尖-板放电和沿面放电.pdf

试验二 尖-板放电和沿面放电 一、实验目的一、实验目的 1 掌握尖-板放电和沿面放电的基本概念。2 观察尖-板气隙放电击穿、气体沿面放电等现象及其特点。3 了解气体放电的原理和气体放电的现象和形式、影响因素及伴随的效应。4 认识其发展过程及影响击穿电压的各主要因素，加深对气体放电理论的理解。二、实验预习 二、实验预习 概念：电离；撞击电离；光电离；电晕；电子崩；流注；先导放电；自持放电；滑闪放电；沿面放电；电击穿；热击穿，雷电放电。判断：空气是绝缘介质；电晕放电的现象；尖板放电是不均匀电场造成的；沿面放电是特殊的气体放电，沿面放电的三个阶段；沿面闪络电压小于气隙击穿电压。相关知识点：电场、介质极化、偶极子、介电常数、气隙击穿、帕邢定律、汤森德放电理论、流注放电理论、电晕放电、伏秒特性、大气过电压、内部过电压。三、实验内容三、实验内容 1.测量尖-板放电中不同气隙间距的击穿电压，并观察气隙击穿的现象及伴随的效应。2.观察固体绝缘介质（玻璃）表面气隙击穿实验现象、实验特性和伴随的实验效应。1)刷状放电的观察 2)滑闪放电的观察 3)沿面闪络的观察 四、实验仪器四、实验仪器 1 实验开关指示操作台。2 量程（0600）V 电压表。3 接触调压器 TDGC-10/0.5，输入 220V，输出（0-250）V。4 试验变压器 YDJ-10（100/0.22）kV。5 50cm 绝缘水电阻。6 交流尖板放电装置：尖极、板极、塑料屏障、滑轨、标尺。7 沿面放电实验装置：圆柱电极一对、玻璃板。8 接地线。五、尖-板放电和沿面放电实验原理 五、尖-板放电和沿面放电实验原理 1气体带电质点的产生 1气体带电质点的产生 纯净的中性状态的气体是不导电的,只有在气体中出现了带电质点(电子、离子等)以后，才能导电，并在电场的作用下，发展成各种形式的气体放电现象。气体中带电质点的来源为：一是气体分子本身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发生表面电离。当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就跳出原子轨道之外，成为自由电子。这样，就使原来的一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子，这种现象称为电离。达到电离所需要的最小能量称为电离能。电离的形式有：撞击电离；光电离；热电离；表面电离；负离子的形成。2.电子崩的形成 2.电子崩的形成 在气隙电场作用下，电子向阳极方向加速运动，动能增加。同时，电子在其运动过程中不断和气体分子碰撞。当电场很强，电子所积累的能量达到能产生撞击电离时，就能引起撞击电离。分子电离后新产生的电子和离子又将从气隙电场获得动能，继续参与到撞击电离过程中，电离过程就像雪崩似地增长起来，电子数目激增，形成电子崩，放电电流也随之有较大的增长。由于电子的迁移速率要比正离子的大两个数量级，因此在电子崩发展过程中，正离子相对于电子来说可看成是静止的。同时由于电子的扩散用，电子崩在其发展过程中半径逐渐增大。这样电子崩中出现了大量的空间电荷，崩头最前面集中着电子，其后直到尾部则是正离子，形成球头状的锥体，如图4-1 所示：图 4-1 电子崩形成示意图 在场强小于某临界值时，这种电子崩还必须有赖于外界因素所造成的原始电离才能持续和发展，这种放电为非自持放电。当场强超过临界值时，电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再有赖于外界电离因素了，这种放电称为自持放电。由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强，相应的电压为临界电压。在大体均匀的电场中，各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，自持放电会很快地发展到整个间隙，气隙即被击穿，击穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。在很不均匀的电场中，放电过程就相当复杂，下文将给出。3气体放电及击穿 3气体放电及击穿 气体在正常情况下绝缘性能良好（带电粒子很少）；气体质点获得足够的能量（大于其电离能）后，将会产生电离，生成正离子和电子；气体质点获得能量的途径有：粒子撞击、光子激励、分子热碰撞；气隙中除了有气体质点游离产生的带电粒子外，还存在金属电极表面的逸出电子；气隙加上电场，气隙中的带电粒子将顺电场方向加速运动，造成大量的粒子碰撞，但产生气体质点游离的撞源粒子是电子；气隙上的电场足够强时，撞击电离产生的电子又会成为撞源粒子，从而形成电子崩；气隙之间存在的大量带电粒子会形成空间电荷区，空间电荷的存在会改变气隙间的 电场分布；气隙在强电场作用下，产生强烈电离，并发展到自持放电，气隙就被击穿。4.气体放电的影响因素 4.气体放电的影响因素 空气间隙的放电电压与电压性质、电极形状、大气条件等因素有关。间隙间施加交流电场或直流电场，所表现出的击穿特性及恢复特性都不相同；交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场，如果是针板间隙，则肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间；直流电场的极性不发生改变，如果施加于针板间隙，会随所加极性的不同而表现出强烈的极性效应。由于不同形状的电极间电场均匀度不同，故电极形状会对放电产生影响。平板间隙间可建立均匀电场，但边沿如不做倒角处理将形成局部强电场，去除边沿效应后的平板间隙在小距离情况下（S0.26cm）放电电压很稳定；由于是均匀电场，不会出现持续的局部放电，起始放电电压就等于击穿电压，并且从自持放电开始到间隙完全击穿所需的时间很短，因此电压波形（包括极性，因形态对称）对击穿电压不会造成影响，放电分散性很小。针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈电离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应。大气条件主要包括温度、湿度、气压三个指标。温度实际上反映的是气体分子热运动的强烈程度，温度越高，则分子热运动越强烈，越容易产生热碰撞游离，气隙绝缘性就越差；温度高到一定程度时，气体将变成等离子体，它也就失去了绝缘性而变成了导体。湿度反映的是气体中含水份的程度，水分子是电负性的，易俘获自由电子，使气体中的自由电子减少，从而阻碍游离的发展，因此随湿度的增大气隙的击穿电压也将提高。气压是气体分子密度的反映，气压越高，密度越大，气体分子（包括自由电子）平均自由行程缩短，不易形成撞击游离，气隙的击穿电压因而提高。但气压过低（如接近真空）则气体分子稀薄，也难形成大量撞击游离，气隙的击穿电压也将提高。5.尖-板放电理论 5.尖-板放电理论 实验所用电源为工频电压时，产生交流电场，交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场。在实验装置的针板间隙中，肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间。针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈电离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应 在电压还较低时，针端电极处的场强可能已经达到临界值，针端电极附近即发生自持放电，离针端较远处，由于场强大为减小，故电离放电只能局限在针极附近的空间，不能扩展开。该区域内所形成的离子在复合时（或被激励的气体分子在回到常态时）将辐射出光子，其中有一部分在可见光的频谱范围内，其他大部分为紫外光，人眼可见有均匀稳定的发光层笼罩在电极周围，形成电晕。电压再提高时，当电极间距不大，则可能从电晕放电直接转变为整个间隙的火花击穿；当电极间距较大，则从电晕到击穿之间还有刷形放电的过渡阶段，表现为从针极处散射出密集的像毛刷样的细线光束，称为刷形放电。电压再升高时，刷形放电中的个别光束突发地前伸，形成明亮的火花通道到达板极，此时气隙被击穿。当电源功率足够时，火花击穿迅速的转变成电弧。稍不均匀场强的差异很大，气隙中任何一处出现自持放电，有可能被稳定地局限于该处附近的局部空间，而不会导致整个气隙的击穿。6.气隙的沿面放电理论 6.气隙的沿面放电理论 沿着气体与固体（或液体）介质的分界面上发展的放电现象称为气隙的沿面放电。沿面放电发展到贯穿两极，使整个气隙沿面击穿，称为闪络。在实用的绝缘结构中，气隙沿固体介质表面放电的情况占大多数。气隙沿面放电的机理与气隙自由空间放电的机理相同，但其边界条件则有很大不同。一般说来，固体介质的介电常数比气体大好几倍，固体介质的电导率比正常状态下的气体介质的电导率大很多。固体介质表面轮廓多种多样，其表面情况还可能多变（干、湿、污等）。所以，固体介质的存在，使气隙特别是沿固体表面的附近的电场发生改变。同时，放电通道中的带电质点不能像在自由空间中那样，完全按电场力的方向加速运动，而是受固体介质表面的阻挡，只能大体上沿着固体介质表面运动。沿面放电实质上也是一种气体放电，但却是沿固体绝缘表面进行，其放电电压比相同距离（爬电距离）的纯气隙击穿电压低。平板电极加工频电压作用在玻璃板上时，随着外施电压的逐渐升高，在上电极边缘处的宅气隙中，电场的法线分量和切线分量都很强，此处的气体首先电离，形成浅蓝色的电子崩性质的电晕放电。电压继续升高时，放电向外发展，形成许多向四周辐射的细线状流注性质的放电，称为刷形放电。电压继续升高到超过某临界值时，放电的性质发生变化，其中某些细线的长度迅速增长，并转变为较明亮的浅绿色的树枝状火花。此时的火花具有较强的不稳定性，不断的改变放电通道的路径，并有轻的爆裂声，这种现象为滑闪放电。在滑闪放电阶段，外施电压较小的升高，即可使滑闪火花有较大的增长。电压再次升高时，滑闪放电火花中的火花有些突发的增长，有的贯穿到对面的电极，形成沿面闪络。影响沿面闪络电压的主要因素有：电场分布和电压波形、固体介质材料、固体介质表面性状、大气条件等。固体介质材料的吸水性对沿面闪络电压有影响，吸水性越强，在相同大气条件下的沿面闪络电压就越低。固体介质表面的湿润度及污秽度对沿面闪络电压会造成影响，大雨或雾露天气对闪络电压的影响机理不同，污秽物的不同也会对闪络电压形成不同影响。大气条件中的温度和气压对沿面闪络电压的影响与气隙相似，但不如气隙明显；而湿度的影响则主要与固体介质表面吸水性有关，并通过表面凝水程度来影响闪络电压。六试验步骤六试验步骤 1.尖-板放电实验 1.尖-板放电实验 图6-1-1球隙装置 图6-1-2 尖-板放电实验接线图 图6-1-3 尖板放电实验装置简图 图6-1-4 尖-板放电实验装置实物图1 图6-1-5 尖-板放电实验装置实物图2 1)按照图 6-1-2 所示实验接线图接线，注意地线的连接，实物简图如 6-1-3 并仔细检查。参照图 6-1-4 和图 6-1-5 的实物装置。2)将尖电极推至最左侧，针头的长度为 15 厘米（标尺红胶布处）。调节板极，距离针头 5 厘米处，不加屏障，调压器从零逐步缓慢升压，直到间隙击穿；将调压器调整到零后，记录击穿时的工频电压；对装置放电。重复 3 次。3)确保断开电源后，分别将屏障放置在距针头 1cm、2cm、3cm、4cm 四种位置，逐步升压，直到气隙击穿，测量各情况下的击穿电压。每种情况重复 3 次。4)更换不同直径的针电极，将针板间隙距离调至 5cm，调压器从零逐步缓慢升压，直到间隙击穿；将调压器调整到零后，分别记录击穿时的工频电压；将调压器退至零位，确保断开电源后，对装置放电。5)观察两种情况下的尖-板放电的现象，并将其用文字描述。6)在尖-板气隙之间加入屏障，比较有无气隙屏障情况下击穿电压的大小；分析极间屏障对击穿电压的影响。7)比较气隙屏障处于不同位置时击穿电压的大小；分析气隙屏障的效果与位置之间的关系。8)描述尖-板放电产生时候的现象，并阐述其机理。在徐徐升高电压的过程中，注意观察在尖端电极附近首先会产生电晕放电，这是由于在电压还较低时，尖端处的场强就已经超过了起始电离场强的临界值，从而使尖端附近的空气产生局部电离-电晕放电。电晕放电为流注向板极推进创造了条件。当电压升高到一定值时，就会从电晕放电转变成整个间隙的火花击穿，注意观察光花击穿时的通道形状，加深对流注放电机理的认识。2沿面放电 2沿面放电 图6-2-1 沿面放电实验接线图 图6-2-2 沿面放电实验装置简图 图6-2-3 沿面放电实验装置实物图 1)按照图 6-2-1 和图 6-2-2 的装置简图所示接线，并仔细检查。实物装置图参照图6-2-3。2)严格按照高电压技术试验注意事项，做好试验的准备工作，保证电极于玻璃完全接触。3)在徐徐升压直至闪络的过程中，注意观察刷形放电-滑闪放电-沿面放电的三个放电阶段。4)一名实验员进行升压，当电极周围因产生电晕而产生剧烈的声音时应缓慢升压，直至击穿。当击穿时，由另外一个实验员记录其击穿电压及放电现象。5)注意：为保证实验的安全，观察应在警戒区外，发生击穿放电后设备应具有后备跳闸保护。由于沿面放电是沿着固体表面的气体放电现象，因此沿面放电在本质上仍属气体放电的一种，和气体放电一样可以用流注放电机理来解释放电的过程。但是沿面放电是沿着固体表面进行的，因此沿面闪络电压值的大小与固体介质表面的电场分布、爬电距离、固体介质表面状况等密切相关。七、试验中的注意事项七、试验中的注意事项 1.由于高压试验的特殊性，所以进行试验是必须至少有两名及以上实验员同时在场，实验室负责人也应该在实验现场。2.规划好试验范围，在试验时不得有人靠近试验区。而且实验员应相互配合，所有操作经口头确定在进行。如果高压实验室防护装置报警器鸣响，需停止加压试验，进行细心检查排除危险后在继续进行试验。3.在试验结束时，调压器必须退至零位，断开试验电源刀闸后，关闭高压实验室防护装置开关，接地棒进行放电后良好接地后才可进行其他操作。4.每次击穿实验后均要对屏障放电，消除屏障上的电荷。沿面放电试验时，记录员一定要保持安全距离下进行拍照和记录数据，切勿超越警戒线。八、思考题八、思考题 1.总结沿面放电与尖-板放电的共同点和区别。2.解释尖板放电时屏障的加入造成的影响。3.气隙屏障障提高气隙击穿电压的原理是什么？4.气隙屏障的适用条件有哪些？5.提高沿面闪络电压的方法有哪些？