第二章 气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘ppt课件.pptx

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1、气体击穿的理论分析和空气间隙绝缘,主讲人：高宇高电压与绝缘技术实验室天津大学电气与自动化工程学院,主要内容,2.1 气体放电主要形式简介2.2 带电质点的产生2.3 带电质点的消失2.4 均匀电场中气体击穿的发展过程2.5 不均匀电场中气体击穿的发展过程2.6 持续作用电压下空气的击穿电压2.7 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性2.8 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压2.9 提高气体间隙击穿电压的措施,空气中存在带电粒子（宇宙射线等辐射电离作用）。击穿：气体由绝缘态变为良导电态的过程。沿面闪络：气体-液体，气体-固体界面的击穿过程。击穿电压：发生击穿的临界电压。击穿场强：击穿电压与间

2、隙距离的比（介电强度）。,第一节 气体放电主要形式简介,气体中流通电流的各种形式,第一节 气体放电主要形式简介,辉光放电,电弧放电,火花放电,电弧放电,第一节 气体放电主要形式简介,第一节 气体放电主要形式简介,电晕放电,刷形放电,火花/电弧放电,不均匀电场下,第一节 气体放电主要形式简介,第二节 带电质点的产生,带电质点的产生是形成放电的基础。,一、原子的激励和电离,(一) 原子的能级,能级：根据原子中电子的能量状态，原子具有一系列可取的确定能量状态，称为能级。,第二节 带电质点的产生,(二) 原子的激励和电离,原子核,基态电子,能量,激励,电离,电离能,复合,一次电离：中性原子失去最外层电

3、子。,第二节 带电质点的产生,(二) 原子的激励和电离,第二节 带电质点的产生,二、气体中质点的自由行程,：一个带电质点在向前行进1cm距离内，发生碰撞次数的倒数 。,第二节 带电质点的产生,二、气体中质点的自由行程,电子的要比分子和离子的大得多,的性质,空气中电子平均自由行程0.1微米,第二节 带电质点的产生,三、气体中带电质点的产生,带电粒子的来源,第二节 带电质点的产生,三、气体中带电质点的产生,(一) 碰撞电离,中性原子,电子,E,第二节 带电质点的产生,三、气体中带电质点的产生,(二) 光电离,中性原子,第二节 带电质点的产生,三、气体中带电质点的产生,(三) 热电离本质上与碰撞电离

4、、光电离一致,中性原子,电子,高温,第二节 带电质点的产生,三、气体中带电质点的产生,(四) 负离子的形成,E,负极,正极,气体分子要有很高的电负性,第二节 带电质点的产生,三、气体中带电质点的产生,(四) 负离子的形成,电子亲和能,第二节 带电质点的产生,四、金属表面电离,(一) 正离子碰撞阴极,E,负极,正极,正离子的能量与金属电极的逸出功的关系,第二节 带电质点的产生,四、金属表面电离,(一) 正离子碰撞阴极,正离子从金属中释放自由电子的概率为0.01数量级,第二节 带电质点的产生,四、金属表面电离,(二) 光电效应,光子也可能被反射、吸收(热能)，仅一小部分使电子逸出,E,负极,正极,

5、第二节 带电质点的产生,四、金属表面电离,(三) 场致发射,一般气隙中不会发生，在高气压、高真空条件下可能存在,E,负极,正极,电场阈值,第二节 带电质点的产生,四、金属表面电离,(三) 热电子发射,E,负极,正极,第三节 带电质点的消失,E,负极,正极,复合,中和,扩散,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,一、非自持放电和自持放电,非自持放电：去掉外电离因素后放电随即停止。,自持放电：仅由电场的作用而维持的放电,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,二、汤逊气体放电理论,(一) 过程引起的电流,1、电子崩的形成,E,负极,正极,电子崩,崩头,崩尾,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、

6、 过程引起的电流,电子碰撞电离系数,1 cm， 碰撞电离平均次数,电子数：,电流：,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、 的分析,的定义,E增大，急剧增大；p很大或很小时，均很小。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、 的分析,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、 的分析,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,(二)、 及 过程同时引起的电流,1. 过程,过程:正离子沿电场方向行经1cm时，平均发生的碰撞电离次数。,过程:正离子碰撞阴极，气体空间形成的光子引发的电极表面光电离。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,2、 及 过程同时引起的电流,单位时间内阴极单位面积产生电子

7、总数：,到达阳极后的电子总数为：,于是可建立关系式：,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,3、系数 的大致数值,于是可得：,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,(三)、均匀电场中的击穿电压,1.自持放电条件,在均匀电场下，就是击穿的条件,2.击穿电压、巴申定律,温度不变时，均匀电场中气体击穿电压Ub是pd的函数。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,(三)、均匀电场中的击穿电压,1.自持放电条件,对于空气，击穿电压极小值对应(pd)min=0.57(cm133Pa),第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,(四)、汤逊理论的适用范围,气压很低时(真空），场致发射起作用，机理改变。,气压很高

8、时，很多击穿现象无法在汤逊理论范围内解释。,1. 放电外形：带有分支的明亮细通道。,2. 放电时间：放电时间较长（理论值）,3. 击穿电压：在pd较大时，计算值与实测值的差别较大。,4. 阴极材料：在大气压下空气中实测得到的击穿电压与阴极材料无关。,适用于pd200 (cm 133 Pa)的条件,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究,电离室：利用饱和蒸汽束缚气体放电形成的带电粒子，使放电轨迹得以记录和显示。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,负极,正极,第四节 均匀电场中气

9、体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(一)、在电离室中进行放电发展的实验研究,电子崩的特征：从阴极向阳极发展，呈锥形；电子崩发展速度1.2510E7cm/s;电子崩可互不影响的向前发展。,流注的特征：电离特强的放电区；发展形式受偶然原因影响，通道呈现一定随机性；发展速度明显高于电子崩，有正、负流注之分。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(二)、电子崩,电子数目呈几何级数迅速增多，,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(三)、流注的形成,负极,正极,正流注：由正极向负极发展的流注放电过程。发展

10、速度：1-210E6 m/s,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(三)、流注的形成,负流注：由负极向正极发展的流注放电过程发展速度： 7-810E5 m/s,负极,正极,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(四)、均匀电场中的击穿电压,1、自持放电条件,流注形成，则出现新的电离因子，放电进入自持。,常温常压下，此常数为10E8数量级。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(四)、均匀电场中的击穿电压,2、击穿电压,击穿电压表达式与汤逊理论相同，但物理过程差异很大。,3、系数

11、,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(五)、流注理论对pd很大时放电现象的解释,1、放电外形,流注通道曲折，带有分支。,2、放电时间,光子以光速传播，二次电子崩跳跃式发展，故速度快。,3、阴极材料,由于光电离的作用，使击穿电压与阴极材料基本无关。,第四节 均匀电场中气体击穿的发展过程,三、气体击穿的流注理论火花击穿的发展,(六)、pd不同时，放电过程发生变化的解释,1、pd较小时,电子崩释放的光子容易被电极吸收，形成电极光电离。,由于气压低，带电质点容易移动，不足以形成空间电荷效应。,2、pd较大时,电子崩释放的光子容易被空气吸收，高气压也使得空间电荷

12、容易大量积累。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,一、稍不均匀电场和极不均匀电场的特征,电晕放电,刷形放电,气隙击穿,电场均匀程度不同，放电发展过程也不同,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响,电场越不均匀， 衰减的越快,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,以同轴圆筒电极说明电场均匀程度对放电机理的影响,主要特征：,电场比较均匀： 在整个间隙的数值都很大。,电场不均匀程度变大： 在间隙中大部分区域的数值都很大。电子崩主要贴近内电极产生。,电场极不均匀： 的分布极不均匀。易在内电极附近形成蓝紫色晕光(电晕)。电压继续提高，间隙才能击穿。

13、,可以用能否形成稳定的电晕放电来划分电场的不均匀程度,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿,稍不均匀电场中， 是空间的函数,将 的表达式带入其中，并以同轴圆筒状电极为例：,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,二、稍不均匀电场中的自持放电条件和击穿,可见，起始电压 可写成：,放电相似定律：不均匀电场中，温度不变时，对于几何相似间隙，其起始电压是气体压力和决定间隙形状的某个几何尺寸间乘积的函数。,气体压力和间隙尺寸反比变化，则起始电压可以不变。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,曲率半径小

14、的电极尖端发生的蓝紫色晕光状放电。,极不均匀场的一种特有的自持放电形式。,电晕现象,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕现象,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,起始电压/场强,外界电压很小，间隙放电取决于外电离因素，放电非自持，电流极小，一般仪器难以测量。,电晕爆发后，电流突增，变为自持放电。,电晕起始电压Uc,电晕起始场强Ec,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,外区空间电荷作用,无论内电极正、负，外区

15、空间电荷与内电极同号。,施加电压提高，电晕层电离加强，电流增大；但外区电荷密度增加，削弱电晕层电场，使放电过程重回平衡。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,两种形式,电子崩式：曲率半径小，电晕层薄，放电电流稳定，自持放电为汤逊放电形式,流注式：电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电脉冲。,若电极的曲率半径极小，电晕开始时就很强烈，一旦出现就以流注形式存在。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,效应：1)、声、光、热 吱吱的响声 蓝紫色的晕光 周

16、围气体温度升高,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,效应：2)、电风的作用 电子和离子高速运动与气体交换能量形成电风空气对电风的反作用使电晕电极舞动,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,效应：3)、高频脉冲作用 电晕引发的高频脉冲是造成无线电干扰的原因之一。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,效应：4)、化学作用 形成臭氧、一氧化氮、二氧化氮和氨气等。 产物会腐蚀金具、有机绝缘材

17、料，使其老化，使用寿命减少。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,效应：5)、能量损耗 电晕损耗是电力管理部门最重视的现象之一。在有些场合，电晕损耗的程度非常可观。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,效应：6)、环境效应 电晕噪声影响人类的正常工作。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(一)、电晕放电的一般描述,电晕特征,过电压波在传输线上行进时，电晕可削弱其幅值及陡度；电晕在静电除尘、臭氧发生器的应用。,第五节

18、不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(二)、电晕放电的脉冲现象,实验现象,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(二)、电晕放电的脉冲现象,电压很低，放电电流小(0.1微安)，电流波形不规则。电压升高，突现显著电流，有重复脉冲波形。电压继续升高，电流脉冲幅值不变，频率增高，平均电流加大。电压继续升高，高频脉冲消失，转入持续电晕阶段。电压再升高，出现刷形放电，电流脉冲强烈不规则。击穿,实验现象,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(二)、电晕放电的脉冲现象,现象解释,电晕脉冲归因于外区空间电荷削弱电场的作

19、用,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(三)、电晕放电的起始电压/场强,PEEK公式,平行导线：,同轴圆柱：,球-球间隙：,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,三、极不均匀电场中的电晕放电,(三)、电晕放电的起始电压/场强,PEEK公式,对策：（限制导线的表面场强 ）,采用分裂导线。 对220kV及以上的线路应采用分裂导线，例如220，500和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(一)、长空气间隙中放电过程的实验研究,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四

20、、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(一)、长空气间隙中放电过程的实验研究,1.实验设备,高速照相机,象变换管,光电倍增管,光谱分析仪,高速示波器,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(一)、长空气间隙中放电过程的实验研究,2.实验结果,流注-先导-主放电,正棒-负板,负棒-正板,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,1.非自持放电阶段电晕放电起始前,负极,正极,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,1.非自持放电

21、阶段电晕放电起始前,正极,负极,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,1.非自持放电阶段电晕放电起始前,极性效应：负电晕较正电晕容易发生,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,2.流注发展阶段流注放电,正极,负极,电场加强，有利正流注发展,电子崩,流注,场强增大,流注加强,放电,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,2.流注发展阶段流注放电,负极,正极,电子崩,流注,场强不足,流注

22、熄灭,棒极前流注加强,混合质通道,场强增大,流注开始,放电,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,2.流注发展阶段流注放电,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,3.先导放电,电压升高流注不断汇入电荷密度增大温度高热电离先导,先导出现后平均击穿场强低,第五节 不均匀电场中气体击穿的发展过程,四、极不均匀电场中的击穿、极性效应,(二)、极不均匀电场中的放电过程,4.主放电,先导相当于延伸电极把棒极电位向下牵引,主放电也称“最后跳跃”,第六节 持续作用电压

23、下空气的击穿电压,一、均匀电场中的击穿电压,其中，,空气的相对密度,电极间距,击穿电压,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,二、稍不均匀电场中的击穿电压,(一) 击穿电压试验数据,1. 击穿的一般规律,稍不均匀电场的击穿和均匀电场相似:,(a).击穿前不发生电晕,(b).极性效应不明显,(c).交流、直流、冲击电压下的击穿电压相同；分散性小。,稍不均匀电场中，电场越均匀，其击穿电压就越高。,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,二、稍不均匀电场中的击穿电压,2. 球-球间隙,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,二、稍不均匀电场中的击穿电压,(二). 击穿电压的估算,同轴和偏心圆柱,同心和偏

24、心圆球,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,三、极不均匀电场中的击穿电压,(一). 直流电压作用下,显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：7.5kV/cm负极性棒-板间隙：20kV/cm棒-棒间隙：8.5kV/cm,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,三、极不均匀电场中的击穿电压,(一). 直流电压作用下,显著特征：极性效应平均击穿场强：正极性棒-板间隙：4.5kV/cm负极性棒-板间隙：10kV/cm正极性棒-棒间隙：4.8kV/cm,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,三、极不均匀电场中的击穿电压,(二). 工频电压作用下,特点：1、棒-板间隙击穿总是在棒的极性为正时击穿

25、。2、击穿电压与距离近似成直线关系，大间隙下击穿电压有饱和趋势（见后页）3、平均击穿场强棒-棒间隙：3.8kV(有效值)/cm棒-板间隙：3.35kV(有效值)/cm,第六节 持续作用电压下空气的击穿电压,三、极不均匀电场中的击穿电压,(二). 工频电压作用下,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,一、雷电冲击电压标准波形,(一) 造成雷电过电压的原因,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,二、放电时延,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,二、放电时延,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,三、雷电冲击50%击穿电压,击穿百分比为50%

26、时的电压，称为。工程上采用该值表征气隙的冲击击穿特性，一般认为外施10次冲击电压，发生4-6次击穿的电压就是该值。,冲击系数：U50%与Us之比。均匀或稍不均匀电场： =1；极不均匀电场： 1,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,三、雷电冲击50%击穿电压,1.均匀或稍不均匀电场中，击穿强度与前述的稳态电压下相等。,2.极不均匀电场中的击穿电压，放电时延长，在间隙较长时，击穿可能发生在波尾。,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,三、雷电冲击50%击穿电压,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,四、伏秒特性,工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的

27、关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。,保持波形不变仅改变幅值,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,四、伏秒特性,伏秒特性是一个有上下包络线的带状区域。工程上通常取平均伏秒特性或50%伏秒特性表示气隙的击穿特性。,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,四、伏秒特性,1）极不均匀电场（大间隙） 平均击穿场强较低，放电时延较长，只有大大提高电压，才能缩短放电时延。 S向左上角上翘2）较均匀电场（小间隙） 间隙各处场强相差不大，一但出现电离，很快贯穿整个间隙，放电时延短。 S只能在很小的时间内向上翘,第七节 雷电冲击电压下空气间隙的击穿电压及伏秒特性,四、

28、伏秒特性,第八节 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压,一、操作冲击电压推荐波形,第八节 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压,二、操作冲击50%击穿电压,1.均匀或稍不均匀电场中，操作冲击的50%击穿电压与稳态值相同。,2.在极不均匀电场中，操作冲击的50%击穿电压存在明显的极性效应，饱和效应，且受到波形的影响严重。,第八节 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压,二、操作冲击50%击穿电压,第八节 操作冲击电压下空气间隙的击穿电压,二、操作冲击50%击穿电压,U50%极小值经验公式,对于极间距1-20m的长间隙和试验结果符合均很好。,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,提高气体间隙击穿电压的思路,改善电

29、场分布，使其尽量均匀,削弱气体中的电离过程,电极形状,空间电荷,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,一、改进电极形状以改善电场分布,电场均匀击穿场强高通过改善电极形状均匀电场,方法：增大电极的曲率半径，消除电极表面毛刺，尖角 通常采用屏蔽的方法来增大电极的曲率半径，即在棒极的端部加装一只直径适当的金属球。,实例：大型试验设备出线端的球形电极； 超高压线路绝缘子串上的均压环； 超高压线路上采用的扩径导线；,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,一、改进电极形状以改善电场分布,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,二、利用空间电荷畸变电场的作用,细线效应：当架空线路的导线直径减小到一定程度时，对应间隙

30、的工频击穿场强反而会增大。其原因就是电晕产生的空间电荷改善了电场。,利用空间电荷效应改善电场在应用中难度较大，因为空间电荷的密度、位置等均不易控制。,电晕,空间电荷,改善电场,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,三、极不均匀电场中的屏蔽作用,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,三、极不均匀电场中的屏蔽作用,安装距离：,正极性直流击穿电压可提高2-3倍,负极性直流击穿电压可提高约10%,因此，对改善工频交流击穿电压很有效,对于均匀电场作用不大,屏蔽材料：绝缘介质（玻璃、环氧树脂、聚四氟乙烯等）,放置位置：放在电极之间，其表面与电力线垂直。,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,四、采用高气压,原理：减小电子的平均自由行程，抑制电离过程的发生。,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,五、采用高介电强度气体,原理：卤族元素具有很强的电负性，由其化合成的气体通常具有很强的俘获电子能力，进而可以抑制放电。,气体：六氟化硫、氟里昂高电气强度气体,六氟化硫是目前电气工程领域除空气外应用最多的绝缘气体。,第九节 提高气体间隙击穿电压的措施,六、高真空的采用,原理：分子间距大，碰撞电离难。,