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1、SF6装置内部放电特性,主要内容,电极表面粗糙度和导电微粒对放电的影响 SF6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,气体特性 极间距离 电极材料 电极表面粗糙度 电极的表面积 导电微粒的污染,1.电极材料,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； SF6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。,对处于温度低于200的工程用SF6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。,2.表面粗糙度对放电的影响,粗糙度系数（）：定性描述平均击穿场强的降低 原理：局部场强大于宏观平均场强 等效模
2、型： 彼得逊（Pedersen）：突起电极视为一个半球突起 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,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 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 车削加工的最大粗糙度可达30m 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,容积效应：临界电子崩的发展 面积效应：放电发展,影响特点,若不改变电场分布，SF6间隙Eb随着电极面积增加而降低 大面积电极表面粗糙度的影响很小 外施电压的波形和极性 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,定义
3、： 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,影响因素 相关机理 抑制微粒污染作用的技术,4.1.1 微粒材料,两类：导电微粒及绝缘微粒,微粒受力模型,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,(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,形状：细长形微粒比球形微粒的影响要大,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,(a
4、)微粒在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,微粒运动轨迹与电压关系(t=012.5s),不同反射系数下微粒运动轨迹的x-t图,“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,内电极为负极性：击穿电压明显低于无微粒时的击穿水平 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,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,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 脉冲电压下，大微粒（1mm）在脉冲时间内
5、将不会运动 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响,电晕稳定作用 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,微粒端部畸变电场中电离增加； 运动微粒周围气体密度下降； 由微粒与电极之间的微放电引起的触发作用； 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,使气体绝缘系统更能容忍微粒 电极上覆盖介质 采用混合气体来降低击穿特性对电场变化的敏感 改进支撑绝缘子的结构设计,使微粒固定或限制在低电场 用粘性的涂料涂于外电极内表面，粘住微粒使其不能运动 绝缘子上
6、设屏障，可以阻挡微粒的运动 设置陷阱 电压老练,二、SF6气体中支持绝缘子的沿面放电特性,气体绝缘系统中支撑绝缘子的类别与材料 电场分布及其对沿面闪络电压的影响 屏蔽电极的影响 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,支撑绝缘子的类型 绝缘子的材料,支撑绝缘子的类型,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 单纯支持绝缘子 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 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,绝缘子表面无电场畸变和局部电场集中 绝缘子必须能承受长期电压作用而不老化损坏 具备一定的机械强
7、度 绝缘子与导体、气体结合处不应有最大电场集中 使导体形成外屏蔽来减少交界处的电场 设计合适的绝缘子形状以降低SF6气体、导体、绝缘子之间的电场,绝缘子的材料,环氧树脂 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 由于的原因，容易形成不利的电场分布，降低闪络电压 塑料 耐电强度高 耐热性较差、耐狐性能差,2. 沿固体介质表面闪络现象的研究进展,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
8、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350kV/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,沿面闪络实验研究的典型模型,影响沿面闪络的主要因素,施加电压的波形 绝缘子几何形状、表面状况以及绝缘子材料 电极结构以及电极与绝缘子之间的接触方式 绝缘材料的预放电处理 其它影响因素（温度、磁场）,沿面闪络电压Vf 与绝缘子圆锥角 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,二次电子发射雪
9、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SEEA模型,当前的研究难点与存在的问题,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。 沿面闪络是一种发生在高电场下的表面(绝缘材料的表面)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。 电极接触
10、方式对沿面闪络的影响研究不够深入。 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。 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,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,(a) (b) 绝缘材料充电及表面电位测量的实验装置示意图 (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,(a) (b) 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
11、电现象光电检测系统,光子计数法,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,沿面闪络的起始与发展过程的影响因素,发光现象与传统的沿面闪络机理不一致 电极接触方式的影响 绝缘材料类型的影响 电压极性的影响,两种不同电极接触方式的界面能量,金属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 (b) 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展,解释沿面闪络的起始和发展的综合模型 1初始于CTJ的一次电子发射 2二次电子发射雪崩 3注入电子和空穴的复合(产生电致发光) 4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,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),聚四氟乙烯试品表面发光的ICCD图 (采用真空溅射电极，内电极为负极性),聚四氟乙烯试品表面发光的ICCD图 (未采用真空溅射电极，内电极为正极性),