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SF6中的氣體放電機理

來源:揚州國浩電氣有限公司   2025年05月03日 07:04  

在高壓開關柜中,SF6氣體充滿內部腔體充當絕緣介質,在局部放電故障中,除少數絕緣子出現氣隙缺陷造成放電外,大部分的局部放電現象都發生在SF6氣體中,其主要機理是氣體介質出現了帶電的質點,由于帶電質點的產生、消失是一個過程,只有當質點引起的電場強度增加到一定程度后,才會釋放能量引發局部放電。在高壓開關柜的SF6氣體中,帶電的質點是氣體分子在電離過程中產生的,包括碰撞引起的電力、光電效應引起的離和熱電離。

在高壓開關柜的內部,電場是類似同軸圓柱電極或者雙圓柱電極分布的,內、外兩個電極的曲率半徑相當,內外電極間的距離一般在幾十到上百毫米左右,在絕緣性能良好的情況下,高壓開關柜的內部電場是一個基本均勻的電場。當高壓開關柜的內部出現絕緣缺陷時,開關柜內部電場會出現畸變,在部分區域電場將相對集中,會出現極不均勻的電場。在極不均勻的電場中有可能出現放電,這一過程分為電暈放電、先導放電和主放電等三個不同的階段,放電過程是逐級發展的。當SF6氣體間隙上存在的電場足夠強時,場強集中區域的電場強度有可能大于局部放電的臨界場強Ecr/p=89kV/(MPa2mm),此時由負離子產生的電子逐漸增加,會導致電子崩現象的出現。當電子崩的前端集聚了大量電子和離子時,這一區域的電場強度將進一步增強,氣體分子電離及復合會加劇,同時產生大量光子,氣體在光子作用下會出現光致電離,形成比較復雜的流注放電現象。

當pd值大于1MPa2mm時(此時p的取值對應高壓開關柜中氣體壓力0.4-0.8MPa,距離d的取值范圍在1.25-2.5mm),氣體間隙的擊穿過程就是SF6氣體間隙先導電流形成、發展的過程。此時局部放電的過程分為三個過程,分別是流注電暈的爆發、流注電流向先導電流的轉變、先導電流的發展和擊穿。當高壓開關柜中場強集中區域的流注電暈發展到一定程度時,電暈的形狀接近橢球體,在電暈中存在大量空間電荷,將導致電暈外的電場出現畸變,會對電場產生一定的減弱效應,此時放電區域內的電子將迅速附著于SF6氣體分子上,放電區域內將形成正、負空間電荷,流注電暈產生的電流將持續向電離區域注入能量,流注電暈將逐漸向先導電流轉變,這一轉變過程中有兩種運動:,隨著電暈電流向流注區域注入能量的不斷增加,將引起放電區域氣體的熱膨脹;第二,放電區域內的正負離子,會出現向相反方向的緩慢移動。

基于這兩種不同的運動,將產生兩種放電,分別是莖先導放電和前驅機理放電。在高壓開關柜的內部,形成一個先導區域后,在先導區前部出現的流注電暈經過一定的時延,將逐漸由流注轉變為先導,會形成一段新的先導區域,新先導在頭部又會出現流注電暈,這一過程在放電區域將反復進行,先導將逐漸向前方發展,最終先導會觸及對面的電極,導致氣體被擊穿。在上述放電過程中,流注電暈轉變為先導是核心步驟,這一過程會受到莖先導機理和前驅機理的影響。其中,莖先導機理指己經形成流注電暈后,電暈產生的電流持續向流注區域注入能量,通道區域因能量的注入溫度升高,出現熱膨脹,氣體的密度逐步降低、臨界場強下降,先導前方將出現流注電暈,逐漸發展為新的先導區域,最終形成貫通擊穿。

在SF6氣體區域放電逐漸發展的過程中,如果外加的電壓、電場和氣體壓力等要素無法滿足先導發展的條件,就不會出現擊穿貫通,放電現象將停止。需要注意的時,此時雖然沒有出貫通性擊穿,但局部放電己經表明高壓開關柜的內部存在絕緣缺陷,需要重視并加以解決。

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