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不均勻電場中氣隙的放電特性
閱讀：1613發(fā)布時間：2024-3-25
在電力工程的大多數(shù)實際絕緣結(jié)構(gòu)中，電場都是不均勻的。不均勻電場可分為稍不的勻電場和極不均勻電場，全封閉組合電器(GIS)的母線筒和高壓實驗室中測量電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場；高壓輸電線之間的空氣絕緣和實驗室中高壓發(fā)生器的輸出端對墻的空氣絕緣則是極不均勻電場。稍不均勻電場中放電的特點與均勻電場中相似，在間隙擊穿前看不到有什么放電的跡象。而不均勻電場(以下指的不均勻電場就是指極不均勻電場)中空氣間隙的放電具有一系列的特點，因此，研究不均勻電場中氣體放電的規(guī)律有很大的實際意義。
考慮到實際絕緣結(jié)構(gòu)中電場分布形式的多樣性，常用棒一棒(或針一針)和棒一板(或針一板)間隙的電場作為典型的不均勻電場來研究。工程上遇到不均勻電場時，可根據(jù)這兩種典型電極的電壓擊穿數(shù)據(jù)來估算絕緣距離。如果實際的電場分布不對稱(如輸電線路的導(dǎo)線一地間隙)，可參照棒一板電極的數(shù)據(jù)；如果實際的電場分布對稱(如輸電線路的導(dǎo)線—導(dǎo)線間隙)，可參照棒一棒電極的數(shù)據(jù)。
一、電暈放電現(xiàn)象
當(dāng)電場極不均勻時，間隙中的最大場強與平均場強相差很大。間隙中的最大場強通常出現(xiàn)在曲率半徑小的電極表面附近。在其他條件相同的情況下，電極曲率半徑越小，最大場強就越大，電場分布也就越不均勻。
不均勻電場中，隨間隙上所加電壓的升高，在曲率半徑小的電極附近空間的局部場強將先達到足以引起強烈游離的數(shù)值，在棒電極附近很薄的一層空氣里將達到自持放電條件，于是在這一局部區(qū)域形成自持放電，但由于間隙中的其余部分的場強較小，所以此游離區(qū)不可能擴展很大，僅局限在棒電極附近的強電場范圍內(nèi)。伴隨著游離而存在的復(fù)合和反激發(fā)，發(fā)出大量的光輻射，在黑暗里可看到在該電極周國有薄薄的淡紫色發(fā)光層，有些像日月的暈光，故稱電暈放電，這個發(fā)光層叫電暈層。由于游離層不可能向外擴展，所以雖然電暈放電是自持放電，但整個間隙仍未擊穿。要使間隙擊穿，必須繼續(xù)升高電壓。
電暈放電是極不均勻電場所的一種自持放電形式，通常將開始出現(xiàn)電暈時的電壓稱為電暈起始電壓，它小于間隙的電壓擊穿，電場越不均勻，兩者的差值就越大。開始出現(xiàn)電暈時電極表面的場強稱為電暈起始場強。電暈放電是極不均勻電場的一個特征，通常把能否出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電作為區(qū)別不均勻電場和稍不均勻電場的標(biāo)志。
工程上經(jīng)常遇到極不均勻電場，架空輸電線就是其中一個例子。在陰雨等惡劣天氣時，在高壓輸電線附近常常可聽到電暈放電的咝咝聲，夜晚還可看到導(dǎo)線周圍有淡紫色的暈光，一些高壓設(shè)備上也會出現(xiàn)電暈：電暈放電會帶來許多不利的影響。電暈放電時產(chǎn)生的光、聲、熱的效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等都會引起能量損耗；電暈電流是多個斷續(xù)的脈沖，會形成高頻電磁波，它既能造成輸電線路上的功率損耗，也能產(chǎn)生對無線電通信和測量的嚴(yán)重干擾；電暈放電還會使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成臭氧及氧化氮等，不但產(chǎn)生臭味而且還產(chǎn)生氧化和腐蝕作用。所以應(yīng)力求避免或限制電暈放電的產(chǎn)生。在超高壓輸電線路上普遍采用分裂導(dǎo)線來防止產(chǎn)生電暈放電。
當(dāng)然，事物總是一分為二的，電暈放電在某些場合也有對人類有利的一面，例如電暈可削弱輸電線路上電壓波的幅值和陡度，也可以使操作過電壓產(chǎn)生衰減，人們可以利用電暈放電凈化工業(yè)廢氣，制造凈化水和空氣用的臭氧發(fā)生器，發(fā)展靜電噴涂技術(shù)和電除塵等。
二、電暈放電的起始場強
對于輸電線路的導(dǎo)線，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下電暈起始場強EC(指導(dǎo)線的表面場強，交流電壓下電壓用峰值表示)的經(jīng)驗表達式為
式中r——導(dǎo)線半徑，cm。
式(1-11)表明，導(dǎo)線半徑r越小，則EC值越大，這是可以理解的。因為r越小，電場越不均勻，即間隙中場強隨離導(dǎo)線距離的增加而下降將越快，也就是說碰撞游離系數(shù)α隨離導(dǎo)線距離的增加而減小越快。
式(1-11)表明，當(dāng)r→∞時(即均勻電場的情況)，EC=30kV/cm，與第二節(jié)給出的值是一致的。
對于非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，要進行氣體密度的修正，此時式(1-11)應(yīng)改為
(1-12)
式中 δ——氣體的相對密度，見式(1-10)。
實際上導(dǎo)線表面并不是光滑的，所以對絞線要考慮導(dǎo)線的表面粗糙系數(shù)m1，此外對于雨雪等使導(dǎo)線表面偏離理想狀態(tài)的因素(雨水的水滴相當(dāng)于導(dǎo)線表面形成了凸起的導(dǎo)電物)可用系數(shù)m2加以考慮。此時式(1-12)應(yīng)改寫為
理想光滑導(dǎo)線m1=1，絞線m1=0.8～0.9；好天氣時m2=1，壞天氣時m2可按0.8估算。
算得EC后就不難根據(jù)電極布置求得電暈起始電壓UC。例如對于離地高度為h的單根導(dǎo)線可寫出
對于距離為D的兩根平行導(dǎo)線(D＞＞r)則可寫出
對于三相輸電線路，式(1-15)中的UC代表相電壓，D為導(dǎo)線的幾何均距，
。
三、極不均勻電場中的放電過程
現(xiàn)在以棒—板為例來研究極不均勻電場中放電的發(fā)展過程。當(dāng)逐步升高棒—板間隙上的電壓，將首先在場強最大的棒部出現(xiàn)電暈。 當(dāng)棒部曲率很小時，電暈開始時表面的高場強區(qū)很窄，所以電暈層很薄，且較均勻。隨著電壓的升高，電暈層不斷擴大，個別電子崩形成流注，電暈層就不再是均勻的，如果電極的曲率半徑較大，則因高場強區(qū)較寬，電暈一開始就表現(xiàn)為比較強烈的流注形式。電壓進一步升高，個別流注繼續(xù)發(fā)展，最后流注貫通間隙，導(dǎo)致間隙擊穿。
當(dāng)間隙距離較長(S＞1m)時，在流注通道還不足以貫通整個間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過程，當(dāng)棒一板間隙中，從棒極開始的流注通道發(fā)展到足夠的長度后，將有較多的電子沿通道流向電極，電子在沿通道運動過程中，由于碰撞引起氣體溫度升高，通道逐漸熾熱起來。通道根部通過的電子最多，故流注根部的溫度最高，當(dāng)電子越多和根部越細(xì)時，根部的溫度越高，可達數(shù)千度或更高，足以使氣體產(chǎn)生熱游離，于是從根部出發(fā)形成一段熾熱的高游離火花通道，這個具有熱游離過程的通道稱為先導(dǎo)通道。由于先導(dǎo)通道中出現(xiàn)了新的更為強烈的游離過程，故先導(dǎo)通道中帶電質(zhì)點的濃度遠(yuǎn)大于流注通道，因而電導(dǎo)大，壓降小。由于流注通道中的一部分轉(zhuǎn)發(fā)為先導(dǎo)，就使得流注區(qū)頭部的電場加強，從而為流注維續(xù)伸長到對面電極并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)創(chuàng)造了條件。這過程稱為先導(dǎo)放電。
當(dāng)先導(dǎo)通道發(fā)展到接近對面電極時，在余下的小間隙中的場強可達到極大的數(shù)值，從而引起強烈的游離，這一強游離區(qū)又以的速度向相反方向傳播，此過程稱為主效電，當(dāng)放電形成的高電導(dǎo)通道貫穿兩電極間隙后，間隙就類似被短路，失去其絕緣性能擊穿過程就完成了。
下面介紹長時電壓(工頻或直流）作用下空氣間隙的放電特性。圖1-8表示球一板空氣間隙在工頻電壓作用下的特性，由圖中可以看出：
(1)當(dāng)間隙距離增加到一定數(shù)值，間隙由稍不均勻電場轉(zhuǎn)變?yōu)闃O不均勻電場，此時將會在較低的電壓下首先出現(xiàn)電暈放電，當(dāng)電壓 進一步升高時，才發(fā)生擊穿。
(2)間隙的電暈起始電壓主要取決于電極的表面形狀，即其曲率半徑，而與間隙距離的關(guān)系不大。當(dāng)球的直徑越小，電暈起始電壓就越低。
(3)隨著間隙距離的增加，電場的不均勻程度逐步增大，間隙的平均擊穿場強也逐漸由均勻電場的30kV(幅值)/cm左右逐漸減小到不均勻電場中的5kV(幅值)/cm以下。極不均勻電場中的平均擊穿場強之所以低于均勻電場，是由于前者在較低的平均場強下，局部的場強就已超過自持放電的臨界值，形成電子崩和流注（長間隙中還有先導(dǎo)放電)。流注或先導(dǎo)導(dǎo)電通道向間隙深處發(fā)展，相當(dāng)于縮短了間隙的距離，所以擊穿就比較容易，需要的平均場強也就較低。
(4)在極不均電場的情況下，不管是棒一板間隙或是不同直經(jīng)的球一板間隙，電壓擊穿和距離的關(guān)系曲線都比較接近。這就是說，在極不均勻電場中，電壓擊穿主要決定于間隙距離，而與電極形狀的關(guān)系不大。因此在工程實踐中常用棒—板或棒一棒這兩種類型間隙的擊穿特性曲線作為選擇絕緣距離的參考。
四、極性效應(yīng)
對于電極形狀不對稱的棒一板間隙，電壓擊穿與棒的極性有很大的關(guān)系，這就是所謂的極性效應(yīng)。極性效應(yīng)是不對稱的不均勻電場中的一個明顯的特性。
在棒—板間隙上加上電壓，無論棒的極性如何，間隙上的電場分布總是很不均勻的。如圖1-9(c)及圖1-10(c)中曲線1所示，在曲率半徑小的棒電極附近的電場特別強。當(dāng)此處的場強超過氣體游離所需的電場強度時，氣體開始游離，產(chǎn)生電子和正離子。當(dāng)棒電極為正極時，正棒—負(fù)極間隙中游離產(chǎn)生的正空間電荷的分布如圖1-9(a)所示。在棒附近游離產(chǎn)生的電子首先形成電子崩，電子崩的電子迅進入棒電極，留下來的正離子緩慢地向板極移動，于是在棒極附近就積聚起正空間電荷，這些正空間電荷使緊貼棒極附近的電場減弱，棒極附近難以形成流注，從而使自持放電難以實現(xiàn)，即電暈放電難以實現(xiàn)，故其電暈起始電壓較高；而正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生的附加電場與原電場方向一致，加強了朝向板極的電場，如圖1-9(b)所示，有利于流注向間隙深處發(fā)展。故其電壓擊穿較低。
當(dāng)棒為負(fù)極時，負(fù)棒一正板間隙中，空間電荷的分布見圖1-10。棒端形成電子崩的電子迅速向板極移動，棒附近的正空間電荷緩慢地向棒極移動，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場加強了朝向棒端的電場強度，從而使棒附近容易形成流注，故容易形成自持放電。所以其電暈起始電壓較低：在間隙深處，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場與原電場方向相反，削弱了朝向板極方向的電場強度，使放電的發(fā)展比較困難，因而電壓擊穿就較高。
當(dāng)電極極性不同時，在直流電壓作用下，棒一板與棒一棒空氣間隙的直流電壓擊穿與間隙距離的關(guān)系如圖1-11和圖1-12所示，圖中UF為間隙的直流電壓擊穿，S為間隙距離。由圖中可看出，棒—棒電極間的電壓擊穿介于極性不同的棒—板電極之間，這是可以理解的。
因為棒一板間隙中有正極性，放電容易由此發(fā)展，故其電壓擊穿比負(fù)棒—正板間隙低：但棒—棒間隙有兩個，即有兩個強電場區(qū)域，而在同樣間隙距離下，強電場區(qū)域增多后，通常其電場均勻程度會增加，因此棒—棒間隙的最大場強比棒—板間隙低，從而使電壓擊穿比正棒—負(fù)板間隙高。
在工頻電壓作用下，不同間隙的電壓擊穿UF和間隙距離S的關(guān)系如圖1-13所示。棒一板間隙在工頻電壓作用下的擊穿總是在棒的極性為正、電壓達幅值時發(fā)生，并且其電壓擊穿（幅值)和直流電壓下正棒一負(fù)板的電壓擊穿相近。從圖1-13可知，除起始部分外，電壓擊穿與間隙距離近似成直線關(guān)系，棒一棒間隙的平均擊穿場強為3.8kV (有效值)/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒—板間隙稍低一些，約為3.35kV(有效值)/cm或4.8kV(幅值)/cm。
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