第二章气体电介质的击穿特性

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1、,1.空气在强电场下放电特性,一.气体电介质的放电特性,气体在正常状态下是良好的绝缘体,在一个立方厘米体积内仅含几千个带电粒子,但在高电压下,气体从少量电符会突然产生大量的电符,从而失去绝缘能力而发生放电现象.,一旦电压解除后,气体电介质能自动恢复绝缘状态,第二章 气体电介质的击穿特性,输电线路以气体作为绝缘材料,变压器相间绝缘以气体作为绝缘材料,2.带电质点的产生与消失,(1) 激发 原子在外界因素作用下,其电子跃迁到能量较高的状态,(2)游离 原子在外界因素作用下,使其一个或几个电子脱离原子核的束博而形成自由电子和正离子,(3)游离的方式 a.碰撞游离 b.光游离 c.热游离 d.金属表面

2、游离,碰撞游离,当带电质点具有的动能积累到一定数值后，在与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离，这种由碰撞而引起的游离称为碰撞游离,引起碰撞游离的条件：,：气体原子（或分子）的游离能,光游离,由光辐射引起气体原子（或分子）的游离 称为光游离,产生光游离的条件：,h:普朗克常数,:光的频率,热游离,气体在热状态下引起的游离过程称为热游离,产生热游离的条件：,K:波茨曼常数,T:绝对温度,金属表面游离,电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离,(4)去游离 a.扩散 带电质点从高浓度区域向低浓度区域运动. b.复合 正离子与负离子相遇而互相中和还原成中性原子 c.附着效应 电子与原子

3、碰撞时,电子附着原子形成负离子,二.气体放电的两个理论,1.汤逊放电理论.,适用条件:均匀电场,低气压,短间隙,实验装置,均匀电场中气体的伏安特性,分析：,oa段:,随着电压升高，到达阳极的带电质点数量和速度也随之增大,ab段：,电流不再随电压的增大而增大,bc段：,电流又再随电压的增大而增大,c点:电流急剧突增,(1).电子崩 在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子,(2).非自持放电 去掉外界游离因素的作用后,放电随即停止,(3).自持放电 不需要外界游离因素存在,放电也能维持下去,(4).自持放电条件 a.电子的空间碰撞系数 一个电子在电场作用下在单位行程里所发生的碰撞游离数,

4、b.正离子的表面游离系数,一个正离子到达阴极,撞击阴极表面产生游离的电子数,自持放电条件可表达为:,(5)巴申定律,a.表达式:,P:气体压力 S:极间距离,b.均匀电场中几种气体的击穿电压与ps的关系,2.流注理论,(1).在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象,a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10-100倍,b.按汤逊理论,击穿过程与阴极材料有关,然而在大气压力下的空气隙中击穿电压与阴极材料无关.,c.按汤逊理论,气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展,但在大气中击穿会出现有分枝的明亮细通道,(2).理论要点:,认为电子碰撞游离及空间光游离是维持自持放电的 主要因素,流注形成便

5、达到了自持放电条件,它强调了 空间电符畸变电场的作用和热游离的作用.,(3)放电简单流程图:,有效电子(经碰撞游离)-电子崩(畸变电场)-发射光子(在强电场作用下)-产生新的电子崩(二次崩)-形成混质通道(流注)-由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.,三.不均匀电场中气隙的放电特性,1.电晕放电,一定电压作用下,在曲率半径小的电极附近发生局部 游离,并发出大量光辐射,有些像日月的晕光,称为电晕 放电.,电晕起始场强 开始出现电晕时电极表面的场强,电晕起始电压 开始出现电晕时的电压,电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式,2.极性效应,(1).正棒-负板,分析：,a.

6、由于捧极附近积聚起正空间电荷，削弱了电离，使电晕放电难以形成，造成电晕起始电压提高。,b.由于捧极附近积聚起正空间电荷在间隙深处产生电场加强了朝向板极的电场，有利于流注发展，故降低了击穿电压。,(2).负棒-正板,分析：,a.捧附近正空间电荷产生附加电场加强了朝向棒端的电场强度，容易形成自持放电，所以其电晕起始电压较低。,b.在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场与原电场方向相反，使放电的发展比较困难，因而击穿电压较高。,结论：,在相同间隙下,正捧-负板,负捧-正板,电晕起始电压,间隙击穿电压,高 低,低 高,四.雷电冲击电压下气隙的击穿特性,1.标准波形,几个参数,波头时间T1：T1=(1.2

7、 30%)s,波长时间T2: T2=(50 20%) s,标准波形通常用符号 表示,2.放电时延,(1).间隙击穿要满足二个条件,a.一定的电压幅值,b.一定的电压作用时间,(2).统计时延t s,通常把电压达间隙的静态击穿电压开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间,(3).放电形成时延tf,从第一个有效电子到间隙完成击穿所需的时间,(4).放电时延tL,tL=ts+tf,气体间隙在冲击电压作用下击穿所需全部时间：,t=t1+ts+tf,其中：ts+tf 就是放电时延tL,3. 50%冲击放电电压U50%,放电概率为50%时的冲击放电电压,50%冲击放电电压与静态放电压的比值称为绝缘的冲

8、击系数,p,u击,u50%,50%,4. 伏秒特性,(1) 定义,同一波形、不同幅值的冲击电压下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线,(2) 曲线求取方法,(3) 电场均匀程度对曲线的影响,不均匀电场由于平均击穿电场强度较低,而且流注 总是从强场区向弱场区发展,放电速度受到电场分 布的影响,所以放电时延长,分散性大,其伏秒特性 曲线在放电时间还相当大时,便随时间之减小而明 显地上翘,曲线比较陡. 均匀或稍不均匀电场则相反,由于击穿时平均场强 较高,流注发展较快,放电时延较短,其伏秒特性曲 线较平坦.,(4) 实际意义,S1被保护设备的伏秒特性曲线，S2保护设备的伏秒特性曲线,为了使被保

9、护设备得到可靠的保护,被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线.,五. 大气条件对气体间隙击穿电压的影响,1. 标准大气条件,大气压力 P0=101.3kpa,温度,湿度 f0=11g/m3,2. 相对密度的影响,相对密度,p =0.289- T,当在0.95到1.05之间时,空气间隙的击穿电压U 与成正比,U= U0,3. 湿度的影响,(1). 均匀或稍不均匀电场,湿度的增加而略有增加,但程度极微,可以不校正,(2). 极不均匀电场,由于平均场强较低,湿度增加后,水分子易吸附电 子而形成质量较大的负离子,运动速度,减慢游离 能力大大降低,使击穿电压增大.

10、因此需要校正.,4. 高度的影响,随着高度增加,空气逐渐稀薄,大气压力及空气 相对密度下降,间隙的击穿电压也随之下降.,U=ka U0,六. 提高气体间隙绝缘强度的方法,有两个途径: 一个是改善电场分布,使之尽量均匀; 另一个是削弱气体间隙中的游离因素.,1. 改善电场分布的措施,(1). 改变电极形状,(2). 利用空间电荷对电场的畸变作用,(3). 极不均匀电场中采用屏障,当屏障与棒极之间的距离约等于间隙的距离的 15%-20%时，间隙的击穿电压提高得最多， 可达到无屏障时的2-3倍,2. 削弱游离因素的措施,(1). 采用高气压,气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均自由行程，

11、从而削弱了碰撞游离的过程。 如高压空气断路器和高压标准电容器等,10kv高压标准介损器,(2). 采用高真空,气体间隙中压力很低时，电子的平均自由行程已增大到极间空间很难产生碰撞游离的程度。 如真空电容器、真空断路器等,真空电容器,真空断路器,(3). 采用高强度气体,SF6气体属强电负性气体,容易吸附电子成为 负离子,从而削弱了游离过程.提高压力后可 相当于一般液体或固体绝缘的绝缘强度. 它是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的 不活泼气体，化学性能非常稳定，无腐蚀作 用。它具有优良的灭弧性能，其灭弧能力是 空气的100倍，故极适用于高压断路器中。,七. 气体中的沿面放电,1. 什么叫沿面放电

12、,沿着固体介质表面的气体发生的放电,沿面放电电压通常比纯空气间隙的击穿电压要低,2. 界面电场分布的三种典型情况,气体介质与固体介质的交界称为界面,(1). 固体介质处于均匀电场中, 且界面与电力线平行;,(2). 固体介质处于极不均匀电场中,且电力线垂直于 界面的分量比平行于界面的分量大得多;,类似套管,瓷套管,变压器用电容套管,(3). 固体介质处于极不均匀电场中,且电力线平行于 界面的分量以垂直于界面的分量大得多.,类似支持绝缘子,复合支持绝缘子,户外高压支持绝缘子,3. 均匀电场中的沿面放电,其放电特点:,(1).放电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.,其

13、原因,a. 固体介质与电极表面没有完全密合而存在 微小气隙,或者介面有裂纹.,b.介质表面不可能绝对光滑,使表面电场不均 匀.,c.介质表面电阻不均匀使电场分布不均匀,d.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,使电场不均匀,4. 极不均匀电场具有强法线分量时的沿面放电,(套管型),(1) 放电发展特点:,a. 电晕放电,b. 线状火花放电,c. 滑闪放电,d. 闪络放电,(2) 影响沿面放电因素分析,等值电路图,a.固体介质厚度越小，则体积电容越大，沿介质表面电压分布越不均匀，其沿面闪络电压越低；,b.同理，固体介质的体积电阻越小，

14、沿面闪络电压越低,c.固体介质表面电阻减少，可降低沿面的最大电场强度，从而提高沿面闪络电压,(3).提高沿面闪络电压措施,a.减少套管的体积电容。如增大固体介质厚度，加大法兰处套管的外经,b.减少绝缘的表面电阻。如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉,5. 极不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电,(支柱绝缘子型),由于电极本身的形状和布置己使电场很不均匀，故介质表面积聚电荷使电压重新分布不会显著降低沿面闪络电压，为了提高沿面闪络电压，一般从改进电极形状，如采用屏蔽罩和均压环。,6. 绝缘子串的电压分布,分析结果：,a.绝缘子片数越多，电压分布越不均匀,b.靠近导线端第一个绝缘子电压降最高，易产生

15、电晕放电。在工作电压下不允许产生电晕，故对330kv及以上电压等级考虑使用均压环,7. 绝缘子表面污秽时的沿面放电,户外绝缘子，会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染，在干燥时，由于污秽尘埃电阻很大，绝缘子表面泄漏电流很小，对绝缘子安全运行无危险；但下雨时，绝缘子表面容易冲掉，而大气湿度较高，或在毛毛雨、雾等气候下，污秽尘埃被润湿，表面电导剧增，使绝缘子的泄漏电流剧增，降低闪络电压。,8.防止绝缘子的污闪，应采取措施,(1).对污秽绝缘子定期或不定期进行清洗,(2). 绝缘子表面涂一层憎水性防尘材料,(3).加强绝缘和采用防污绝缘子,(4).采用半导体釉绝缘子,对瓷柱进行清洗,第八节 沿面放电

16、,含义：沿空气与固体介质表面发生的气体放电现 象称为沿面放电。 研究意义：一个绝缘装置的实际耐压水平由沿面 放电电压决定。 研究范围：表面干燥、清洁时的沿面放电电压 表面潮湿、污秽时的沿面放电电压,76,8 沿面放电,沿面放电的几种典型电场分布形式,77,均匀电场,强垂直分量,弱垂直分量,8.1 均匀电场中的沿面放电,在平行平板中放置瓷柱，虽然瓷柱不影响电场分布，但放电总发生在瓷柱表面，且击穿电压比纯空气的低很多。,78,8.1 均匀电场中的沿面放电,机理分析： 1） 固体介质与电极接触不良，空气间隙发生局放 ，形成的带电粒子沿介质表面移动。 在连接处涂导电粉末或者导电胶 2） 潮气形成水膜，其中的离子在电场下运动， 造成沿面电压分布不均，畸变电场。 憎水性材料 3） 在瓷柱表面的凸凹处，发生电场畸变，产生空气 间