介紹GIS裝置及其絕緣技術(shù)第四講.ppt

SF6裝置內(nèi)部放電特性,主要內(nèi)容,電極表面粗糙度和導(dǎo)電微粒對(duì)放電的影響 SF6氣體中支持絕緣子的沿面放電特性,一、影響SF6設(shè)備耐壓的因素,氣體特性 極間距離 電極材料 電極表面粗糙度 電極的表面積 導(dǎo)電微粒的污染,1.電極材料,電極材料不同、加工工藝不同及清洗方法不同，可觀察到擊穿電壓有明顯的差別； SF6自身的特點(diǎn)：很強(qiáng)的耐電性能、電負(fù)性氣體。,推論：電極材料對(duì)耐電強(qiáng)度應(yīng)沒(méi)有明顯的影響。,對(duì)處于溫度低于200的工程用SF6氣體絕緣的電氣裝置來(lái)說(shuō)，電極材料對(duì)耐電強(qiáng)度沒(méi)有明顯的影響。,2.表面粗糙度對(duì)放電的影響,粗糙度系數(shù)（）：定性描述平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)的降低 原理：局部場(chǎng)強(qiáng)大于宏觀平均場(chǎng)強(qiáng) 等效模型： 彼得遜（Pedersen）：突起電極視為一個(gè)半球突起 坦特福特（Tedford）：突起電極視為一個(gè)旋轉(zhuǎn)半橢球體,突起高度更具作用,在氣壓為0.4MPa時(shí)，表面加工粗糙度小于10m時(shí)將不會(huì)降低擊穿強(qiáng)度 對(duì)于連續(xù)的突起：突起相互間的屏蔽作用，使電場(chǎng)畸變作用減少， 下降 車(chē)削加工的最大粗糙度可達(dá)30m 還存在電離增強(qiáng)的原因：導(dǎo)電微粒引起的觸發(fā)擊穿,3.電極的表面積,容積效應(yīng)：臨界電子崩的發(fā)展 面積效應(yīng)：放電發(fā)展,影響特點(diǎn),若不改變電場(chǎng)分布，SF6間隙Eb隨著電極面積增加而降低 大面積電極表面粗糙度的影響很小 外施電壓的波形和極性 負(fù)極性操作沖擊比交流沖擊場(chǎng)強(qiáng)受電極面積影響要小,電極的老練,定義： 在高氣壓下，當(dāng)外施場(chǎng)強(qiáng)的大小為100kV/cm時(shí)，擊穿電壓開(kāi)始隨放電次數(shù)的增加而提高，最后達(dá)到一穩(wěn)定值。,4.導(dǎo)電微粒的污染,影響因素 相關(guān)機(jī)理 抑制微粒污染作用的技術(shù),4.1.1 微粒材料,兩類(lèi)：導(dǎo)電微粒及絕緣微粒,微粒受力模型,不均勻電場(chǎng)下自由導(dǎo)電微粒受力模型,(a)微粒在接地電極表面時(shí),(b)微粒在間隙中懸浮時(shí),交流下非球體微粒分析,4.1.2 微粒尺寸及形狀,形狀：細(xì)長(zhǎng)形微粒比球形微粒的影響要大,自由導(dǎo)電微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與施加電壓、微粒尺寸、微粒和電極材料的性質(zhì)及電極表面狀況有關(guān),4.1.3 微粒運(yùn)動(dòng),直流電壓作用下微粒運(yùn)動(dòng)的仿真,t=07.5s時(shí)半徑a=1mm的球狀微粒的軌跡,(a)微粒在x-z平面內(nèi)的運(yùn)行軌跡,(b)微粒在x-t及z-t平面內(nèi)的運(yùn)行軌跡,微粒運(yùn)動(dòng)軌跡與電壓關(guān)系(t=012.5s),不同反射系數(shù)下微粒運(yùn)動(dòng)軌跡的x-t圖,“飛螢”：直流電壓下，微粒在一定電場(chǎng)作用下被舉起，飛向另一電極。微粒將在電極間,直流電壓下,內(nèi)電極為負(fù)極性：擊穿電壓明顯低于無(wú)微粒時(shí)的擊穿水平 內(nèi)電極為正極性：擊穿電壓可達(dá)很高的值，如電壓降低，微粒便在電極間飛速運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致在內(nèi)電極處引發(fā)擊穿。,交流電壓下,穿越電壓隨線性微粒長(zhǎng)度的增加而明顯降低,4.1.4 電壓波形、持續(xù)時(shí)間及極性,在交流和直流電壓下，同軸系統(tǒng)的擊穿出現(xiàn)在微粒一端接觸或接近中心導(dǎo)體 脈沖電壓下，大微粒（1mm）在脈沖時(shí)間內(nèi)將不會(huì)運(yùn)動(dòng) 中心導(dǎo)體是正極性及在高氣壓時(shí)，有自由微粒情況下，擊穿電壓通常較低,4.1.5 固定導(dǎo)電微粒對(duì)放電的影響,電暈穩(wěn)定作用 操作沖擊時(shí)，電暈穩(wěn)定與波前時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)系,UHF檢測(cè)固定金屬微粒導(dǎo)致的局部放電,4.2 擊穿機(jī)理,微粒端部畸變電場(chǎng)中電離增加； 運(yùn)動(dòng)微粒周?chē)鷼怏w密度下降； 由微粒與電極之間的微放電引起的觸發(fā)作用； 微粒端部與電極接觸瞬間的沖擊電場(chǎng)等。,4.3 控制微粒污染作用的技術(shù),使氣體絕緣系統(tǒng)更能容忍微粒 電極上覆蓋介質(zhì) 采用混合氣體來(lái)降低擊穿特性對(duì)電場(chǎng)變化的敏感 改進(jìn)支撐絕緣子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使微粒固定或限制在低電場(chǎng) 用粘性的涂料涂于外電極內(nèi)表面，粘住微粒使其不能運(yùn)動(dòng) 絕緣子上設(shè)屏障，可以阻擋微粒的運(yùn)動(dòng) 設(shè)置陷阱 電壓老練,二、SF6氣體中支持絕緣子的沿面放電特性,氣體絕緣系統(tǒng)中支撐絕緣子的類(lèi)別與材料 電場(chǎng)分布及其對(duì)沿面閃絡(luò)電壓的影響 屏蔽電極的影響 影響沿面閃絡(luò)電壓的其他因素,1. 氣體絕緣系統(tǒng)中支撐絕緣子的類(lèi)別與材料,支撐絕緣子的類(lèi)型 絕緣子的材料,支撐絕緣子的類(lèi)型,定義：GIS及氣體絕緣的管道輸電線路中的導(dǎo)體在外殼中得到固定 單純支持絕緣子 特點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高，閃絡(luò)路徑較長(zhǎng)，絕緣設(shè)計(jì)較為合理，但成本高 絕緣子兼作隔離氣體用,屏蔽絕緣子 支撐絕緣子,絕緣子必須滿足的要求,絕緣子表面無(wú)電場(chǎng)畸變和局部電場(chǎng)集中 絕緣子必須能承受長(zhǎng)期電壓作用而不老化損壞 具備一定的機(jī)械強(qiáng)度 絕緣子與導(dǎo)體、氣體結(jié)合處不應(yīng)有最大電場(chǎng)集中 使導(dǎo)體形成外屏蔽來(lái)減少交界處的電場(chǎng) 設(shè)計(jì)合適的絕緣子形狀以降低SF6氣體、導(dǎo)體、絕緣子之間的電場(chǎng),絕緣子的材料,環(huán)氧樹(shù)脂 機(jī)械強(qiáng)度高、耐電強(qiáng)度高、熱膨脹與鋁導(dǎo)體匹配較好、澆注性能和耐弧性能好 由于的原因，容易形成不利的電場(chǎng)分布，降低閃絡(luò)電壓 塑料 耐電強(qiáng)度高 耐熱性較差、耐狐性能差,2. 沿固體介質(zhì)表面閃絡(luò)現(xiàn)象的研究進(jìn)展,固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象,在并聯(lián)復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，當(dāng)在系統(tǒng)上施加一定的電壓時(shí)，放電往往總是先在兩種介質(zhì)的交界面上發(fā)生，即沿面放電；當(dāng)電壓進(jìn)一步升高，沿面放電發(fā)展成為貫穿性的擊穿，這時(shí)稱(chēng)為沿面閃絡(luò)，而發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的施加電場(chǎng)強(qiáng)度往往遠(yuǎn)低于絕緣材料本身耐電強(qiáng)度，并表現(xiàn)出很大分散性。 例如，真空的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為350kV/cm，高純度氧化鋁陶瓷約為300400kV/cm，而真空氧化鋁系統(tǒng)的沿面閃絡(luò)通常在幾十kV/cm的施加電場(chǎng)下就會(huì)發(fā)生。,沿面閃絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究模型,沿面閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究的典型模型,影響沿面閃絡(luò)的主要因素,施加電壓的波形 絕緣子幾何形狀、表面狀況以及絕緣子材料 電極結(jié)構(gòu)以及電極與絕緣子之間的接觸方式 絕緣材料的預(yù)放電處理 其它影響因素（溫度、磁場(chǎng)）,沿面閃絡(luò)電壓Vf 與絕緣子圓錐角 的關(guān)系曲線(絕緣子的材料為有機(jī)玻璃，長(zhǎng)度為12.7mm) 1脈寬50ns的電壓脈沖 2脈寬5s的電壓脈沖,沿面閃絡(luò)機(jī)理的模型,二次電子發(fā)射雪崩：沿面閃絡(luò)過(guò)程的三個(gè)階段：起始階段一次電子的產(chǎn)生；發(fā)展階段電子倍增過(guò)程；閃絡(luò)擊穿形成貫穿性放電通道。,電子觸發(fā)的極化松弛：絕緣材料在電場(chǎng)作用下發(fā)生極化，儲(chǔ)存能量；在外界擾動(dòng)下極化平衡狀態(tài)被破壞，介質(zhì)發(fā)生極化松弛，引起極化能量的釋放，觸發(fā)沿面閃絡(luò)。,真空中沿面閃絡(luò)的SEEA模型,當(dāng)前的研究難點(diǎn)與存在的問(wèn)題,對(duì)沿面閃絡(luò)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不夠清晰，大多只是作為一種電氣電子現(xiàn)象在宏觀領(lǐng)域開(kāi)展研究。 沿面閃絡(luò)是一種發(fā)生在高電場(chǎng)下的表面(絕緣材料的表面)界面(電極與絕緣材料的界面)物理現(xiàn)象，它與絕緣材料的表面以及電極與絕緣材料的交界面密切相關(guān)，很需要進(jìn)一步從表面與界面物理學(xué)的層次上來(lái)進(jìn)行分析研究。 電極接觸方式對(duì)沿面閃絡(luò)的影響研究不夠深入。 缺乏對(duì)電子發(fā)射之前的物理現(xiàn)象及其對(duì)閃絡(luò)的影響的深入研究。 不能完善地解釋沿面閃絡(luò)總是發(fā)生在絕緣材料界面以及發(fā)生沿面閃絡(luò)電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于絕緣材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)的原因。,實(shí)驗(yàn)方法舉例,采用X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)技術(shù)來(lái)分析試品的表面組分,表面電位的測(cè)量,(a) (b) 絕緣材料充電及表面電位測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (a) 電暈放電法給絕緣材料充電 (b) 絕緣材料表面電位的測(cè)量,表面帶電過(guò)程,(a) (b) 絕緣材料充電過(guò)程分析的示意圖 (a) 注入電荷的形成 (b) 陷阱電荷的分布,表面電荷,放電現(xiàn)象光電檢測(cè)系統(tǒng),光子計(jì)數(shù)法,電壓脈沖信號(hào)向發(fā)光強(qiáng)度信號(hào)的變換 (a) 對(duì)應(yīng)于光子發(fā)射的電壓脈沖 (b) 發(fā)光強(qiáng)度信號(hào),沿面閃絡(luò)的起始與發(fā)展過(guò)程的影響因素,發(fā)光現(xiàn)象與傳統(tǒng)的沿面閃絡(luò)機(jī)理不一致 電極接觸方式的影響 絕緣材料類(lèi)型的影響 電壓極性的影響,兩種不同電極接觸方式的界面能量,金屬電介質(zhì)界面處能量分布示意圖 (a) 未采用真空濺射金屬電極的界面 (b) 采用真空濺射金屬電極的界面,直流電壓下沿面閃絡(luò)起始與發(fā)展,解釋沿面閃絡(luò)的起始和發(fā)展的綜合模型 1初始于CTJ的一次電子發(fā)射 2二