电气工程基础下 绝缘

电气工程基础（II）2020/2/52第十六章电力系统的绝缘与交流电气装置的绝缘配合第一节气体放电及气体绝缘电气设备1.1均匀电场中的气体放电1.2不均匀电场中的气体放电1.3空气间隙的击穿电压1.4气体绝缘电气设备2020/2/531.1均匀电场中的气体放电引言带电粒子的产生与消失电子崩自持放电条件气压与起始电压的关系气体放电的主要类型气体放电的流注理论影响因素分析2020/2/54一引言电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质气体绝缘要解决的问题主要是如何选择合适的绝缘距离以及如何提高气体间隙的击穿电压气体击穿电压与电场分布、电压种类、气体状态有关2020/2/55常见的电场结构2020/2/56问题的提出气体中的电流：在电场作用下，气隙中带电粒子的形成和运动过程形成电流。（1）气隙中带电粒子是如何形成的？（2）气隙中的导电通道是如何形成的？（3）气隙中导电通道形成后是如何维持持续放电的？2020/2/57名词解释之一：电子平均自由行程定义：一个电子在与气体分子相邻两次碰撞之间自由地通过的平均行程。与气体分子的大小和密度有关。2020/2/58名词解释之二：激励定义：原子在外界因素作用下，其电子从处在距原子核较近的低能态轨道跃迁到离核较远的较高能态的轨道的过程。如果原子获得的外加能量足够大，其电子将摆脱原子核的约束而成为自由电子。2020/2/59名词解释之三：电离（游离）原子在外界因素作用下，其电子受到激励摆脱原子核的约束而成为自由电子，这一现象称为电离。原子被分解成两种带电粒子——电子和正离子。使电子电离出来所需的最小能量称为电离能。2020/2/510名词解释之四：碰撞电离当具有动能的电子碰撞未电离的气体分子时，若电子动能超过分子电离所需的电离能时就会产生离子和新增的自由电子，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离的形成与电场强度和电子的平均自由行程的大小有关。2020/2/511eWiW二气体中带电质点的产生和消失产生：1）撞击游离2）光游离3）热游离4）金属表面游离：加热、强电场、撞击、光照5）气体分子俘获自由电子形成负离子消失：1）流入电极2）扩散3）复合2020/2/512三气体放电过程的一般描述——电子崩电子崩形成过程碰撞电离系数碰撞电离和电子崩形成的电流2020/2/513电子崩的形成2020/2/514电子崩的形成电子崩中的电子数目电子碰撞系数：表示一个电子沿电场方向运动1cm的行程中所完成的碰撞电离次数的平均值。电子数目n：对均匀电场：2020/2/5150()xnxne电子崩中的电子数目2020/2/516电子崩中的电子数目对极间距离为d的平板电极形成的均匀电场来说，抵达阳极的电子数应为。途中新增加的电子数或正离子数应为电流关系式非自持放电：当外施电压小于临界电压时，间隙内的电流数值很小，间隙还未被击穿，这时电流要依靠外电离因素来维持，如果取消外电离因素，电流将消失。2020/2/5170ddnne00(1)ddnnnne000deIIeInq0U过程表面游离系数：每一个正离子撞击阴极表面时使阴极释放出的电子数。2020/2/518电极间电荷增长的过程过程2020/2/519四自持放电条件2020/2/520汤逊气体放电理论过程：一个电子在气体间隙空间对气体分子进行碰撞并产生电子崩的过程——该过程具有普遍意义。过程：电离形成的正离子撞击阴极并释放出电子的过程。击穿过程：上述两个过程交替重复进行，自由电子数目越来越多，最终导致击穿。适用范围：2020/2/521五气体放电的主要类型－辉光放电2020/2/522气体放电的主要类型－电弧放电2020/2/523气体放电的主要类型－火花放电2020/2/524气体放电的主要类型－电晕放电2020/2/525六气体放电的流注理论以实验为基础，考虑了高电压、长间隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电过程的影响2020/2/526气体放电的流注理论主要内容2020/2/527（1）空间电荷对原有电场的影响（2）空间光电离的作用气体放电的流注理论流注：电离强度和发展速度远大于初始电子崩的新放电区（二次电子崩）以及它们不断汇入初崩通道的过程。流注理论2020/2/528七影响气体放电过程的各种因素——气压和间隙2020/2/529影响气体放电过程的各种因素——气压和间隙2020/2/530巴申定律击穿电压是气压p与距离d的乘积pd的函数击穿电压有最小值与汤逊机理在pd较小时相一致。2020/2/531影响气体放电过程的各种因素——温度2020/2/5321.2不均匀电场中的气体放电稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的极性效应放电时间和冲击电压下的气隙击穿2020/2/533一稍不均匀电场和极不均匀电场的特征稍不均匀电场中，和均匀电场中的情况类似，放电达到自持时，间隙就被击穿，即击穿电压就是其自持放电电压。极不均匀电场中，自持放电电压为电晕起始电压。电场不均匀系数2020/2/534f二极不均匀电场中的电晕放电电晕放电的一般描述由于电场强度沿气隙的分布极不均匀，因而当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电极附近空间的电场强度首先达到了起始场强E0，因而在这个局部区域出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅仅发生在强场区（小曲率半径电极附近空间）的局部放电称为电晕放电。2020/2/5352020/2/536在雨、雪、雾天气时，导线表面会出现许多水滴，它们在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化，结果在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放电。电晕放电的危害电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素，坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。电晕放电还会产生可闻噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。2020/2/537降低电晕放电的方法从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时的电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路的分裂线来说，找到最佳的分裂距，使导线表面最大电场强度值最小。2020/2/538电晕放电的有利之处2020/2/539在列举电晕放电所引起的危害之后，也应提到它有利的一面，例如：在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其幅值和降低其波前陡度。操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器等工业设施中得到广泛应用。三极不均匀电场中的极性效应2020/2/540极性效应在极不均匀电场中，放电一定从曲率半径较小的那个电极表面开始，与该电极极性无关。但后来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该电极的极性有密切的关系。极不均匀电场中的放电存在着明显的极性效应。2020/2/541决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电位符号：在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。2020/2/542下面以电场极不均匀的“棒-板”气隙（短间隙，间隙距离小于1米）为例，说明极不均匀电场中放电的极性效应。棒为正极性2020/2/543如图所示，棒极带正电位时，电子崩头部的电子到达棒极后即将被中和，棒极附近强场区内的电晕放电将在棒极附近空间留下许多正离子。2020/2/544这些正离子虽朝板极移动，但速度很慢而暂留在棒极附近2020/2/545这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，而加强了正离子群外部空间的电场，因此当电压进一步提高，随着电晕放电区的扩展，强场区亦将逐渐向板极方向推进，因而放电的发展是顺利的。棒为负极性2020/2/546如图1-13（a）所示：棒极负极性时，电子崩将由棒极表面出发向外发展，崩头的电子在离开强场（电晕）区后，虽不能再引起碰撞电离，但仍继续往板极运动2020/2/547在图1-13（b）中：留在棒极附近的也是大批正离子，这时它们将加强棒极表面附近的电场而削弱外围空间的电场，电场情况如图1-13（c）所示。2020/2/548所以，当电压进一步提高时，电晕区不易向外扩展，整个气隙击穿将是不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要比正极性时高得多，完成击穿过程所需的时间也要比正极性时长得多。2020/2/549输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电压的作用下，击穿发生在外加电压为正极性的那半周内。在进行外绝缘的冲击电压实验时，也往往施加正极性冲击电压，因为此时电气强度较低。2020/2/550结论在间隙距离d相同时（短间隙）虽然()()CCUU但是()()bbUUCU——电晕起始电压bU——击穿电压此称为极性效应2020/2/551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.主放电阶段温度更高、电导更大，轴向电场更小的等离子体火花通道。此时，间隙接近于短路状态，气隙完全丧失了绝缘性能。2020/2/552结论：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。四放电时间和冲击电压下的气隙击穿完成气隙击穿的三个必备条件：2020/2/553足够大的电场强度或足够高的电压在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成击穿2020/2/554完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）：直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述三个条件不成问题；当所加电压变化速度很快、作用时间很短的冲击电压，因有效作用时间短，以微秒计，此时放电时间就变成一个重要因素。（一）放电时间的组成2020/2/555总放电时间tb=t1+ts+tf后面两个分量之和称为放电时延tlag=ts+tf2020/2/556t1－气隙在持续电压下的击穿电压为Us，为所加电压从0上升到Us的时间；ts－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时间称为统计时延ts；tf－出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩，发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过程需要的时间称为放电形成时延tf。2020/2/557tb和tf都具有统计性放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电压的幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的越快，tb和tlag越短（二）冲击电压波形的标准化2020/2/558（1）标准雷电冲击电压波用来模拟电力系统中的雷电过电压波，标准雷电冲击电压如下图所示：2020/2/559T1－视在波前时间；T2－视在半峰值时间；Um－冲击电压峰值IEC和国标的规定为：T1＝1.2μs±30％T2＝50μs±20％一般写为1.2/50μs，有国家为1.5/40μs（2）标准操作冲击电压波2020/2/560图1-17操作冲击试验电压波形（a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波Tcr－波前时间；IEC和国标规定为：T2－半峰值时间；Tcr＝250μs±20％Um－冲击电压峰值T2＝2500μs±602020/2/561（三）冲击电压下气隙的击穿特性（1）50％冲击击穿电压（U50%）在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压（U50%）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是50％冲击击穿电压。U50%与Ur静态击穿电压的比值称为冲击系数β