气体放电理论与紫外检测技术应用

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1、气体放电理论及紫外检测技术应用,主要内容 第一部分 气体放电理论基础知识 第二部分 紫外检测技术及其应用 1.紫外6D二号机位-干燥加压试验-002_2015_05_22_04_31_53.avi,第一部分 气体放电理论基础知识 1.1 气体中带电质点的产生和消失 1.2气体放电过程的一般描述 1.3 均匀电场气隙的击穿 1.4 不均匀电场气隙的击穿 1.5 气隙的击穿特性 1.6 固体介质的沿面放电 1.7 固体介质的局部放电 1.8 液体介质的放电,1.1 气体中带电质点的产生和消失,一、 气体绝缘特征 纯净气体不导电， 带电质点导电。 二、气体带电质点来源 1）光游离：紫外线、X射线等短

2、波射线的光子能量很大，射到中性原子或分子产生光游离。光游离产生的自由电子称为光电子，带电质点复合放出光子。,1. 1气体中带电质点的产生和消失,2）撞击游离：在外加电场作用下，带电质点（电子）被加速，具有一定的能量，与原子或分子碰撞时产生撞击游离。 3）热游离：气体温度升高时，产生光游离或产生撞击游离。 4）表面游离：气体中的电子也可能来源于金属电极的表面游离。,1.1 气体中带电质点的产生和消失,三、气体中带电质点的消失 带电质点流入电极； 带电质点的扩散； 带电质点的复合。 异号质点的浓度愈大，复合就愈强烈。强烈的游离区通常也总是强烈的复合区，这个区的光亮度也就较高。,1.2 气体放电过程

3、的一般描述,1.2 气体放电过程的一般描述,外界游离因素消失，电子崩随之消失，这种放电称为非自持放电。 当场强达到Ecr值时，电子崩仅由电场的作用自行维持和发展，这种性质的放电称为自持放电。 由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强Ecr。 在均匀电场中，气隙的击穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。,1.2 气体放电过程的一般描述,在很不均匀电场中，如尖端电极，在电压较低时，尖端处的场强已可能超过临界值，出现自持电晕放电。离尖端稍远处，场强大为减小。 当电压再提高时，如电极间距不大，则可能从电晕放电直接转变成整个间隙的火花击穿。 如电极间距离大时，则从电晕转到刷形放电阶段。 当电压再增

4、高时，刷形放电增长到达对面的电极，就转变为火花击穿。 当电源功率足够大时，火花击穿迅速即转变成电弧。,大小,1.3均匀电场气隙的击穿,一、电场 均匀电场与非均匀电场。,1.3均匀电场气隙的击穿,1.3 均匀电场的气隙击穿,1.3均匀电场气隙的击穿,二、汤森德机理 在均匀电场中，当S0.26cm时，气隙的击穿电压大体上是S 的函数，即击穿电压： Ub=f（S）。,1.3均匀电场气隙的击穿,关于最小值的解释： S不变，增大，电子自由行程缩短，电子积聚动能减小，Ub增大。反之，过小时，气体很稀薄，电子与气体分子相撞的几率减小，Ub也增大。 不变，S值增大，E=U/S，电压必须增大。S过小时，场强虽大

5、增，电子的撞击次数减小，Ub也增大。,三、流注机理 当S 0.26cm，空间电荷量达到很大，使电场强烈畸变，形成局部强场。 大量空间电荷的复合，产生光子，造成空间光游离，在局部强场中，发展成为衍生电子崩。 衍生电子崩与主电子崩汇合发展，形成流注。,1.3均匀电场气隙的击穿,1）主电子崩阶段：电子迁移速度快，集中在崩头，正离子随后至崩尾，形成锥形电子崩。,1.3均匀电场气隙的击穿,1.崩头电荷密度大，电离强烈，强场畸变引起大量光子发射。 2.崩头前后，强场效应引发分子和离子激励现象（高能至常态），发射光子。 3.正负电荷区域间的弱电场区，有助于发生复合现象，也引发光子放射。,1.3均匀电场气隙的

6、击穿,2）二次电子崩阶段： 当电子崩走完整个间隙后，大密度的头部空间电荷大大加强了后部的电场，引发大量光子，光子引起光电离，形成二次电子崩。,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,1.3均匀电场气隙的击穿,3）流注阶段： 二次电子崩中的电子进入主电子崩头部空间，大多形成负离子。大量的正、负带电质点构成了等离子体，这就是正流注。 流注通道导电性良好，其头部又是二次电子崩形成的正电荷，因此流注头部前方出现了很强的电场。,1主电子崩 2二次电子崩 3流注,1.3均匀电场气隙的击穿,流注前方出现新的二次电子崩，它们被吸引向流注头部，延长了流注通道。 流注发展到阴极，间隙被导电良好的等离子通道所贯通，间隙的

7、击穿完成。,1.3均匀电场气隙的击穿,负流注的形成：当外施电压高于击穿电压时，则电子崩发展无需到达阴极，其头部电离（引发二次电子崩）就可直接形成流注。,1.3均匀电场气隙的击穿,1.4不均匀电场的气体击穿,1 击穿电压 2 电晕起始电压 3 刷状放电电压 4 过渡区域 d0 2D；d0 4D,一、电晕放电 在极不均匀电场中，电极曲率半径较小处附近空间的局部场强已很大，并产生强烈的游离，但由于离电极稍远处场强已大为减小，此游离区只能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射，使在黑暗中可以看到，在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这就是电晕。,1.4不均匀电场的

8、气体击穿,负尖正板 低压时，电流极小，波形不规则。 电压升高，出现规律的重复脉冲放电电流(b)。 电压再高，电流脉冲幅值不变，频率增大(c)。 电压再高，高频脉冲消失，转持续电晕，电流增大。 电压再高，出现刷状放电，不规则的强脉冲电流，直至击穿。 正尖负板 重复放电脉冲，但不整齐。 电压升高，电流增加，脉冲特性不明显，转持续电流。 电压再高，出现幅值极大的不规则的刷状放电电流脉冲现象。,1.4不均匀电场的气体击穿,影响电晕的因素及电晕的危害：电晕损耗、噪声污染。 防止和减轻电晕的方法：降低导线的表面电场强度。空心导线、分裂导线。 电晕的积极意义：抑制雷电、操作过电压的幅值。,1.4不均匀电场的

9、气体击穿,二、极不均匀电场的放电过程（短间隙） 1）非自持放电阶段： （正棒负板） 电子向正棒极运动，电离开始。电子崩到达棒极，电子进入棒极，正离子在棒极附近积累，减弱了棒极附近的电场，而加强了外部空间的电场。,Eex外电场 Esp空间电荷的电场,1.4不均匀电场的气体击穿,负棒正板 阴极电子进入强场区，形成电子崩，部分消失于阳极，部分形成负离子。 正离子向负棒极缓慢运动，棒极附近积累正空间电荷，使棒极附近的电场加强，容易满足自持放电条件，转入流注与电晕。,Eex外电场 Esp空间电荷的电场,1.4不均匀电场的气体击穿,2）流注发展阶段： （ 正棒负板） 空间正离子的分布，减弱了后方等离子体中

10、电场，而加强了其头部电场，产生新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷区内，头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线3），促进流注通道进一步向阴极扩展。,1.4不均匀电场的气体击穿,负棒正板 多次电子崩产生的电子汇入正电荷区，使前方电场削弱，某种程度上阻碍了放电发展。 外电压较低时，流注通道深入间隙一段距离后，就停止不前了，形成电晕放电或刷状放电。 外电压足够高时，流注通道将一直达到另一电极，从而导致间隙完全击穿。,1.4不均匀电场的气体击穿,三、极不均匀电场中的放电过程（长间隙） 较长间隙放电过程：电晕放电、先导放电、主放电。,1.4不均匀电场的气体击穿,(a) 先导和其头部的流注km；(b) 流注

11、头部电子崩的形成；(c) km由流注转变为先导和形成流注mn；(d) 流注头部电子崩的形成；(e) 沿着先导和空气间隙电场强度的分布 。,1主放电通道； 2主放电和先导通道的交界区； 3先导通道,主放电发展和通道中轴向电场强度分布图,1.4不均匀电场的气体击穿,一、气隙的击穿时间 气隙的最低静态击穿电压：长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低（U0）。 欲使间隙击穿，外加电压必须不小于这静态击穿电压。,1.5 气隙分击穿特性,二、气隙的伏秒特性 不论是在直流电压、交流电压、雷电冲击或操作冲击电压的作用下，气隙的击穿电压都有一定的分散性。 气隙击穿的几率分布接近正态分布。例如=0.7的曲线表示有7

12、0的击穿次数。,1.5 气隙分击穿特性,三、提高气隙击穿电压的方法 改进电极形状以改善电场分布； 覆盖固体绝缘层； 利用空间电荷以改善电场分布； 增高气压； 高真空的采用； 高电强度气体的采用。,1.5 气隙分击穿特性,1.6 固体介质沿面放电,均匀电场中，固体介质的引入并不影响电极间的电场分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。 闪络电压低于纯气隙击穿电压的原因： 固体介质表面不光滑，导致介质场强不均匀，其中凸起处场强高，易发生放电。 介质吸收水分形成水膜，导致沿面电压不均匀，因而使闪络电压低于纯气隙击穿电压。 介质与介质间易有小气隙，气隙中的场强高，气隙放电致界

13、面电场畸变。,1.6 固体介质沿面放电,1.6 固体介质沿面放电,1.6 固体介质沿面放电,1.6 固体介质沿面放电,污闪的发展过程：（1）污层刚受潮时，介质表面有明显的泄漏电流流过，电压分布是较均匀；（2）污层不均，电阻不均，高电阻的发热多，形成的“干燥带” ，使泄漏电流减小，并在干燥带形成很大的电压降； （3）当干燥带的电位梯度超过沿面闪络场强时，干燥带发生放电，出现局部电弧的阶段。,3紫外6D二号机位-.污秽加压试验002_2015_05_22_05_15_02.avi,1.7 固体介质局部放电,以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电的机理 Cg：气泡的电容； Cb：和Cg相串联部

14、分的介质电容； Cm：其余大部分绝缘的电容,介质内部气隙放电的三电容模型 (a)具有气泡的介质剖面 (b)等值电路,气泡,介质,当u上升到Us瞬时值时，ug到达Cg的放电电压Ub，Cg气隙放电。于是Cg上的电压一下子从Ub下降到Ur（残余电压）。 放电后，气泡中的电荷重新分布，产生反向电场，使得气泡中总的电场强度小于原先的电场强度，放电停止。,1.7 固体介质局部放电,：气泡总电场,：外加电场,：气泡击穿电场,1.7 固体介质局部放电,1.7 固体介质局部放电,液体中的杂质和水分在电场力的作用下，沿电场方向排列成“小桥”，水分及纤维杂质的电导大，泄漏电流增大、发热增多，促使水分汽化，形成气泡。

15、 串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡承担比液体更高的场强（气泡r=1，液体r 1），且气体耐电强度低，气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积成气体通道，击穿在此通道内发生。,1.8 液体介质击穿放电,变压器油的工频击穿电压和含水量的关系,1.8 液体介质击穿放电,第二部分 紫外检测技术及其应用 2.1 紫外检测技术基本原理 2.2 电气设备紫外检测对象及周期 2.3电气设备紫外检测内容及方法 2.4电气设备紫外检测诊断方法 2.5紫外检测典型案例分析 2.6紫外成像仪的操作培训 2.7紫外检测报告的制作,2.1 紫外线基础知识,一、紫外线 紫外线是电磁波谱中波长从10nm到40

16、0nm辐射的总称，是位于日光高能区的不可见光线。,日常生活中可发出紫外线的物体或现象：太阳、火焰、电焊、闪电、放电。 这些现象有什么共同点？,都有一个其他能量激烈地转换成光能的过程。,2.1 紫外线基础知识,二、局部放电及紫外检测机理 在导体曲率半径小的地方，特别是尖端，其电荷密度大，电场强度也大，形成电晕放电。 当绝缘体表面污秽或内部存在洞隙、裂痕缺陷时，受导致局部场强的改变，形成局部放电。,2.1 紫外线基础知识,在发生电晕或局部放电的过程中，气体被击穿而电离，空气中的主要成分是氮气（N2），电离的氮原子在复合时发射的光谱（波长=280400nm），主要落在紫外光波段。 气体放射光波的频率与气体的种类有关。,2.1 紫外线基础知识,三、 紫外成像仪的基本原理,2.1 紫外线基础知识,日冕和太阳的能量的光谱辐射,太阳发出各种波长的紫外线,臭氧层,太阳光透过大气层时波长短于 290nm 的紫外线为大气层中的臭氧吸收掉。240-2