SF6氣體放電機(jī)理

GIS以高壓力的SF6氣體為絕緣介質(zhì)，SF6氣體是局部放電發(fā)生的環(huán)境。氣體中的放電現(xiàn)象與SF6氣體中的帶電質(zhì)點(diǎn)有關(guān)。電極空間及電極表面的氣體分子在碰撞、光輻射或熱輻射的情況下會(huì)發(fā)生電離，產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度一直增加并達(dá)到一定場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，帶電質(zhì)點(diǎn)獲得了很大的能量，需要以放電的形式來(lái)進(jìn)行釋放，導(dǎo)致放電現(xiàn)象的發(fā)生。由于GIS內(nèi)外兩電極的曲率半徑的數(shù)量級(jí)一致，兩電極間一般僅相距幾十毫米，所以在沒(méi)有出現(xiàn)絕緣缺陷的情況下，GIS內(nèi)部的電場(chǎng)應(yīng)為稍不均勻電場(chǎng)。一旦有絕緣缺陷出現(xiàn)時(shí)，局部電場(chǎng)過(guò)于集中致使電場(chǎng)發(fā)生畸變，形成極不均勻電場(chǎng)。所以，SF6氣體放電機(jī)理研究一般是基于極不均勻電場(chǎng)進(jìn)行的。

首先發(fā)生在極不均勻電場(chǎng)中的放電現(xiàn)象是電暈放電，電暈放電進(jìn)一步發(fā)展成先導(dǎo)放電，先導(dǎo)放電繼續(xù)發(fā)展形成主放電。在極不均勻場(chǎng)中，當(dāng)電壓高到一定程度后，在氣體間隙完全擊穿前，大曲率電極附近有薄薄的發(fā)光層，這種放電現(xiàn)象定義為電暈。如果加在SF6氣體間隙上的電壓過(guò)大，一旦場(chǎng)強(qiáng)集中處的場(chǎng)強(qiáng)高于臨界場(chǎng)強(qiáng)，放電機(jī)理就會(huì)出現(xiàn)變化，放電由湯姆遜形式過(guò)渡到流注放電形式。在電場(chǎng)作用下，SF6氣體中的電子在奔向陽(yáng)極的過(guò)程中不斷發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生電子崩。電子崩電離過(guò)程集中于頭部，導(dǎo)致其頭部電荷密度很大，電離過(guò)程強(qiáng)烈，當(dāng)電子崩發(fā)展到一定程度時(shí)，電子崩形成的空間電荷的電場(chǎng)將大大增強(qiáng)，致使合成電場(chǎng)發(fā)生明顯的畸變，崩頭將放射出大量光子。崩頭前后的電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，促進(jìn)激勵(lì)現(xiàn)象的發(fā)生，產(chǎn)生更多的分子和離子。分子和離子慢慢會(huì)從激勵(lì)狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)有光子被放射出來(lái)。由于電子崩內(nèi)的正、負(fù)電荷區(qū)域之間的電場(chǎng)受到削弱，這大大促進(jìn)了復(fù)合過(guò)程的發(fā)生，同時(shí)也使得更多的光子被放射出來(lái)。如果外加電場(chǎng)足夠大，達(dá)到了擊穿場(chǎng)強(qiáng)，電子崩頭部就會(huì)形成流注放電。

當(dāng)間隙距離較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)存在某種新的、不同性質(zhì)的放電過(guò)程，即先導(dǎo)放電。要發(fā)生先導(dǎo)放電，首先要產(chǎn)生流注電暈，流注進(jìn)而形成先導(dǎo)，先導(dǎo)不斷發(fā)展最后導(dǎo)致?lián)舸．?dāng)放電發(fā)展到一定長(zhǎng)度時(shí)，由于場(chǎng)強(qiáng)低于臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，放電的發(fā)展會(huì)暫停。在此期間，放電通道內(nèi)累積的電子迅速附著在SF6分子上，正、負(fù)電荷分開(kāi)，正負(fù)空間電荷由此形成。此時(shí)，在SF6氣體內(nèi)會(huì)有兩種運(yùn)動(dòng)發(fā)生，根據(jù)其帶來(lái)的不同影響可分別用莖先導(dǎo)機(jī)理和前驅(qū)機(jī)理來(lái)描述。流注形成先導(dǎo)后，先導(dǎo)的頭部會(huì)產(chǎn)生新的流注電暈，此流注在原來(lái)先導(dǎo)的基礎(chǔ)上又會(huì)發(fā)展成一段新的先導(dǎo)，新先導(dǎo)的頭部又產(chǎn)生了流注電暈，如此多次重復(fù)這個(gè)過(guò)程，先導(dǎo)就會(huì)不斷向前推進(jìn)，最終導(dǎo)致?lián)舸?/p>

莖先導(dǎo)機(jī)理與前驅(qū)機(jī)理描述的是流注電暈發(fā)展成先導(dǎo)的過(guò)程，也是這個(gè)放電過(guò)程的關(guān)鍵部分。當(dāng)形成流注電暈后，可用莖先導(dǎo)機(jī)理來(lái)解釋電暈電流繼續(xù)向流注區(qū)帶來(lái)新能量的原因。流注通道中的電子被陽(yáng)極吸引，當(dāng)電子的濃度足夠高時(shí)，電流足夠大時(shí)，流注通道中就開(kāi)始熱電離。熱電離致使通道中帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)濃度的進(jìn)一步增大，故先導(dǎo)增加、電流繼續(xù)加大。流注通道變成了有高電導(dǎo)的等離子通道，這時(shí)在其頭部又會(huì)產(chǎn)生新的流注，使得先導(dǎo)一步步向前發(fā)展。

前驅(qū)機(jī)理過(guò)程是指帶正電荷的離子和帶負(fù)電荷的離子分別向兩個(gè)相反的方向漂移，從而發(fā)生先導(dǎo)。在強(qiáng)電負(fù)性氣體內(nèi)，放電端的正極和負(fù)極均可能發(fā)生前驅(qū)機(jī)理過(guò)程。前驅(qū)先導(dǎo)的發(fā)生是由于流注產(chǎn)生的離子受到電場(chǎng)的作用發(fā)生空間極化，大大增強(qiáng)了流注前方電場(chǎng)，等達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)時(shí)就形成了前驅(qū)先導(dǎo)。當(dāng)空間電場(chǎng)極化越來(lái)越嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)放電產(chǎn)生屏蔽作用，因?yàn)檫@種屏蔽作用放電會(huì)受到一定抑制，然后由于流注根部溫度升高，出現(xiàn)了熱電離過(guò)程。熱電離引起通道中帶電質(zhì)點(diǎn)濃度的進(jìn)一步增大，同時(shí)空間電荷發(fā)生擴(kuò)散和漂移，減弱了屏蔽，流注前方電場(chǎng)再次被加強(qiáng)，當(dāng)電場(chǎng)又一次達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)候，再次發(fā)生前驅(qū)先導(dǎo)。前驅(qū)區(qū)域在非均勻電場(chǎng)中的區(qū)域很小，這就意味著在非均勻電場(chǎng)中，前驅(qū)形成時(shí)候的區(qū)域邊緣電場(chǎng)只有很低的強(qiáng)度，所以前驅(qū)發(fā)生時(shí)的能量損失也很小，同時(shí)前驅(qū)區(qū)域內(nèi)的空間電荷分布的比較集中，能量也比較集中。

以上是對(duì)SF6氣體中整個(gè)放電過(guò)程從最初積累，到接下來(lái)發(fā)展，到最后產(chǎn)生局部放電的整個(gè)過(guò)程做出的分析，包括電暈、流注、先導(dǎo)放電、擊穿放電、莖先機(jī)理以及前驅(qū)機(jī)理。在GIS設(shè)備中提到局部放電，主要指的是完全擊穿之前所發(fā)生的一些局部放電現(xiàn)象，包括電暈、流注及先導(dǎo)。雖然很多時(shí)候先導(dǎo)放電并沒(méi)有造成電極與電極之間的完全擊穿，但是局部放電會(huì)誘發(fā)GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷，并使得絕緣缺陷發(fā)展和進(jìn)一步惡化。所以，研究GIS內(nèi)部絕緣缺陷引起的局部放 電對(duì)于保證GIS的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。