介绍GIS装置及其绝缘技术第四讲

1、sf6装置内部放电特性主要内容n电极表面粗糙度和导电微粒对放电的影响nsf6气体中支持绝缘子的沿面放电特性一、影响sf6设备耐压的因素n气体特性n极间距离n电极材料n电极表面粗糙度n电极的表面积n导电微粒的污染1.电极材料n电极材料不同、加工工艺不同及清洗方法不同，可观察到击穿电压有明显的差别；nsf6自身的特点：很强的耐电性能、电负性气体。推论：电极材料对耐电强度应没有明显的影响。推论：电极材料对耐电强度应没有明显的影响。 对处于温度低于对处于温度低于200的工程用的工程用sf6气体绝缘的电气装置气体绝缘的电气装置来说，电极材料对耐电强度没有明显的影响。来说，电极材料对耐电强度没有明显的影响

2、。2.表面粗糙度对放电的影响n粗糙度系数（）：定性描述平均击穿场强的降低n原理：局部场强大于宏观平均场强n等效模型：n彼得逊（pedersen）：突起电极视为一个半球突起n坦特福特（tedford）：突起电极视为一个旋转半椭球体突起高度更具作用突起高度更具作用n在气压为0.4mpa时，表面加工粗糙度小于10m时将不会降低击穿强度n对于连续的突起：突起相互间的屏蔽作用，使电场畸变作用减少， 下降n车削加工的最大粗糙度可达30mn还存在电离增强的原因：导电微粒引起的触发击穿3.电极的表面积n容积效应：临界电子崩的发展n面积效应：放电发展影响特点n若不改变电场分布，sf6间隙eb随着电极面积增加而降

3、低n大面积电极表面粗糙度的影响很小n外施电压的波形和极性n负极性操作冲击比交流冲击场强受电极面积影响要小电极的老练n定义： 在高气压下，当外施场强的大小为100kv/cm时，击穿电压开始随放电次数的增加而提高，最后达到一稳定值。4.导电微粒的污染n影响因素n相关机理n抑制微粒污染作用的技术4.1.1 微粒材料n两类：导电微粒及绝缘微粒微粒受力模型 hve 运行方向 fq ffric fgrad g x ge x0 r 0 z 0 导电微粒 hve 运行方向 fq fvisc fgrad g x ge x0 r 0 z 0 导电微粒 不均匀电场下自由导电微粒受力模型 (a)微粒在接地电极表面时

4、(b)微粒在间隙中悬浮时 交流下非球体微粒分析4.1.2 微粒尺寸及形状n形状：细长形微粒比球形微粒的影响要大n自由导电微粒的运动轨迹与施加电压、微粒尺寸、微粒和电极材料的性质及电极表面状况有关4.1.3 微粒运动直流电压作用下微粒运动的仿真 t=07.5s时半径a=1mm的球状微粒的轨迹 0.012 0.008 0.004 0.000 0.12 0.14 0.16 0.18 x/m 原始 位置 谐振 z/m 0 2 4 6 t/s 微粒浮起 谐振 x/m 0.20 0.18 0.16 0.12 0.14 水平运行 极板间振动 0.012 0.008 0.004 0.000 z/m (a)微粒

5、在x-z平面内的运行轨迹 (b)微粒在x-t及z-t平面内的运行轨迹 x/m 0.35 0.30 0.15 0.25 0.20 0.10 0 4 8 12 2 6 10 t/s 微粒a1mm u20kv u19kv u18kv u17kv u16kv u15kv u14kv u13kv u12kv u11kv u10kv 微粒运动轨迹与电压关系(t=012.5s) x/m 0.8 0.6 0.4 0.2 0 4 8 12 t/s t0.9,n0.9 t0.6,n0.9 t0.3,n0.9 t0.9,n0.6 t0.6,n0.6 t0.3,n0.6 t0.3,n0.3 t0.6,n0.3 t0.

6、9,n0.3 不同反射系数下微粒运动轨迹的x-t图 n“飞萤”：直流电压下，微粒在一定电场作用下被举起，飞向另一电极。微粒将在电极间直流电压下n内电极为负极性：击穿电压明显低于无微粒时的击穿水平n内电极为正极性：击穿电压可达很高的值，如电压降低，微粒便在电极间飞速运动而导致在内电极处引发击穿。交流电压下n穿越电压随线性微粒长度的增加而明显降低4.1.4 电压波形、持续时间及极性n在交流和直流电压下，同轴系统的击穿出现在微粒一端接触或接近中心导体n脉冲电压下，大微粒（1mm）在脉冲时间内将不会运动n中心导体是正极性及在高气压时，有自由微粒情况下，击穿电压通常较低4.1.5 固定导电微粒对放电的影

7、响n电晕稳定作用n操作冲击时，电晕稳定与波前时间的长短有关系uhf检测固定金属微粒导致的局部放电4.2 击穿机理n微粒端部畸变电场中电离增加；n运动微粒周围气体密度下降；n由微粒与电极之间的微放电引起的触发作用；n微粒端部与电极接触瞬间的冲击电场等。4.3 控制微粒污染作用的技术n使气体绝缘系统更能容忍微粒n电极上覆盖介质n采用混合气体来降低击穿特性对电场变化的敏感n改进支撑绝缘子的结构设计n使微粒固定或限制在低电场n用粘性的涂料涂于外电极内表面，粘住微粒使其不能运动n绝缘子上设屏障，可以阻挡微粒的运动n设置陷阱n电压老练二、sf6气体中支持绝缘子的沿面放电特性n气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别

8、与材料n电场分布及其对沿面闪络电压的影响n屏蔽电极的影响n影响沿面闪络电压的其他因素1. 气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料n支撑绝缘子的类型n绝缘子的材料支撑绝缘子的类型n定义：gis及气体绝缘的管道输电线路中的导体在外壳中得到固定n单纯支持绝缘子n特点：机械强度高，闪络路径较长，绝缘设计较为合理，但成本高n绝缘子兼作隔离气体用 屏蔽绝缘子 支撑绝缘子绝缘子必须满足的要求n绝缘子表面无电场畸变和局部电场集中n绝缘子必须能承受长期电压作用而不老化损坏n具备一定的机械强度n绝缘子与导体、气体结合处不应有最大电场集中n使导体形成外屏蔽来减少交界处的电场n设计合适的绝缘子形状以降低sf6气体、导体

9、、绝缘子之间的电场绝缘子的材料n环氧树脂n机械强度高、耐电强度高、热膨胀与铝导体匹配较好、浇注性能和耐弧性能好n由于的原因，容易形成不利的电场分布，降低闪络电压n塑料n耐电强度高n耐热性较差、耐狐性能差2. 沿固体介质表面闪络现象的沿固体介质表面闪络现象的研究进展研究进展固体介质的沿面闪络现象固体介质的沿面闪络现象 在并联复合绝缘系统中，当在系统上施加一定的电压时，放电往往总是先在两种介质的交界面上发生，即沿面放电；当电压进一步升高，沿面放电发展成为贯穿性的击穿，这时称为沿面闪络，而发生闪络时的施加电场强度往往远低于绝缘材料本身耐电强度，并表现出很大分散性。 例如，真空的临界击穿场强约为350

10、kv/cm，高纯度氧化铝陶瓷约为300400kv/cm，而真空氧化铝系统的沿面闪络通常在几十kv/cm的施加电场下就会发生。 沿面闪络的实验研究模型沿面闪络的实验研究模型电 极电 极绝 缘 子电极绝缘子绝缘子电极沿面闪络实验研究的典型模型沿面闪络实验研究的典型模型影响沿面闪络的主要因素影响沿面闪络的主要因素n施加电压的波形施加电压的波形n绝缘子几何形状、表面状况以及绝缘子材料绝缘子几何形状、表面状况以及绝缘子材料n电极结构以及电极与绝缘子之间的接触方式电极结构以及电极与绝缘子之间的接触方式n绝缘材料的预放电处理绝缘材料的预放电处理n其它影响因素（温度、磁场）其它影响因素（温度、磁场）50100

11、150200250300350400450-60-40-200204060+_ / ()vf / kv+_12沿面闪络电压沿面闪络电压vf 与绝缘与绝缘子圆锥角子圆锥角 的关系曲线的关系曲线(绝缘子的材料为有机玻璃，长度为12.7mm)1脉宽50ns的电压脉冲 2脉宽5s的电压脉冲 沿面闪络机理的模型沿面闪络机理的模型+绝 缘 子+_一次电子发射电子倍增气体解吸附阴极阳极eee二次电子发射雪崩：沿面闪络过程的三个阶段：起始阶段一次电子的产生；发展阶段电子倍增过程；闪络击穿形成贯穿性放电通道。电子触发的极化松弛：绝缘材料在电场作用下发生极化，储存能量；在外界扰动下极化平衡状态被破坏，介质发生极化

12、松弛，引起极化能量的释放，触发沿面闪络。真空中沿面闪络的真空中沿面闪络的seea模型模型当前的研究难点与存在的问题当前的研究难点与存在的问题n对沿面闪络现象本质的认识不够清晰，大多只是作为一种电气电子现象在宏观领域开展研究。n沿面闪络是一种发生在高电场下的表面沿面闪络是一种发生在高电场下的表面(绝缘材料的表面绝缘材料的表面)界界面面(电极与绝缘材料的界面电极与绝缘材料的界面)物理现象，它与绝缘材料的表面物理现象，它与绝缘材料的表面以及电极与绝缘材料的交界面密切相关，很需要进一步从表以及电极与绝缘材料的交界面密切相关，很需要进一步从表面与界面物理学的层次上来进行分析研究。面与界面物理学的层次上来

13、进行分析研究。 n电极接触方式对沿面闪络的影响研究不够深入。n缺乏对电子发射之前的物理现象及其对闪络的影响的深入研究。n不能完善地解释沿面闪络总是发生在绝缘材料界面以及发生沿面闪络电场强度远低于绝缘材料的本征击穿场强的原因。实验方法举例芯能级specsamp真空谱仪金属分析样品x射线hkebefe采用x射线光电子能谱(x-ray photoelectron spectroscopy, xps)技术来分析试品的表面组分表面电位的测量表面电位的测量表面电位计rdcc0针尖试品铝盘调压变工频试验变铁板 (a) (b)绝缘材料充电及表面电位测量的实验装置示意图绝缘材料充电及表面电位测量的实验装置示意图

14、(a) 电晕放电法给绝缘材料充电 (b) 绝缘材料表面电位的测量 表面带电过程表面带电过程xdd-0+-+-负空间电荷+正空间电荷-+-电子空穴负离子+正离子ld+-+0针尖电极 (a) (b)绝缘材料充电过程分析的示意图绝缘材料充电过程分析的示意图(a) 注入电荷的形成(b) 陷阱电荷的分布表面电荷放电现象光电检测系统放电现象光电检测系统计算机水冷却装置电子冷却装置冷却系统v1m1m2v2v3pmt/iccd高压电源同轴电极试品塑料支架聚焦透镜石英玻璃窗滤光片高压探头数字示波器计算机电压信号测量系统真空腔真空系统预放大单元光子计数系统计算机光电信号测量系统1(pmt)光电信号测量系统2(ic

15、cd)光电图像处理系统计算机氧化铝试品的电极数字示波器电流信号测量系统1测量阻抗计算机微电流计电流信号测量系统2m1 - 机械旋转泵 m2 - 涡轮分子泵 v1,v2,v3 - 真空阀光子计数法光子计数法(a)t(b)t t电压脉冲信号向发光强度信号的变换电压脉冲信号向发光强度信号的变换(a) 对应于光子发射的电压脉冲 (b) 发光强度信号 n发光现象与传统的沿面闪络机理不一致发光现象与传统的沿面闪络机理不一致n电极接触方式的影响电极接触方式的影响n绝缘材料类型的影响绝缘材料类型的影响n电压极性的影响电压极性的影响两种不同电极接触方式的界面能量两种不同电极接触方式的界面能量(b)ef距离电子能

16、量aufeaufeevlecegev界面体内导 带禁带价 带-au(a)ef距离电子能量fefe能隙evlecegev界面体内导 带禁带价 带-fe已占用的状态未占用的状态金属金属电介质界面处能量分布示意图电介质界面处能量分布示意图(a) 未采用真空溅射金属电极的界面未采用真空溅射金属电极的界面 (b) 采用真空溅射金属电极的界面采用真空溅射金属电极的界面直流电压下沿面闪络起始与发直流电压下沿面闪络起始与发展展真 空阴 极阳 极表层体内+-空穴注入电子注入12423解释沿面闪络的起始和发展的综合模型解释沿面闪络的起始和发展的综合模型1初始于初始于ctj的一次电子发射的一次电子发射 2二次电子发射雪崩二次电子发射雪崩3注入电子和空穴的复合注入电子和空穴的复合(产生电致发光产生电致发光)4被俘获在陷阱中心的电子的脱陷被俘获在陷阱中心的电子的脱陷试品表面发光的空间分布特性试品表面发光的空间分布特性聚四氟乙烯试品表面发光的iccd图 (采用真空溅射电极，内电极为正极性)10