SF6高压开关学习-第二章

西安交通大学高电压技术教研室丁卫东GIS装置及其绝缘技术《GIS装置及其绝缘技术》2007年10月1日第二章SF6气体的电气性能内容电负性气体中的气体放电电场不均匀系数均匀电场中的击穿稍不均匀电场中的击穿极不均匀电场中的放电冲击击穿特性电负性气体中的气体放电气体放电过程：起始于气体中带电粒子的生成，随着带电粒子的大量生成，气体由绝缘体向导体转化，形成放电等离子体，并伴随着一系列复杂的物理或化学过程。SF6是强电负性气体对均匀间隙，当p=0.1MPa时，SF6气体的击穿电场约为89kV/cm；而空气的击穿电场约为30kV/cm。所以通常说SF6气体的绝缘强度大约是空气的3倍。电负性气体中的气体放电绝缘体电子、正离子、负离子光子等离子体（导体）电负性气体中的气体放电气体中电子和正离子产生的途径：碰撞电离光电离热电离③热电离：气体分子之间的碰撞引起的电离高温气体的热辐射引起的光电离高能电子引起的碰撞电离①碰撞电离②光电离电负性气体中的气体放电气体中负离子形成的途径：附着---在某些气体中，原子或者分子容易附着(Attachment)电子而形成负离子。负离子的形成，有利于减少气体中的电子密度，从而抑制放电的发展，提高气体的击穿强度。解离附着的形式：①附着②解离附着③三体碰撞电负性气体中的气体放电SF6气体分子含有F原子，其分子俘获电子的能力很强，属强电负性气体，因而具有很高的耐电强度SF6气体耐电强度很高，但是对电场集中敏感。附着断面积(电子能量大时附着断面积急剧减小)电负性气体中的气体放电在放电过程中，通常电极也起着重要作用热发射如果将金属加热，能量超过金属表面势垒的电子将迅速增加。光电发射如果用光源照射金属电极，当光子能量足够大时，电子由被照射的电极表面释放出来，称为光电子。场致发射由于外电场的存在，改变了金属的表面势垒，使得表面势垒变”低”,变”薄”。这时有部分电子穿过势垒而脱离金属表面。二次电子发射当正离子碰撞阴极被中和时，可能会由阴极发出电子到气体中，这种电子通常称为电子或二次电子。电负性气体中的气体放电气体放电理论汤逊放电理论流注放电理论电子崩初始电子E电离系数(产生)：一个电子沿电场方向行经单位长度，平均发生的碰撞电离次数。附着系数(消失)：一个电子沿电场方向行经单位长度，平均发生的附着次数。有效电离系数：电子增殖规律：电负性气体中的气体放电有效电离系数的测量表明，在(E/p)0附近：正离子增殖规律(假设一个电子从x=0出发)：电子电负性气体中的气体放电汤逊放电理论(适用于pd值较小的情况)电子崩＋二次电子发射电负性气体中的气体放电汤逊放电判据对均匀电场：要使放电达到自持因此电负性气体中的气体放电流注放电理论(适用于pd值较小的情况)电子崩＋光电离电负性气体中的气体放电流注放电判据对均匀电场：要使放电达到自持电负性气体中的气体放电对不均匀电场：阴影部分的积分面积大于K/c气体优异值反映了气体在不均匀场中的优越程度电场不均匀系数电场不均匀系数fEmax是电场中的最大场强Ea是电场中的平均场强通常f≈1 均匀场f<2 稍不均匀场f>4 极不均匀场GIS中的典型电场：同轴圆柱电极同心球电极电场不均匀系数几种典型电场的不均匀系数：同轴圆柱电极同心球电极：球－板电极：半球头－板电极(d/r<3)：均匀电场中的击穿巴申定律：在气压不太高的情况下，大部分气体在均匀电场中的击穿电压符合巴申曲线，即击穿电压只是pd乘积而与p和d的数值无关。实验表明，SF6气体在p0.2MPa时遵循巴申曲线。p0.2MPa时，遵循巴申曲线，气压增大时，渐渐出现击穿电压偏离巴申曲线的现象。均匀电场中的击穿击穿电压的近似表达式：(直流或交流的峰值)冲击系数：50%冲击击穿电压约为稳态击穿电压的1.2倍冲击系数=50%冲击击穿电压持续作用电压下的击穿电压稍不均匀电场中的击穿不均匀电场中的自持放电电压U0与间隙距离d的关系：Emax：满足流注放电判据时，曲率半径较小的电极的表面场强f: 电场不均匀系数曲率系数：自持放电电压U0同心球电极GIS典型电极的曲率系数：同轴圆柱电极稍不均匀电场中的击穿极性效应负极性击穿电压比正极性时低pd值越大越明显正空间电荷的影响导致极性效应稍不均匀电场中的击穿气压的影响表面看起来，击穿电压是与气压p成正比的，但实际上曲率系数h是与气压有关系的，所以击穿电压并不是与气压成正比。在稍不均匀场中，击穿电压与气压的关系偏离线性关系的情况比均匀电场中更为明显。自持放电电压：对同轴圆柱电极而言：稍不均匀场中SF6气体的击穿电压：E0的理论值为8.85kV/mm，但一般情况下，由于工程电极表面总有微观缺陷，E0值要比理论值低很多。n的取值也随着电极表面状况的改变而改变。稍不均匀电场中的击穿冲击系数对于GIS中使用最普遍的同轴圆柱电极，雷电波时冲击系数约在1.25左右，操作波时冲击系数约为1.05-1.1。冲击系数=50%冲击击穿电压持续作用电压下的击穿电压国标GB7674-87《六氟化硫封闭式组合电器》规定的雷电冲击耐受电压与1min工频耐受电压的最大值之比在1.6-1.7倍，因此GIS的绝缘尺寸是由雷电基本冲击水平值决定的。极不均匀电场中的放电驼峰曲线③在低气压的时候，负极性击穿电压高于正极性击穿电压；在高气压的时候，负极性击穿电压低于正极性击穿电压。②在气压比较低的时候，击穿之前先出现电晕；在气压比较高的时候，间隙不出现电晕而直接击穿。①击穿电压随气压升高先上升至一极大值，然后下降到一极小值，再继续上升。临界气压pc极不均匀电场中的放电驼峰曲线出现的原因：在曲率半径较小的电极附近出现电晕后，电晕对电极具有一定的屏蔽作用，其作用相当于电极曲率半径变大，电极表面变得光滑，故击穿电压变高(电晕稳定化作用)。②在驼峰区，冲击系数小于1①负斜率部分击穿分散性很大虽然电晕的出现有可能帮助SF6间隙提高击穿电压，但在实际工程应用中，必须避免GIS设备中出现电晕。冲击击穿特性影响统计时延的因素：电极间所加的过电压的大小人工照射电极表面缺陷影响放电形成时延的因素：电极间隙间的距离电极间所加的过电压的大小冲击击穿时延t0:升压时间ts:统计时延tf:放电形成时延冲击击穿特性伏秒特性间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系，称为伏秒特性。负极性的伏秒特性包带较窄当时间