电压较低第25页/共67页第二十六页，共67页

14、。272.自持放电后阶段(jidun) 极不均匀电场中，由电晕放电发展到击穿放电的阶段(jidun)。正极性棒板电极：击穿电压较低负极性棒板电极：击穿电压较高第26页/共67页第二十七页，共67页。283.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(zhngg)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第27页/共67页第二十八页，共67页。29第3节 空气间隙在各种电压(diny)下的击穿特性主要内容：一、作用电压(diny)类型 二、空气间

15、隙在稳态电压(diny)下的击穿 三、空气间隙在冲击电压(diny)下的击穿第28页/共67页第二十九页，共67页。30一、作用(zuyng)电压类型稳态电压：直流电压、工频交流电压冲击(chngj)电压：雷电冲击(chngj)电压、操作冲击(chngj)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(n pn)电压作用下的击穿电压是相同的。ddUb66. 655.24d=110cm时，击穿场强约为30kV/cm。第29页/共67页第三十页，共67页。31 2. 稍不均匀电场(din chng)中的击穿（1）球隙 a. dD/4时，电场不均匀程度(chngd)

16、增大，击穿场强下降，出现极性效应；c.球隙测压器的工作范围dD/2；否则因放电分散性增大，不能保证测量的精度。 第30页/共67页第三十一页，共67页。32（2）同轴圆柱 高压(goy)标准电容器、单芯电缆、GIS分相母线（1）r/R0.1时，稍不均匀电场，击穿(j chun)前不出现电晕，且由图可见，当r/R 0.33时击穿(j chun)电压出现极大值（电气设备在绝缘设计时尽量将r/R选取0.250.4的范围内）。 为什么有极大值？ Uc：电晕起始电压(diny)Ub：击穿电压(diny)R：外径r：内径第31页/共67页第三十二页，共67页。333. 极不均匀电场中的击穿“导线导线”可用

17、“棒棒”气隙击穿特性估算( sun)“导线大地”可用“棒板”气隙击穿特性估算( sun) 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(j chun)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(ji y)极性不同的棒板电极之间。第32页/共67页第三十三页，共67页。34“棒-棒”和“棒-板”长空气间隙(jin x)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。

18、（3）工频交流(jioli)击穿特性工频电压下，棒板电极击穿电压与正极性棒板电极直流击穿电压相同；棒棒电极(dinj)工频击穿电压比棒板电极(dinj)击穿电压要高。第33页/共67页第三十四页，共67页。35（4）长空气(kngq)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。第34页/共67页第三十五页，共67页。36二、空气间隙(jin x)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1.2us T2：半峰值时间50us标准(biozhn)波形：1.2/50us（

19、2）冲击(chngj)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第35页/共67页第三十六页，共67页。37（3）雷电50%冲击击穿电压（U50%） 在多次施加同一电压时，其中(qzhng)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(jin x)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”第36页/共67页第三十七页，共67页。38（4）伏秒特性定义：在同一(tngy)冲

20、击电压波形作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时间之间的关系曲线，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第37页/共67页第三十八页，共67页。39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(shbi)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(shbi)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。第38页/共67页第三十九页，共67页。402.操作(cozu)冲击电压下的击穿非周期(zhuq)双指数冲击波：波前时间：Tcr=250us 半峰值时间：T2=2500us记做250/250

21、0us衰减震荡波：第一个半波的持续时间为20003000us，第二个半波为反极性，峰值约占第一个半波峰值的4/5。第39页/共67页第四十页，共67页。41（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,极不均匀场长气隙击穿呈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(boh)”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比雷电冲击电压下大得多。第40页/共67页第四十一页，共67页。42第4节 大气

22、条件对气隙击穿(j chun)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0UKKUhdU0：标准大气压下的击穿(j chun)电压Kd：空气密度校正系数Kh：湿度校正系数第41页/共67页第四十二页，共67页。43一、空气密度的校正(jiozhng)Tp9 . 2 当空气相对密度在0.951.05范围内变动时，气隙的击穿电压(diny)与其密度成正比，及kd0UU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(lidin)冲击电压）的情况。其余情况：nmdttppK)273273()(00 m、n与电极形状、极间距离、电压种类及极性有关

23、，其值在0.41.0之间。第42页/共67页第四十三页，共67页。44二、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1000m4000m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(xsh)的乘积。kKhpaUKU 4101 . 11HKa第43页/共67页第四十四页，共67页。45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，

24、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(dinl)过程第44页/共67页第四十五页，共67页。46一、改善电场分布1.改进电极形状(xngzhun)以改善电场分布 增大电极的曲率半径、改善电极边缘形状(xngzhun)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(lyng)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23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。第45页/共67页第四十六页，共67页。47二、削弱或抑制电离

25、过程(guchng)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。第46页/共67页第四十七页，共67页。48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(jimin)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第47页/共67页第四十八页，共67页。49一、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(xinxing)，它是一种持殊的

26、气体放电。绝缘子（绝缘支柱）：支撑(zh chng)、悬挂高压导体套管：固定高压导体固体(gt)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。绝缘子套管第48页/共67页第四十九页，共67页。50二、沿面放电界面电场分布(fnb)与特点界面电场分布可以分为上述三种典型(dinxng)情况。第49页/共67页第五十页，共67页。511. 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

27、：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(jio d)。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。第50页/共67页第五十一页，共67页。52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(jnm)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。第51页/共67页第五十二页，共67页。532.极不均匀电场(din ch

28、ng)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(ynq)介质表面的电压分布不均匀造成的。第52页/共67页第五十三页，共67页。54放电只和电场分布有关，而与电极(dinj)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。第53页/共67页第五十四页，共67页。55（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

29、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(dinj)绝缘的出槽口处涂半导体漆等。 增加套管长度并不会提高其沿面闪络电压。第54页/共67页第五十五页，共67页。563.极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电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；提高支持绝缘子的沿面闪络电压，主要措施是改进(gijn)电极形状，改善电场分布。第55页/共67页第五十六页，共67

30、页。574.不同沿面电场分布的比较均匀(jnyn)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(jnyn)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(jnyn)电场中，闪络电压最低。第56页/共67页第五十七页，共67页。58三、固体介质表面有水膜时的沿面放电 洁净的瓷面被雨水(y shu)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(zhzh)绝缘子可能闪络途径ABBCA，湿闪络电压只有干闪络电压的40%50%；ABBA(空气间隙)，湿闪电压降低不多；ABBB(水流)，湿闪电压很低。第57页/共67页第五十八页，共67页。59四、绝缘子污染状态下的沿面放电1.污闪的概念 当大气的湿度较高或者在雨雪天气下，绝缘子