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SF6气体放电机理
点击次数:1719 发布时间:2018-06-14

GIS以高压力的SF6气体为绝缘介质,SF6气体是局部放电发生的环境。气体中的放电现象与SF6气体中的带电质点有关。电极空间及电极表面的气体分子在碰撞、光辐射或热辐射的情况下会发生电离,产生带电质点。当电场强度一直增加并达到一定场强时,带电质点获得了很大的能量,需要以放电的形式来进行释放,导致放电现象的发生。由于GIS内外两电极的曲率半径的数量级一致,两电极间一般仅相距几十毫米,所以在没有出现绝缘缺陷的情况下,GIS内部的电场应为稍不均匀电场。一旦有绝缘缺陷出现时,局部电场过于集中致使电场发生畸变,形成极不均匀电场。所以,SF6气体放电机理研究一般是基于极不均匀电场进行的。

 

首先发生在极不均匀电场中的放电现象是电晕放电,电晕放电进一步发展成先导放电,先导放电继续发展形成主放电。在极不均匀场中,当电压高到一定程度后,在气体间隙完全击穿前,大曲率电极附近有薄薄的发光层,这种放电现象定义为电晕。如果加在SF6气体间隙上的电压过大,一旦场强集中处的场强高于临界场强,放电机理就会出现变化,放电由汤姆逊形式过渡到流注放电形式。在电场作用下,SF6气体中的电子在奔向阳极的过程中不断发生碰撞电离,产生电子崩。电子崩电离过程集中于头部,导致其头部电荷密度很大,电离过程强烈,当电子崩发展到一定程度时,电子崩形成的空间电荷的电场将大大增强,致使合成电场发生明显的畸变,崩头将放射出大量光子。崩头前后的电场明显增强,促进激励现象的发生,产生更多的分子和离子。分子和离子慢慢会从激励状态恢复到正常状态,在这个过程中会有光子被放射出来。由于电子崩内的正、负电荷区域之间的电场受到削弱,这大大促进了复合过程的发生,同时也使得更多的光子被放射出来。如果外加电场足够大,达到了击穿场强,电子崩头部就会形成流注放电。

 

当间隙距离较长时,会存在某种新的、不同性质的放电过程,即先导放电。要发生先导放电,首先要产生流注电晕,流注进而形成先导,先导不断发展后导致击穿。当放电发展到一定长度时,由于场强低于临界电场强度,放电的发展会暂停。在此期间,放电通道内累积的电子迅速附着在SF6分子上,正、负电荷分开,正负空间电荷由此形成。此时,在SF6气体内会有两种运动发生,根据其带来的不同影响可分别用茎先导机理和前驱机理来描述。流注形成先导后,先导的头部会产生新的流注电晕,此流注在原来先导的基础上又会发展成一段新的先导,新先导的头部又产生了流注电晕,如此多次重复这个过程,先导就会不断向前推进,终导致击穿。

 

茎先导机理与前驱机理描述的是流注电晕发展成先导的过程,也是这个放电过程的关键部分。当形成流注电晕后,可用茎先导机理来解释电晕电流继续向流注区带来新能量的原因。流注通道中的电子被阳极吸引,当电子的浓度足够高时,电流足够大时,流注通道中就开始热电离。热电离致使通道中带点质点浓度的进一步增大,故先导增加、电流继续加大。流注通道变成了有高电导的等离子通道,这时在其头部又会产生新的流注,使得先导一步步向前发展。

 

前驱机理过程是指带正电荷的离子和带负电荷的离子分别向两个相反的方向漂移,从而发生先导。在强电负性气体内,放电端的正极和负极均可能发生前驱机理过程。前驱先导的发生是由于流注产生的离子受到电场的作用发生空间极化,大大增强了流注前方电场,等达到临界场强时就形成了前驱先导。当空间电场极化越来越严重时会对放电产生屏蔽作用,因为这种屏蔽作用放电会受到一定抑制,然后由于流注根部温度升高,出现了热电离过程。热电离引起通道中带电质点浓度的进一步增大,同时空间电荷发生扩散和漂移,减弱了屏蔽,流注前方电场再次被加强,当电场又一次达到临界场强的时候,再次发生前驱先导。前驱区域在非均匀电场中的区域很小,这就意味着在非均匀电场中,前驱形成时候的区域边缘电场只有很低的强度,所以前驱发生时的能量损失也很小,同时前驱区域内的空间电荷分布的比较集中,能量也比较集中。

 

以上是对SF6气体中整个放电过程从初积累,到接下来发展,到后产生局部放电的整个过程做出的分析,包括电晕、流注、先导放电、击穿放电、茎先机理以及前驱机理。在GIS设备中提到局部放电,主要指的是完全击穿之前所发生的一些局部放电现象,包括电晕、流注及先导。虽然很多时候先导放电并没有造成电极与电极之间的完全击穿,但是局部放电会诱发GIS设备内部绝缘缺陷,并使得绝缘缺陷发展和进一步恶化。所以,研究GIS内部绝缘缺陷引起的局部放 电对于保证GIS的安全运行具有十分重要的意义。

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