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刷状放电电晕放电电弧放电火花放电辉光放电气体放电统称为放电（discharge)er)闪络(flashovwn)击穿(breakdo二、绝缘的一般分类（*）、橡胶...纸、玻璃、电瓷、云母:固体电介质..变压器油、电容器油.:液体电介质气体...SF空气,:气体电介质6行恢复(如固体绝缘)放电结束后绝缘不可自:非自恢复绝缘体绝缘)绝缘性能(如气体和液放电结束后可自行恢复:自恢复绝缘）的绝缘（不跟大气接触内绝缘：设备外壳以内的绝缘（跟大气接触）外绝缘：设备外壳以外绝缘子、套管绝缘旋转电机绝缘变压器绝缘电缆绝缘电容器绝缘缘、股、段、层之间的绝纵绝缘：同一绕组中匝间的绝缘或绕组与铁芯、外壳之主绝缘：不同绕组之间端中性点绝缘水平低于相半绝缘（分级绝缘）：性点绝缘水平相同全绝缘：绕组相端与中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)１、碰撞游离２、光游离３、热游离４、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ABCO图1-1气隙放电时的伏安特性曲线IU1-2均匀电场的放电实验图+-VAU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α过程α——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。α与气体的种类、相对密度和电场强度有关。（2）β过程β——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。β值极小，在分析时可予忽略。(3)γ过程γ——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γ（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↑→↑→λ↓→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λ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ad20或eαd=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。avEEfmax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1f2，对极不均匀电场f4。dUEav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①引起能量损耗；②干扰周围无线电通信和测量；③腐蚀有机绝缘材料和金具④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（d＞1m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：1.2/50μs标准操作冲击电压波形：250/2500μs3、U50%及冲击系数β多次施加某冲击电压时，放电的概率约为50%，称为U50%。050%UUβ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，β≈1，且击穿通常在波头附近在极不均匀电场中，β＞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β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t273P0.289101.33Pt27320273PPTTδδδ000s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，℃;P↑↑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⒈采用高气压⒉采用高真空⒊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：UfUb,气体Ub,固体因此，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UfUb，这是因为（★）（1）固体介质表面不光滑→电场不均匀→Eb↓（2）固体介质表面吸潮→水分中的离子向两极移动→电场畸变→Eb↓（3）固体介质与电极接触存在小气隙→气隙先游离（？？同学们自己思考）→局部放电→电场畸变→Eb↓思考:如何解释下图的闪络电压曲线?2、不均匀电场（1）E⊥E∥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（★）①减小C0,如加大法兰处的套管外径;②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）E∥E⊥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