气体放电

气体放电（精选7篇）

气体放电 篇1

陶瓷气体放电管是一种陶瓷材料制成的特殊结构的气体放电设备, 其在放电间隙之间充填某种特定的惰性气体充当介质, 同时配置活性很高的电子发射材料, 并配备放电引燃机构。气体放电管设备的生产过程中, 通过贵金属焊料在高温环境下进行构件焊接, 最终方可生产得到陶瓷气体放电管。

陶瓷气体放电管的主要应用是瞬间过压时的保护作用, 除此之外, 还在点火时也会有所应用。相比于其他类型的放电管设备, 陶瓷气体放电管两极间电容更低, 对于冲击电流的耐受性能更好, 且具有高阻抗的特性, 这都是普通放电管所不具备的性能, 可见陶瓷气体放电管是一类性能较为优越的放电管设备。

当通电线路在遭遇雷击等状况下出现瞬时突变高压状况时, 设备的放电管将被击穿, 其阻抗瞬间由原有的高值降低, 短时内呈现几乎线路短路的状态。此时, 陶瓷气体放电管可将过大的电流进行放泄, 即通过设备中的线路接地或者原有的回路泄出电流, 从而使得瞬间升高的电压下降到某一安全的低值, 保证电路中电流、电压均控制在较为合理的范围之内, 从而在瞬时高压状况之下对线路及线路中的各个设备起到了保护作用。陶瓷气体放电管的电压限制作用将一直持续到线路瞬时高压消失, 此后, 气体放电管将快速的重新恢复到其所固有的高电阻状态, 以使得线路可以恢复其正常的工作状态。

1 陶瓷气体放电管工作原理

陶瓷气体放电管在使用过程中其基本原理相对简单, 为气体放电, 即特殊情况下设备间气体通过放电使得原有的陶瓷气体放电管由断路状态转换为短路的工作状态, 将额余电流释放, 从而保持电路的电压、电流稳定状态, 实现其正常的运作。目前实际应用中较为常见的陶瓷气体放电管其击穿电压通常不低于数百伏, 部分可达千余伏乃至更高。正常状态下, 放电管电阻率很高, 电容较小, 设备处于断路状态。一旦线路在某种特定状况之下出现瞬时高压, 且该高压达到陶瓷气体放电管的脉冲击穿电压, 此时, 放电管两极之间的电场强度亦将迅速增强, 并超过间隙间惰性气体的击穿强度, 从而引发间隙放电现象。放电管内原有的惰性气体一旦发生电离, 则放电管将由原始的断路状态变为通路, 加之不存在用电器, 故整个电路呈现几乎短路的状态。此种状况之下, 线路中所通过的电流极大, 电流通过接地线路被泄放出原有电路, 从而保证与陶瓷气体放电管串联的原有的设备所流经的电流保持在某一较为稳定的低值状态, 避免受到瞬时高压及瞬时过大电流的破坏, 从而实现了陶瓷气体放电管的线路保护作用。

2 陶瓷气体放电管的特性分析

陶瓷气体放电管是目前使用范围较为广泛的一类放电管设备, 相比于其他类型的放电管, 其具备显著的优越性能, 同时亦存在自身的不足之处。

2.1 陶瓷气体放电管优越性分析

陶瓷气体放电管绝缘电阻要高于其他普通类型的放电管, 其电阻通常为109Ω以上, 同时, 此类放电管的两极之间电容较小, 通常小于3p F, 而一旦形成通路, 则其电容量又大于普通放电管。这些特性使得陶瓷气体放电管在实际工作过程中对于瞬时高压的捕捉更为高效、敏感, 电流的泄放过程较之普通放电管而更为彻底, 避免了电流漏放等现象。由此可见, 陶瓷气体放电管对线路的保护性能更为优越。

2.2 陶瓷气体放电管不足性分析

受设备组构影响, 陶瓷气体放电管同时存在着一系列的不足之处, 其不足之处主要表现在对击穿电压进行瞬时高压分散的过程中。由于陶瓷气体放电管的结构局限性, 导致线路在出现瞬时过压状况时, 放电管对其实现高压分散的过程中难以做到充分、彻底, 会出现约达20%的电压分散误差。此外, 气体放电过程不够敏捷是此类型放电管的另一弊端。当线路出现过压状况时, 陶瓷气体放电管必须有一定的反应时长, 该时长通常为0.1~0.2μs, 此后方能实施保护。上述弊端导致陶瓷气体放电管在实际应用中的可靠性大大降低, 成为其亟待完善之处。

除此之外, 陶瓷气体放电管受材料类型所限, 其在接受冲击的过程中设备损伤率较高, 容易发生设备老化, 影响放电效果。故设备寿命较短, 成为陶瓷气体放电管的又一显著局限。

3 陶瓷气体放电管的应用分析

陶瓷气体放电管应用领域较为广泛, 在室外分线盒的过压保护、通讯设备线路保护、空调大功率保护、电源保护、信号防护等多个领域均可起到相应作用。

在线路保护方面, 陶瓷气体放电管主要适用于给类电压较低电器电源、插线、空气开关等的雷暴天气防雷工作, 同时也可以起到对于潜水泵、电气系统、各类传动设备等的浪涌电压的保护作用。

在信号保护方面, 陶瓷气体放电管主要可以应用于各类通讯网络的信号保护, 如电话、传真机、网线、移动通讯设备等等。选用气体放电管中的微型管与中小通流容量的组合设备, 可以对上述设备起到较好的信号保护作用。

总之, 陶瓷气体放电管性能优越, 线路保护性能好, 是目前线路防雷等任务中十分常用的放电管类型。其适用领域广泛, 应用效果好, 在各相关行业内收到越来越广泛的应用。因此, 必须不断加强对陶瓷气体放电管的研发投入, 更加深入的掌握该类型放电管的特性以及其在实际应用中的各注意事项, 同时不断开发其新属性、新性能, 实现设备升级, 并最终将其更好的投入到线路保护工作之中。

参考文献

[1]李荣玉.金属陶瓷气体放电管的稳定性研究[J].上海交通大学学报, 1997, 5:138-140.

[2]陈克明.气体放电管在防雷中的应用[J].电子产品世界, 1998, 11:53-54.

[3]周岩, 杨长业.气体放电管在开关变换器中的应用[J].电工电能新技术, 2012, 4:88-91.

[4]姚学玲, 杜志航, 杨志豪, 等.气体放电管直流击穿电压测量技术的研究[J].西安交通大学学报, 2012, 10:1-7.

[5]朱楠亭.关于气体放电管的应用分析[J].中国高新技术企业, 2012, 26:36-38.

均匀电场中气体放电过程的分析 篇2

设外界游离素在阴极表面辐照出一个电子, 这个电子由于受到电场力的作用而向阳极方向运动, 运动过程会频繁的与气体分子发生碰撞, 其中一些碰撞可能导致分子的电离, 得到一个电子和一个正离子。在电场的作用下新电子和原有电子会继续向前运动, 与气体分子碰撞又能引起新的电离过程, 电子数目成倍增加像雪崩一样发展, 因而称之为电子崩。如图1 所示:

2 低气压、短间隙下的气体放电

2.1自持放电与非自持放电

非自持放电是指放电过程必须依赖于外界游离因素, 一旦撤掉外界游离因素放电便停止。反之, 撤掉外界游离因素放电仍能继续发展, 这时放电即达到自持阶段。随着外加电压的增加, 放电都是逐渐发展的, 都是由非自持放电转入自持放电。放电达到自持的条件为:

2.2汤逊理论

低气压、短间隙的放电过程可以用汤逊理论来解释, 此时指δ•d<0.26cm的情况 (δ指气体的相对密度, d指间隙的距离) 。当外施电压足够高时, 气体中会发生强烈的游离过程, 使气体中的自由电子数和正离子数按几何级数增加, 即出现电子崩。由于正离子的体积和质量相对较大, 其平均自由程比电子要小得多, 所以很难发生碰撞游离。但如果场强足够强, 因碰撞游离而产生的新的正离子在电场作用下向阴极运动, 并撞击阴极, 如果至少能从阴极表面释放出一个有效电子, 以弥补原来那个由于外界游离因素产生电子崩并进入阳极的电子, 则放电达到自持放电, 这就是汤逊放电理论的叙述过程。

3 高气压、长间隙下的气体放电

当 δ 与d的乘积较大时, 有一些现象用汤逊理论就解释不清楚了, 比如放电时间、阴极材料的影响、放电外形等。针对汤逊放电理论的不足, 1940 年左右, H. Raether及Loeb、 Meek等人提出了流注 (Streamer) 击穿理论, 从而弥补了汤森放电理论中的一些缺陷, 能有效地解释高气压下, 如大气压下的气体放电现象, 使得放电理论得到进一步的完善。

3.1 流注的形成条件

形成流注的必要条件是电子崩发展到足够的程度后, 电子崩中的空间电荷使原电场明显畸变, 大大加强了崩头及崩尾处的电场。电子崩中电荷密度很大, 所以复合过程频繁, 放射出的光子在崩头或崩尾强电场区很容易引起光电离。二次电子的主要来源是空间的光电离。3.2 流注自持放电条件 (即形成流注的条件)

流注的形成需要初崩头部的电荷达到一定的数量, 使电场发生足够的畸变和加强, 并造成足够的空间光游离。一般认为, 当 αd ≈ 20或eαd≈ 108即可满足上述条件, 使流注得以形成, 而一旦形成流注放电便转入自持。

4 汤逊放电理论与流注放电理论的比较

汤逊理论的实质为气体放电的主要原因是电子碰撞游离, 二次电子来源于正离子撞击阴极使阴极表面逸出电子, 逸出电子是维持气体放电的必要条件。所逸出的电子能否接替起始电子的作用是自持放电的判据。流注理论认为形的必要条件是电子崩发展到足够的程度后, 电子崩中的空间电荷足以使原电场明显畸变流注理论认为二次电子的主要来源是空间的光电离。

注理论可以解释汤逊理论无法说明的pd值大时的放电现象。如放电为何并不充满整个电极空间而是细通道形式, 且有时火花通道呈曲折形, 又如放电时延为什么远小于离子穿越极间距离的时间, 再如为何击穿电压与阴极材料无关。两种理论各适用于一定条件的放电过程, 不能用一种理论取代另一种理论。

摘要：在自然界中, 气体放电是一种很普遍的自然现象。干燥气体通常是良好的绝缘体, 但当气体中存在自由带电粒子时, 它就变为电的导体。这时如在气体中安置两个电极并加上电压, 就有电流通过气体, 这个现象称为气体放电。气体放电与电场的形式、电压的种类及大气条件等因素有关, 本文主要分析均匀电场中低气压、短间隙和高气压、长间隙的放电过程, 同时对两种放电理论加以阐述和比较。

关键词：电子崩,汤逊理论,流注理论

参考文献

[1]张红.高电压技术[M].北京:中国电力出版社, 2006

[2]严璋, 朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社, 2007

气体放电 篇3

高强度气体放电灯HID(High-IntensityDischarge Lamps)具有长寿命、高效率、显色效果好等优点,越来越受到人们的重视。HID主要包括高压汞灯(HHL)、高压钠灯(HPS)、金属卤化物灯(MHL)。由于其优良的性能,HID被广泛应用于厂房、道路、广场等场所的照明。虽然HID有优良的工作特性,但是启动却比较困难。有些情况下HID还存在声谐振现象,声谐振一旦产生,灯弧扭曲,灯不能正常工作。因此要求所设计的镇流器必须能够克服声谐振现象。与此同时为了确保HID的正常启动和稳定工作,还需要选择能够产生高压脉冲的启动电路,以及电压电流双闭环的恒功率控制策略。

1 声谐振现象及其抑制

当HID工作在1～500 kHz的频率的时候,在某些频率段上可能发生灯弧不稳定现象,这就是HID特有的物理现象——声谐振[1]。研究表明HID发生声谐振现象要同时满足两个条件:

(1)提供给HID的电场能量中所含的高频能量高于引发声谐振的最低阀值能量。

(2)驱动灯的频率位于产生声谐振的频带上。

当声谐振发生时,会出现明显的光输出波动并伴以电流、电压起伏。严重时会导致电弧熄灭,甚至导致电弧管炸裂。下面是几种常见的抑制声谐振的方法。

1)超高频工作法指电子镇流器的工作频率高于500 k Hz。使频率超出发生声谐振的频带范围,从而抑制了声谐振的发生。这种方法的优点是电子镇流器的功率密度很高。缺点是开关管的损耗严重,使得电子镇流器的整机效率很低。

2)高频方波工作法指电子镇流器输出理想的高频方波。理想的高频方波不含有高频谐波,不满足发生声谐振的条件2,从而达到克服声谐振的目的。但是实际电路中不存在理想的方波,输出波形的高频谐波能量极易超过引起声谐振的阀值能量,声谐振很难抑制。

3)低频方波工作法指电子镇流器工作频率在1 kHz以下。使工作频率低于声谐振频带范围,所以可以避免声谐振发生。采用低频方波方案的优点是控制简单,镇流器工作可靠稳定,因此在目前的HID用电子镇流器中应用比较广泛。

2 恒功率控制

HID的控制不同于传统的荧光灯,其难点在于对其启动过程的控制。HID的启动过程运行特性如图1所示。当HID被击穿后,HID将呈现负阻状态,其特性如图2所示,此时若不对电流加以控制将造成电流过大烧毁HID;当灯两端电压逐渐上升到稳态电压之后,恒功率控制将保证HID工作在额定功率下[2,3,4,5],可以有效地延长灯的使用寿命。

实现恒功率控制一般有两种方式,一种是采用传统的模拟控制方式,另一种是采用数字控制方式。下面分别从模拟和数字两个方面来说明恒功率控制的实现。

2.1 模拟恒功率控制

图3所示为模拟恒功率控制的一种方式。通过R1、R3分别对电流电压采样,并进行芯片内部逻辑计算,最后由OUT脚输出控制信号。由于灯功率和灯电压之间关系是一条抛物线曲线,经过调试将HID的工作点设计在抛物线顶点附近,这样当灯电压在一定范围内变化时,就可以实现灯功率近似不变。模拟恒功率控制最大优点是它的实时性好,而且电压、电流的分辨率很高。缺点是控制电路复杂,参数选择困难。

2.2 数字恒功率控制

数字恒功率控制框图以三级镇流器为例如图4所示。基本思路是通过采集HID电流和电压信号,然后经过单片机CPU处理计算与给定值比较,输出合适的控制信号达到恒功率控制的目的。数字恒功率控制的优点是所需外围器件少,相对模拟控制来说电路简单。但是由于受到A/D采样精度和PWM位数的影响,使得其计算数据的准确性不如模拟控制。尽管如此,随着微控制器的性价比的逐渐提高,数字恒功率控制的电子镇流器还是会有很好的发展前景。

3 HID启动策略

HID灯的启动要求电子镇流器提供足够高的开路电压使电弧管击穿,使灯管内的混合气体发生电离,并且能够提供足够的能量使辉光放电转化为弧光放电。HID灯一般有两种启动方式:脉冲启动方式和串联谐振启动方式,与之相对应的是下面两种电路。

3.1 开关脉冲电路

开关脉冲电路如图5所示,其工作原理是在升压变压器原边施加一个几百伏的高压脉冲,瞬间使高压触发管(SIDAC)导通,在变压器副边产生一个几千伏的高压脉冲,用来电离击穿HID管。该电路的优点是可靠性很高;缺点是由于变压器的存在,镇流器的体积很大,效率不高。

3.2 谐振脉冲电路

谐振脉冲电路的工作原理是根据LC谐振理论,利用LC谐振产生的高压启动金卤灯等效电路如图6所示。在灯启动前,灯相当于开路,L、C组成LC串联谐振电路。

输入方波电压VIN如图7所示,进行傅里叶分解,选取某次谐波,使L、C发生谐振,在电容C两端产生一个高电压将灯点燃。

电路的谐振频率为:

谐振脉冲电路的优点是不需要升压变压器,电子镇流器体积较小,成本较低。缺点是由于电路的谐振频率点对电感、电容等参数的变化非常敏感,谐振点较难控制,所以谐振脉冲电路一般需要采用扫频方式实现HID的启动。此外谐振电压越高,谐振电流也往往越大,增加了开关器件的应力。但是随着开关器件性能的不断提高,谐振脉冲电路的应用将越来越广泛。

4 结语

通过对HID镇流器关键技术的研究,发现采用低频方波策略可以有效地抑制HID声谐振现象的发生;采用高压脉冲电路很容易产生高压脉冲启动信号。其中谐振脉冲电路不需要采用变压器,可以大大减小镇流器的体积,是一种不错的选择。最后,通过数字、模拟两种恒功率控制方式的比较,可以看出数字恒功率控制已经成为一种趋势。随着数控技术的不断完善,相信在不久的将来,数控镇流器一定会开拓一片新的市场。

参考文献

[1]Bhosle S,Rouffet J B,Zissis G.Acoustic resonance in high pressure discharge lamps[C]//IEEE Conference on Plasma Science,2003.

[2]Huang C M,Liang T J,Lin R L,Chen J F.Constant power control circuit for HID electronic ballast[C]//Industry Applications Conference,2005Fourtieth IAS Annual Meeting,2005:1193-1197.

[3]Cardesin J,Alonso M,Corominas E L,Calleja A,Ribas J,Rico-Secades M,Garcia J.Low cost power control for LCC series-parallel inverters with resonant current mode control for HID lamps[C]//Power Electronics Specialist Conference,2003:994-999.

[4]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2000.

气体放电 篇4

1 气体放电管物理结构和原理

气体放电管物理结构如图1所示, 气体放电管的工作原理是气体放电。当两极间的电压足够大时, 极间间隙将被击穿放电, 由原来的绝缘状态转化为导电状态, 类似短路。导电状态下两极间维持的电压很低, 一般在20~50V之间, 因此可以起到保护后级电路的效果。

气体放电管的工作过程可以由图2表示, 当气体放电管两端电压上升到击穿电压时, 放电管击穿进入辉光放电区, 电压维持在辉光电压附近, 随着电流上升到超过弧光转换电流, 放电管进入弧光放电区, 放电管通过电流激增, 电压降低到弧光电压, 随着电压降低到熄弧电压, 放电管恢复到高阻状态, 完成一次放电过程。

2 搭建气体放电管仿真模型

基于上述气体放大管的电气特性, 利用Cadence软件搭建气体放电管Pspice模型如图3。该模型考虑的参数有:直流击穿电压 (90V) ;脉冲击穿电压 (<300V@100V/us、<350V@1k V/us) ;辉光电压 (60V) ;弧光电压 (15V) ;熄弧电压 (20V) ;弧光转换电流 (500m A) ;绝缘电阻 (1G欧) ;间隙电容 (1p F) 。

电路中, 端口1、2代表气体放电管的两极, C1代表间隙电容, R5代表绝缘电阻, E2为60V稳压, E4为15V稳压, R4为放电管击穿电阻。

电路工作时, E1取端口1、2电压差的绝对值, S4根据该压差断开或导通, 设置S4合理的Ron和ROFF使其对C2的充电用于模拟直流击穿和脉冲击穿的响应时间。S1设置为90V导通, 当S1导通时, R4接入到电路中, 此时S2也导通, 电路稳压在60V, 随着流过R4的电流增大, 当大于弧光转换电流时S3导通, 电路稳压到15V上, 当电压降低到熄弧电压, 放电管恢复绝缘状态。

3 气体放电管仿真结果

3.1 直流击穿仿真

在仿真模型两端施加50Hz, 幅度100V的交流电, 其仿真结果如图4所示, 可以看到在电压上升到90V时, 气体放电管击穿, 进入辉光区, 电压稳定在60V, 当电流超过弧光转换电流后进入弧光放电区, 电压稳定在15V, 当电压低于20V时, 放电管恢复到绝缘状态。

3.2 脉冲击穿仿真

对于一个400V的8/20us冲击波形 (电压上升率约100V/us) 进行仿真, 其结果如图5, 在约3us时电压冲击到270V左右放电管导通, 电压稳定在15V, 与器件参数一致。

对于一个4k V的8/20us冲击波形 (电压上升率约1k V/us) 进行仿真, 其结果如图6, 在约0.5us时电压冲击到340V左右放电管导通, 电压稳定在15V, 与器件参数一致。

4 结论

该模型仿真结果与器件参数特性一致性较好, 能够用于器件的电路仿真, 可以满足使用要求, 但该模型未考虑温度对放电管的影响。该模型也可以通过修改参数, 适用于其它参数的气体放电管。

参考文献

[1]田家波, 于月东, 彭晨, 杜志航.基于PSPICE的半导体放电管仿真模型的建立[J].南京信息工程大学学报, 2010 (04) .

[2]薛红兵, 段平, 张广春.气体放电管在浪涌抑制电路的应用[J].电源技术应用, 2002 (08) .

气体放电 篇5

CISPR 15 (对应的国标GB17743)中明确地规定了照明设备的无线电频率骚扰限值的要求,但只对那些视为成品并计划投放终端用户市场的照明设备作出了规定。例如:灯具、自镇流荧光灯和独立式镇流器。但对打算安装在灯具内的部件没有要求。

气体放电灯镇流器也被装入许多不同型号的灯具。(不仅是不同厂家的灯具,还有同一个厂家的不同型号的灯具)

虽然某种类型灯具的骚扰数据能在配备相同的镇流器和灯管的其他灯具的测量中被预知.但是所有这些灯具仍须进行检测。

这就引出了一个问题,是否设计一个最为恶劣情况下的试验灯具来安装受试镇流器,在这种情况下,若该试验灯具符合相关要求,那么内装该镇流器的所有灯具均符合要求,这样可以避免大量多余的试验。这个想法似乎是正确的、简单的而且是有趣的,但引出了两种意见:

——最恶劣情况的灯具太严格了。预测试表明市场销售的镇流器在最恶劣情况的试验灯具中不能通过某些试验,而在实际灯具中能够通过。

——即使镇流器在最恶劣情况的试验灯具内试验通过了,仍遗留一个问题就是,如果镇流器内装在实际的灯具中不符合标准,由谁来负责。

结论是改变CISPR 15对于灯具国的内装式部件没有发射要求的基本原则是不明智的.

然而,在无线电频谱内必须要有检测镇流器性能的独立试验方法。

CISPR 30规定了单端和双端荧光灯用电子镇流器的电磁发射试验方法(对应的国标GB/T 22148),在CISPR/F/539/DRT技术报告中(项目号CISPR 30-2TREd.1),提出了气体放电灯镇流器的电磁发射试验方法,尽管这还是一个草案方法,但是全世界照明电器的领先企业都在大力推广这一试验方法。

1标准要求

气体放电灯镇流器基准灯具的基本机构为:用厚度为(1±0.5) mm金属平板制成,外形尺寸如图1、图2所示,试用于输出功率不大于150 W的气体放电灯电子镇流器。图1表示Ⅰ类基准灯具,图2表示Ⅱ类基准灯具。

2制作基准灯具

我们依照标准的规格要求,制作了一块气体放电灯用电子镇流器的基准灯具,图3～图5是一些关键的尺寸要求。

3测试数据

根据CISPR 15 (GB17743)《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》的试验要求,对同一镇流器做了一组电源端子骚扰电压的对比试验(CISPR 15条款4.3.1),见图6、图7。

从图6、图7可以看出,用基准灯具后的测试数据和未用基准灯具的测试数据几乎可以认为是2个完全不同产品的测试数据,基本没有什么可比性。

再来看一组辐射电磁骚扰的对比数据,(辐射电磁骚扰30～300 MHz,CDN法,CISPR 15条款4.4.2),见图8、图9。

同样的,用基准灯具后的测试数据和未用基准灯具的测试数据差异非常大,也基本没有什么可比性。

4标准动向

随着气体放电灯镇流器的发展,以后势必会开发出更多的越来越大功率的放电灯电子镇流器新产品。例如目前用得比较多的250 W和400 W高强度气体放电灯用的电子镇流器。笔者认为,150 W以上的基准灯具完全可以根据不大于150 W放电灯用基准灯具拓展,只要将光源腔的位置加长到适合放大功率的放电灯即可,如250 W的基准灯具见图10。

5结束语

尽管基准灯具不是一个最恶劣情况的灯具,基准灯具的使用不能准确反映实际灯具的性能。内装受试镇流器的灯具,不能满足CISPR15的要求。但是,规定了基准灯具、规定了试验方法,对于新产品的开发测试,对于各实验室之间的比对试验,都是有很大好处的。基准灯具大大减低了灯具内部结构和走线对镇流器性能的影响。对不同的镇流器规定不同的基准灯具,势必也是未来标准制定的方向之一。

摘要：介绍了CISPR/E/539/DRT技术报告中对气体放电灯镇流器的电磁发射试验方法,并对使用基准灯具和未使用基准灯具的镇流器进行了对比试验。

关键词：CISPR 30,气体放电灯镇流器,基准灯具,电磁发射试验方法

参考文献

[1]CISPR 15(GB17743).电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法[S].

[2]CISPR 30(GB/T22148).单端和双端荧光灯用电子镇流器的电磁发射试验方法[S].

气体放电 篇6

关键词：GIS,局部放电,原因,在线检测

0引言

气体绝缘组合电器 (GasInsulatedSwitchgear, 简称GIS) 因为占地面积小、运行可靠性高以及电磁污染低等一系列优 点, 被广泛应用于城市封闭式变电站中。但是, GIS也存在各类绝缘缺陷, 在实际运行时, 其内部会产生局部放电, 对设备绝缘造成损坏, 对电网的安全运行产生影响。

1研究 GIS局部放电的重要意义

GIS是一种新型电气装置, 其绝缘介质是SF6气体。变电站中, GIS将变压器除外的诸如隔离开关、断路器、母线、避雷器、互感器、接地刀闸等不同的电气设备按照接线要求组 合成为一个整体。相比 于开放式 的输电设 备, GIS具有一系 列优点:受外界干扰小、安装周期短、运行安全稳定、电磁污染低、维护工作量小以及结构紧凑, 能够减少整套装置的空间体积及占地面积等, 在大城市的高密度建筑群中应用广泛, 缓解了大 型变电站占地面积大和城市中的建设用地不断缩小之间的矛盾。

虽然现场运行时, GIS的稳定性 及可靠性 都很高, 但因为结构、组成以及运行 等方面的 原因, GIS内部不可 避免地存 在各类绝缘缺陷, 其内部会产生局部放电, 引发绝缘及设备故障, 造成重大事故。分析国家电网公司72.5~800kV组合电器的运行情况, 统计数据和资料显示, 截至2008年6月底, 共发生GIS绝缘事故24次, 绝缘障碍13次, 分别占事 故总数的72.7%、17.6%。气体组合电器运行时, 造成故障的主要原因为内部绝缘问题, 其主要表 现为闪络 前产生局 部放电 (PartialDischarge, 简称PD) 。而局部放电不仅是引发绝缘故障的主要因素, 也是反映介质绝缘状况的特征量。所以, 对GIS的运行状况及内部局部放电进行研究具有十分重要的现实意义。

2GIS内部局部放电产生的原因及类型

2.1金属突出物

由于机械破坏、加工不良或者装配时相互碰撞擦刮, 在GIS内部, 经常会有非常尖锐的金属突出物。这种金属突出物常以两种形式存在:一种为罐体内壁上突起的金属毛刺, 另一种为高压导体上 突起的金 属毛刺。实际 运行时, 在一定电 压等级下, 这种金属突出物在绝 缘气体中 会形成高 场强区, 诱发GIS内部局部放电的产生。

2.2绝缘子表面的金属微粒

除在安装过程中, 绝缘子表面的金属微 粒可能产 生吸附, 其他情况下基本因 为其他内 部缺陷类 型进而引 发二次效 应。该类金属微粒对设备绝缘的影响一般具有潜伏期。设备内部, 该类金属微粒在电场力的作用下一般移至低场强区, 从而不发生局部放电, 但随着设备的长期运行, 在某些情况下该类金 属微粒长期固定于绝缘子表面, 进而形成固定金属微粒, 该类金属微粒便与金属突出物类似, 最终诱发局部放电的产生。

2.3绝缘子的气隙缺陷

在制造GIS的盆式绝缘子时, 所使用的材料为环氧 树脂, 环氧树脂在固化过程中会产生收缩现象, 并且环氧树脂与金属电极的温度热膨胀系数不同, 加之工艺配合不当, 会使设备 内部出现层离及空隙。实际运行中, 由于气体介质的介电系数远小于固体介质, 如果高压导体间和绝缘子交界处有间隙, 则间隙会有很高的电场强度, 进而产生有损于固体绝缘子的局部放电, 对绝缘造成破坏。

2.4自由导电微粒

GIS中自由导电微粒可 能是机械 装置动作 时金属相 互磨擦产生的金属粉 末, 也可能是 装配过程 中清洗不 彻底的遗 留物。外电场作用下, 自由导电微粒可以获得很大 能量, 进而移动至对绝缘有损害的地方, 当自由导电微粒未接触但是很接近高压导体时, 设备内部 非常容易 发生局部 放电。GIS中, 危害最大并且最常见的绝缘缺陷便是自由金属微粒。

3GIS局部放电检测方法

在研究中发现, GIS内部发生 局部放电 时, 放电脉冲 上升非常快, 并常伴随声光电热等现象。根据局部放电引发的不同形式的化学反应及物理效应, 可以将常用GIS局部放电检测方法分为两大类。

3.1电测法

3.1.1脉冲电流法

由于某种绝缘缺陷诱发GIS内部局部放电时检测阻抗两端, 脉冲电流经过耦合电容会耦合随时间变化的脉冲电 压, 经过采集、放大、显示等处理过程, 就能通过脉冲电压检测局部放电强度, 其一般检测频段为10 MHz以内, 适用于局 部放电较低频段成分。同时, 脉冲电流法还可以校准测量 回路, 对视在电荷进行定量。脉冲电流法是检测局部放电最常用的方法。

3.1.2射频电流检测法

该方法采用射频传感器对GIS内部的局部放电强度进行检测, 测试的信号频段为1~30 MHz。一般检测室常用的射频传感器主要有耦合电容传感器、Rogowski线圈以及射频天线传感器等。采用射频电流检测法可以一定程度上避开电磁 波干扰, 但不能完全消除。射频法主要应用在实验室 环境下, 检测研究GIS内部的局部放电。

3.1.3超高频法

GIS内部发生局部放电时, 辐射出300~3000 MHz的超高频电磁波。因为GIS结构为同轴, 其气室类似于一个低损耗的微波共振腔, 电磁波只能从支撑GIS内部导体的盆式绝缘子处泄漏出来, 因此, 可以在此处利用超高频传感器对泄漏出 的电磁信号进行检测。超高频法检测局部放电灵敏度高, 抗空间电磁干扰能力强, 并且能够识别绝缘放电类型。

3.2非电检测法

3.2.1超声波检测法

超声波检测法检测的信号频段为20至数百千赫兹。GIS内部发生局部放电时, 内部分子发生激烈撞击, 会发出超声 波信号并同时很快向介质四周传播。在GIS外壳处安装超声波传感器, 就能够捕捉局部放电时发出的超声波信号, 进而判断GIS内部是否发生局部 放电现象。超 声波检测 法不影响GIS的运行, 能够实现对局部放电源的定位及在线检测, 并且不受电气干扰, 但无法进行局部放电类型识别及放电量标定, 因此是一种辅助性测量方法。

3.2.2化学检测法

GIS内部发生局部放电时, 会诱发其中的SF6气体分解, 得到如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10、HF、CO、CO2、CH4、SO2等化合气体。研究结果表明, 不同的化合气体分解物代表不同种类的绝缘缺陷, 所以对局部放电诱发SF6分解后的不同分解化合气体的含量、成分以及变化趋势进行检测, 可以分析GIS内部局部放电情况及绝缘缺陷的严重程度, 进而对GIS的绝缘状态进行评估。化学检测法不能检测出精确的放电量, 检测分解产物时所用周期较长, 因此只运用于实验室条件下对GIS内部局部放电的研究。

3.2.3光测法

GIS内部发生 局部放电 时 , 强场区局 部可使SF6分子电离, 较高能级原子回到基态, 部分正离子和负离子复合, 进而以光的形式释放能量, 其中分子不同将会激发出频率不同的光谱成分, 光测法利用光电传感器对内部光信号进行检测, 依据光谱成分分析局部放电强度及绝缘缺陷类型。光测法 灵敏度较高, 受外界干扰小, 但气体密度增大时, GIS内壁可能有反射现象发生, 出现检测“死 角”, 准确性不 高, 该方法不 适用于在 线检测。

4结语

GIS在大城市的高密度 建筑群新 建变电站 时的应用 已经越来越广泛, 研究GIS内部绝缘缺陷及其引发的局部放电极其重要。运用文中提到的检测方法对GIS设备内部进行全面检测, 可以有效地保证GIS设备的安全运行。

参考文献

[1]邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].水利电力出版社, 1994

[2]黎明, 黄维枢.SF6气体及SF6气体绝缘变电站的运行[M].水利电力出版社, 1993

气体放电 篇7

气体绝缘输电线路 (Gas-Insulated transmission Line, GIL) 具有传输容量大、电容小、损耗低、过载容量高、对外部环境影响小、无火灾危险、不易老化等优点[1,2], 能有效地使用在电缆输电存在极限容量场合和架空线在某些特殊使用场合, 将在电力事业发展中起着不可替代的作用。青海拉西瓦水电站和深圳岭奥核电站已采用了GIL[3,4]。SF6气体存在着低温易液化、对工艺要求较高、价格昂贵、具有较强的温室效应等问题。目前国内外学者研究了大量的SF6替代气体, 但短期内很难找出能完全代替SF6而且对环境没有危害的气体, 所以采用SF6/N2混合气体绝缘成为传统GIL的发展方向之一[5,6,7]。世界上第一条SF6/N2混合气体GIL也于21世纪初期在瑞士日内瓦国际机场投入运行[8]。

目前, 国内外对均匀场域中的SF6和SF6/N2混合气体放电机理进行了大量的研究[9,10,11,12], 但不均匀场域结构较为复杂, 定量分析这类场域SF6/N2混合气体的流注电晕放电特性的研究较少。本文建立了同轴场域内SF6/N2混合气体的流注电晕放电二维流体模型, 采用有限元-通量校正传输法 (Finite Element Method-Flux Corrected Transport, FEM-FCT法) [13]首次实现不同外施电压、不同SF6含量混合气体的流注电晕放电仿真, 同时考虑了空间光电离与阴极光发射作用[13,14]。为进一步理解其放电机理, 改善和优化其绝缘设计有非常重要的意义。

2 数学模型及算法

2.1 场域结构

GIL三相导体分别安装在不同的接地外壳内, 每相导体分别与外壳同轴布置, 工程上按同轴电场来进行绝缘设计, 电场不均匀系数通常取1.7左右, 即取外壳内径与导体外径比值为自然常数e, 文中采用同轴电极对稍不均匀场流注电晕放电特性进行研究, 取导体外半径r0=2mm, 外壳内半径R=5.436mm, 整个同轴场域对称, 为减少计算量, 提高计算效率, 只对其中部分场域进行剖分计算。

2.2 带电粒子输运模型

采用二维流体动力学模型对SF6/N2混合气体的流注电晕放电过程进行建模:

式中, ne, np, nn分别为电子、正离子和负离子的浓度;t为时间;ve, vp, vn分别为电子、正离子和负离子的速度;α, η, β, De分别为电子碰撞电离系数、SF6气体分子附着系数、正、负离子复合系数和电子扩散系数, 由于正、负离子的质量远远大于电子, 热运动速度低碰撞较多, 扩散过程较弱, 文中忽略了正、负离子的扩散过程;S是由光电离和光发射过程引起的电子和正离子浓度变化量;复合系数β取1.097×10-12[10];纯SF6气体纵向和横向扩散系数分别取为0.0913m2/s, 0.18 m2/s;50%-50%SF6/N2混合气体电子纵向和横向扩散系数分别取为0.18m2/s, 0.219 m2/s[10,11]。其他气体输运参数都是折算场强 (电场强度与中性粒子浓度比值) 的函数, 如表1和表2所示, 各折算场强对应的参数值通过插值求取, 其中正、负离子的速度分别取SF6+, SF6-的速度。

2.3 阴极光发射与空间光电离模型

仿真过程考虑了阴极光发射与空间光电离过程。阴极光发射模型如图1 (a) 所示, 体积单元V1对阴极面积单元d A光发射产生电子浓度为[16]

式中, γp为光电放射系数, 取0.001;μ为吸收系数, 取1.2×10-5m-1torr-1[10];w为辐射光子概率, 取0.0038;ve1为体积单元电子迁移速度;ves为表面电子迁移速度;r为体积单元到阴极面积单元的距离。

空间光电离模型如图1 (b) 所示, 把间隙空间离散为m个单元, 空间任一点 (r1, z1) 光电离产生的电子浓度为[10,17]

式中, P和Pq为大气压和混合气体衰减压强, Pq=60torr[10];m为单元数;ri 1为两单元间距离。

3 数学算法

3.1 电场求解

流注电晕发展过程中的电场可以视为外施同轴电极形成的静电场与空间电荷作用时泊松电场的叠加。同轴静电场场强在流注电晕发展过程中维持不变, 径 (轴) 向电场强度解析解为

空间电荷对流注电晕放电的形成和发展影响非常大, 需要考虑空间净电荷对电场的畸变作用。在每个步长内耦合泊松方程到输运方程

式中, Ф为节点电压;ε为混合气体介电常数。

3.2 FEM-FCT算法

带电粒子输运过程使外电场呈现很强的非线性, 传统的数值算法很难处理。文中采用FEM-FCT算法对流注电晕放电的模型进行求解。从宏观上假设气体放电过程中产生带电粒子是流体, 首先给定某一时刻t场域内所有剖分节点处带电粒子浓度n和速度v, 然后分别采用高阶格式和低阶格式求得时间步长△t内的高阶增量和低阶增量, 通过对二者变换处理得出一个点对点的净传输通量, 求得更为真实的数值解。

FEM-FCT计算步骤[18]:

(1) 利用低阶格式计算低阶单元贡献量△nlow;

(2) 利用高阶格式计算高阶单元贡献量△nhigh;

(3) 定义抗扩散单元贡献量。

计算初始浓度值

校正抗扩散单元贡献

应用抗单元贡献量求得下一时刻的粒子浓度

其中, 高阶增量采用两步泰勒-迦辽金格式, 其矩阵形式表示为

其中

式中, I表示网格节点编号;Fi=rnvi。

低阶增量在高阶增量基础上加扩散系数, 除去波纹保证解非负, 表示为

式中, Cd为扩散系数;MC为系统矩阵;ML为系统矩阵的对角阵。

高阶算法属Lax-Wendroff系, 时间步长[19]

式中, ve为单元平均速度;he为单元特征长度;β取0.9。

4 结果分析

4.1 流注电晕形成

初始条件:同轴间隙内充满50%-50%SF6/N2混合气体, 内电极施加电压U=-20.0k V, 取20℃, 0.1MPa时气体分子浓度为2.467×1025m-3, 折算场强大于343Td时, 50%-50%SF6/N2混合气体的有效电离系数 (α-η) >0, 才有可能保证流注电晕向前发展, 在t=0ns时, 靠近内电极处释放100个初始电子。

图2为同轴电极间隙中流注电晕发展过程中各个时刻空间电荷对外电场的影响。均匀场域中, 电极的起始电晕电压即为间隙的击穿电压, 而极不均匀场域中的电场不均匀系数较大, 在曲率半径大的区域场强很大, 很容易产生电晕放电, 同轴电场的电场不均匀系数介于极不均匀场和均匀场之间, 流注电晕放电情况与前两者也有了很大区别。从图2中可以看出在t=7.0ns时, 空间电场才有稍微变化。之后随着流注电晕向前发展, 流注电晕对外电场的畸变作用越来越明显, 尤其在流注电晕头部, 电离强度加剧, 进而加快了流注电晕的推进。在t=10.0ns时, 间隙内的最大电场强度明显小于t=7.0ns时的最大场强, 表明流注电晕的形成使整个场域内电场得到了均匀, 在t=11.0ns左右时, 场域内的折算场强已不能保证流注电晕的继续发展, 且直到t=14.0ns时折算场强也无变化。

图3给出了同轴电极间隙中流注电晕发展过程中各个时刻的空间负离子浓度分布。在t=4.0ns之前, 净电荷对外电场的畸变作用很小, SF6气体分子吸附电子形成的负离子都分布在流注电晕发展通道上。由图2中t=10.0ns时的折算场强分布发现, 在流注电晕尾部两侧场强较大, 该处的负离子的浓度也相对通道内的其他区域高。较小的迁移速率和极小扩散速度使得负离子浓度基本维持在1019m3左右, 需要较长的时间消失。

4.2 外施电压对流注电晕的影响

外施电压幅值改变时, 流注电晕的发展也有差别, 图4中实线部分为U=-20.0k V时流注电晕形成过程中各个时刻的轴上电场分布, 流注电晕对整个场域的电场起到了均匀作用, 均匀后的电场不能保证让流注电晕继续推进, 最终流注电晕也逐渐消失。当外施电压增大时, 均匀后的空间电场仍能保证流注电晕的推进, 并且使得流注电晕头部的电场畸变变得更为严重, 但此时流体模型不再适合用来解释该过程, 如图4点线部分所示。

4.3 纯SF6流注电晕放电特性

由于纯SF6气体中的电负性强于50%-50%SF6/N2混合气体, 起始流注电晕电压也稍微高一些, 纯SF6气体的有效电离系数大于0时的折算场强约为373Td。图5为U=-21k V时的电场分布情况, 在t=5.55ns时, 空间电场就出现了明显畸变, 早50%-50%SF6/N2混合气体1.5ns左右, 表明纯SF6气体对电场的极不均匀系数比较敏感。在t=10.0ns之后, 折算场强变化并不大, 没有转为不稳定放电, 表明纯SF6的绝缘性能稍微优于混合气体。

4.4 空间光电离和阴极光发射

电子对流注电晕的发展起着至关重要的作用, 碰撞电离、复合、附着、阴极光发射、空间光电离和扩散过程都影响着电子分布。图6展示了同轴间隙中电子浓度的空间分布。初始阶段电离作用较弱, 电子碰撞形成电子崩最终发展为流注电晕所需要的时间也就较长, 在t=4ns时电子浓度达1015m-3, 直到t=9.0ns时电子浓度才达1017m-3, 由于流注电晕的均匀作用, 当折算场强值降低到343Td以下, SF6气体分子的附着作用将强于电离作用, 电子浓度将逐步下降, 以至于流注电晕不能继续推进, 如t=10.0ns所示。

在整个仿真过程中, 本文还考虑了空间光电离和阴极光发射的作用, 由图7看出光电子主要分布在流注电晕的头部和阴极的表面, 并且空间光电离的作用强于阴极光致发射。对比图6发现, 空间光电离和阴极光致发射产生的电子浓度比空间电子浓度低约6个数量级。光电子由电子作用产生, 当电子浓度降低时, 光电子浓度也有一定程度的下降。

5 结论

基于FEM-FCT算法, 采用二维流体模型, 实现了同轴间隙50%-50%SF6/N2混合气体流注电晕放电的动态仿真。结果表明:流注电晕对空间电场有均匀作用, 外施电压幅值低时流注电晕经过一段时间后会消失, 幅值稍高时流注电晕容易发展为不稳定放电。

对比分析了同轴间隙中50%-50%SF6/N2混合气体和纯SF6气体的流注电晕放电特性。发现纯SF6的绝缘性能优于混合气体, 但SF6的起始放电时间早于SF6/N2混合气体。流注电晕形成和发展过程中空间光电离作用强于阴极光发射的作用。

摘要：采用SF6/N2混合气体绝缘介质的气体绝缘金属封闭输电线路 (GIL) 作为电缆和架空线的有效补充, 将在电力发展中起到重要作用。为更好地理解其放电特性, 建立了同轴电场中流注电晕放电的二维流体模型, 综合考虑了SF6/N2混合气体放电过程中空间光电离与阴极光发射作用, 采用有限元-通量校正传输法 (FEM-FCT) 求解。仿真表明:流注电晕对空间电场有均匀作用, 外施电压幅值低时流注电晕经过一段时间后会消失, 幅值高时流注电晕容易发展为不稳定放电;SF6/N2混合气体起始放电时间较SF6气体迟, 但绝缘性能较差;空间光电离作用强于阴极光发射的作用。