高電壓技術(shù)-第三章

1、第二章氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度選擇架空輸電線路和變電所的各種空氣間距值時(shí)確定電力設(shè)備外絕緣的尺寸和安裝條件時(shí)設(shè)計(jì)氣體絕緣組合電器的內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)工程實(shí)踐中，常常會(huì)遇到必須對(duì)氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度作出定量估計(jì)的情況，如：氣體放電的發(fā)展過(guò)程比較復(fù)雜、影響因素很多，因而要想用理論計(jì)算的方法來(lái)求取各種氣隙的擊穿電壓是相當(dāng)困難和不可靠的。掌握氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度及其各種影響因素,了解提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的途徑和措施非常重要。通常都采用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)求取某些典型電極所構(gòu)成的氣隙的擊穿特性，以滿足工程實(shí)用的需要。典型電極如：“棒一板” 電極“棒一棒” 電極“球一球”電極同軸圓筒電極氣體電氣強(qiáng)度取決于：電場(chǎng)形式所加電壓的類型

2、u工頻交流電壓u直流電壓u雷電過(guò)電壓u操作過(guò)電壓u均勻或稍不均勻電場(chǎng)中，氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30kV/cmu極不均勻電場(chǎng)，達(dá)到30kV/cm出現(xiàn)電暈本章學(xué)習(xí)的主要目的：理解均勻電場(chǎng)和不均勻電場(chǎng)的擊穿特性。掌握提高介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法。了解氣體絕緣電氣設(shè)備。u第一節(jié) 均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特性u(píng)第二節(jié) 極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性u(píng)第三節(jié) 大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及校正u第四節(jié) 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法u第五節(jié) 六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備u習(xí)題和參考答案本章內(nèi)容第一節(jié) 均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特性均勻直流電場(chǎng)的擊穿特性稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性一、均勻直流電場(chǎng)的擊穿特性如果平板間距很大，則

3、為了消除電極邊緣效應(yīng)，必須將電極的尺寸選得很大，這是不現(xiàn)實(shí)的。因此工程中一般極間距離（d）不大。均勻電場(chǎng)只有一種，那就是消除了電極邊緣效應(yīng)的平板電極之間的電場(chǎng)。均勻電場(chǎng)：兩個(gè)電極形狀完全相同且對(duì)稱布置，因而不存在極性效應(yīng)。均勻電場(chǎng)中各處的電場(chǎng)強(qiáng)度均相等，擊穿所需的時(shí)間極短在直流、工頻和沖擊電壓作用下的擊穿電壓實(shí)際上都相同擊穿電壓的分散性很小，伏秒特性很快就變平，沖擊系數(shù)1圖2-1為實(shí)驗(yàn)所得到的均勻電場(chǎng)空氣間隙擊穿電壓特性。它也可用下頁(yè)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示：Ub = 24.55d +6.66 dkVUb-擊穿電壓峰值,kVd -極間距離 -空氣相對(duì)密度上式完全符合巴申定律，因?yàn)樗部筛膶?xiě)成：Ub =

4、 f (d)Eb = = 24.55 +6.66相應(yīng)的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)：Ubdd(kV/cm)由上式或圖2-1可知，隨著極間距離d的增大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb稍有下降，在d=110cm的范圍內(nèi)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為30kV/cm。二、稍不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性與均勻電場(chǎng)相似，沖擊系數(shù)接近1，沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及直流擊穿電壓相等。1、球間隙若球間距離d，球極直徑為DdD/4時(shí)，不均勻度增大，大地影響加大一般取d D/2范圍內(nèi)工作2、同軸圓筒外筒內(nèi)半徑R=10cm，改變內(nèi)筒外半徑r之值，氣隙起始電暈電壓Uc和擊穿電壓隨內(nèi)筒外直徑r變化規(guī)律如圖2-3所示。小結(jié)（本節(jié)完）均勻電場(chǎng)o消除電極邊緣效應(yīng)的平板電極o板

5、間距離d一般不大o擊穿特性符合巴申定律稍不均勻電場(chǎng)沖擊系數(shù)接近1，沖擊擊穿電壓與工頻擊穿電壓及直流擊穿電壓相等來(lái)說(shuō)，均可按其電極的對(duì)稱程度分別選用“棒-棒”或“棒-板”兩種典型氣隙的擊穿特性曲線來(lái)估計(jì)其電氣強(qiáng)度。第二節(jié) 極不均勻電場(chǎng)氣隙的擊穿特性在各種各樣的極不均勻電場(chǎng)氣隙中：“棒棒”氣隙：完全對(duì)稱性“棒板”氣隙：最大不對(duì)稱性其它類型不均勻電場(chǎng)氣隙擊穿特性介于這兩種之間。對(duì)于實(shí)際工程中遇到的各種極不均勻電場(chǎng)氣隙直流電壓工頻交流電壓雷電沖擊電壓操作沖擊電壓氣隙在各種電壓下的擊穿特性：一、直流電壓“棒棒”和“棒板”擊穿特性見(jiàn)圖2-4?？梢钥闯觯骸鞍舭濉必?fù)極性擊穿電壓大大高于正極性擊穿電壓。二、工頻

6、交流電壓升壓方式：電壓慢慢升高，直至發(fā)生擊穿。升壓的速率一般控制在每秒升高預(yù)期擊穿電壓值的3?！鞍?棒”氣隙的工頻擊穿電壓要比“棒-板”氣隙高一些，因?yàn)橄鄬?duì)而言，“棒-棒”氣隙的電場(chǎng)要比“棒-板”氣隙稍為均勻一些。圖2-6是空氣中棒間隙的工頻擊穿電壓與氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，可以看出，在氣隙長(zhǎng)度d不超過(guò)1m時(shí)，“棒-棒”與“棒-板”氣隙的工頻擊穿電壓幾乎一樣，但在d進(jìn)一步增大后，二者的差別就變得越來(lái)越大了。圖2-7是空氣間隙更長(zhǎng)時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了進(jìn)行比較，圖中同時(shí)繪有“導(dǎo)線-導(dǎo)線”和“導(dǎo)線-桿塔”空氣間隙的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，隨著氣隙長(zhǎng)度的增大，“棒-板”氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯降低，即存在“

7、飽和”現(xiàn)象。各種氣隙的工頻擊穿電壓分散性一般不大，其標(biāo)準(zhǔn)偏差值不會(huì)超過(guò)2%-3%。當(dāng)氣隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)“飽和”時(shí)，再增大“棒-板”氣隙的長(zhǎng)度，已不能有效地提高其工頻擊穿電壓。在1.5/40uS雷電沖擊電壓作用下，“棒-棒”和“棒-板”氣隙的50沖擊擊穿電壓與極間距離d的關(guān)系如圖28所示。三、雷電沖擊電壓氣隙長(zhǎng)度更大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖29。對(duì)于1.2/50uS標(biāo)準(zhǔn)沖擊電壓波上述兩圖亦適用。由圖可見(jiàn)，“棒板”氣隙的沖擊擊穿電壓具有明顯的極性效應(yīng)，棒極為正極性的擊穿電壓比負(fù)極性時(shí)數(shù)值低得多。四、操作沖擊電壓我國(guó)采用如圖117所示的250/2500us標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波形。隨著輸電電壓的不斷提高：額定電壓超過(guò)22

8、0kV的超高壓輸電系統(tǒng)，應(yīng)按操作過(guò)電壓下的電氣特性進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)超高壓電力設(shè)備也應(yīng)采用操作沖擊電壓來(lái)進(jìn)行高壓試驗(yàn)下面來(lái)看一下極不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)氣隙時(shí)操作沖擊電壓下的擊穿具有的特點(diǎn)：(1)操作沖擊電壓波形對(duì)氣隙的電氣強(qiáng)度有很大的影響，擊穿電壓U50%(s)與波前時(shí)間Tcr的關(guān)系曲線呈現(xiàn)“U”形，在某一最不利的波前時(shí)間Tc下，出現(xiàn)極小值。(2)氣隙的操作沖擊電壓不但遠(yuǎn)低于雷電沖擊電壓，在某些波前時(shí)間范圍內(nèi)，甚至比工頻擊穿電壓還要低。各種類型作用電壓下，以操作沖擊電壓下的電氣強(qiáng)度最小。在確定電力設(shè)施的空氣間距時(shí)，必須考慮到這一重要情況。(4)操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時(shí)間的分散性都要比雷電沖擊電壓

9、下大得多。(3)極不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)氣隙的操作沖擊擊穿特性具有顯著的“飽和特征”，而其雷電沖擊擊穿特性卻是線性的。電氣強(qiáng)度最差的正極性“棒板”氣隙的飽和現(xiàn)象最為嚴(yán)重，尤其是在氣隙長(zhǎng)度大于5m以后，這對(duì)特高壓輸電技術(shù)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)極其不利的制約因素。小結(jié)直流電壓下“棒板”負(fù)極性擊穿電壓大大高于正極性擊穿電壓工頻交流電壓下“棒-棒”氣隙的擊穿電壓要比“棒-板”氣隙高一些雷電沖擊電壓下“棒板” 電極，棒極為正極性的擊穿電壓比負(fù)極性時(shí)數(shù)值低得多掌握操作沖擊電壓下?lián)舸┨攸c(diǎn)（本節(jié)完）前面介紹的不同氣隙在各種電壓下的擊穿特性均對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)大氣條件和正常海拔高度。由于大氣的壓力、溫度、濕度等條件都會(huì)影響空氣的密度、電子

10、自由行程長(zhǎng)度、碰撞電離及附著過(guò)程，所以也必然會(huì)影響氣隙的擊穿電壓。海拔高度的影響亦與此類似，因?yàn)殡S著海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均下降。第三節(jié) 大氣條件對(duì)氣隙擊穿特性的影響及校正壓力：p0=101.3kPa(760mmHg)；溫度：t0=20攝氏度或T0=293K；絕對(duì)濕度：hc=11g/m3。國(guó)標(biāo)規(guī)定的大氣條件：正由于此，在不同大氣條件和海拔高度下所得出的擊穿電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都必須換算到某種標(biāo)準(zhǔn)條件下才能互相進(jìn)行比較。U0KdKhU =Kd ：空氣密度校正因數(shù)Kh ：濕度校正因數(shù)上式不僅適用于氣隙的擊穿電壓，也適用于外絕緣的沿面閃絡(luò)電壓。實(shí)驗(yàn)條件下的氣隙擊穿電壓U與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的擊穿電壓U

11、0之間關(guān)系：在進(jìn)行高壓試驗(yàn)時(shí)，也往往要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的大氣條件，將試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的試驗(yàn)電壓值換算得出實(shí)際應(yīng)加的試驗(yàn)電壓值。下面分別討論各個(gè)校正因數(shù)的取值：對(duì)空氣密度的校正對(duì)濕度的校正對(duì)海拔的校正一、對(duì)空氣密度的校正空氣密度與壓力和溫度有關(guān)。由教材第13頁(yè)式(1-19)可知，空氣的相對(duì)密度： pT= 2 .9式中：p ：氣壓,kPaT ：溫度,K.U U0實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng) 處于0.951.05的范圍內(nèi)時(shí)，氣隙的擊穿電壓幾乎與 成正比，即此時(shí)的空氣密度校正因數(shù)Kd ，因而：在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨 的增大而提高。氣隙不很長(zhǎng)(例如不超過(guò)1m)時(shí)：上式能足夠準(zhǔn)確地適用于各種電場(chǎng)型式和

12、各種電壓類型下作近似的工程估算。更長(zhǎng)的空氣間隙：擊穿電壓與大氣條件變化的關(guān)系，并不是一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長(zhǎng)度而變化的復(fù)雜關(guān)系。除了在氣隙長(zhǎng)度不大、電場(chǎng)也比較均勻或長(zhǎng)度雖大、但擊穿電壓仍隨氣隙長(zhǎng)度呈線性增大(如雷電沖擊電壓)的情況下，上式仍可適用外，其他情況下的空氣密度校正因數(shù)應(yīng)按下式求?。菏街兄笖?shù)m，n與電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及其極性有關(guān)，其值在0.41.0的范圍內(nèi)變化,具體取值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有規(guī)定。nmdttppK+=27327300二、對(duì)濕度的校正正如上一章“負(fù)離子的形成”一段中所介紹的那樣，大氣中所含的水氣分子能俘獲自由電子而形成負(fù)離子，這對(duì)氣體中的放電過(guò)

13、程顯然起著抑制作用，可見(jiàn)大氣的濕度越大，氣隙的擊穿電壓也會(huì)增高。在均勻和稍不均勻電場(chǎng)中，放電開(kāi)始時(shí)，整個(gè)氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)度都較大，電子的運(yùn)動(dòng)速度較快，不易被水氣分子所俘獲，因而濕度的影響就不太明顯，可以忽略不計(jì)。例如用球隙測(cè)量高電壓時(shí)，只需要按空氣相對(duì)密度校正其擊穿電壓就可以了，而不必考慮濕度的影響。在極不均勻電場(chǎng)中，濕度的影響就很明顯了，這時(shí)可以用下面的濕度校正因數(shù)來(lái)加以修正：Kh = k式中的因數(shù)k與絕對(duì)濕度和電壓類型有關(guān)，而指數(shù)之值則取決于電極形狀、氣隙長(zhǎng)度、電壓類型及其極性。三、對(duì)海拔的校正我國(guó)幅員遼闊，有不少電力設(shè)施(特別是輸電線路)位于高海拔地區(qū)。隨著海拔高度的增大，空氣變得逐漸稀薄，

14、大氣壓力和相對(duì)密度減小，因而空氣的電氣強(qiáng)度也將降低。海拔高度對(duì)氣隙的擊穿電壓和外絕緣的閃絡(luò)電壓的影響可利用一些經(jīng)驗(yàn)公式求得。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于安裝在海拔高于1000m、但不超過(guò)4000m處的電力設(shè)施外絕緣，其試驗(yàn)電壓U應(yīng)為平原地區(qū)外絕緣的試驗(yàn)電壓Up乘以海拔校正因數(shù)足Ka即：U = KaU p式中H為安裝點(diǎn)的海拔高度，單位是m。11.1 H 104而： Ka =（本節(jié)完）在不同大氣條件和海拔高度下所得出的擊穿電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)都必須換算到某種標(biāo)準(zhǔn)條件下才能互相進(jìn)行比較。對(duì)空氣密度、濕度和海拔，分別有不同的校正方法。小結(jié)第四節(jié) 提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的方法改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布利用空間電荷改善電

15、場(chǎng)分布采用屏障采用高氣壓采用高電氣強(qiáng)度氣體采用高真空為了縮小電力設(shè)施的尺寸，總希望將氣隙長(zhǎng)度或絕緣距離盡可能取得小一些，為此就應(yīng)采取措施來(lái)提高氣體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度。從實(shí)用角度出發(fā)，要提高氣隙的擊穿電壓不外乎采用兩條途徑：改善氣隙中的電場(chǎng)分布，使之均勻；設(shè)法削弱和抑制氣體介質(zhì)中的電離過(guò)程。一、改進(jìn)電極形狀以改善電場(chǎng)分布電場(chǎng)分布越均勻，氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也就越大。因此，可以通過(guò)改進(jìn)電極形狀的方法來(lái)減小氣隙中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，以改善電場(chǎng)分布，提高氣隙的擊穿電壓。如：增大電極的曲率半徑消除電極表面的毛刺消除電極表面尖角利用屏蔽來(lái)增大電極的曲率半徑是一種常用的方法。以電氣強(qiáng)度最差的“棒一板”氣隙為例，如果在

16、棒極的端部加裝一只直徑適當(dāng)?shù)慕饘偾?，就能有效地提高氣隙的擊穿電壓。圖2-13表明采用不同直徑屏蔽球時(shí)的效果，例如在極間距離為100cm時(shí)，采用一直徑為75cm的球形屏蔽極就可使氣隙的擊穿電壓約提高1倍。Uc Ug.max許多高壓電氣裝置的高壓出線端(例如電力設(shè)備高壓套管導(dǎo)桿上端)具有尖銳的形狀，往往需要加裝屏蔽罩來(lái)降低出線端附近空間的最大場(chǎng)強(qiáng)，提高電暈起始電壓。屏蔽罩的形狀和尺寸應(yīng)選得使其電暈起始電壓Uc大于裝置的最大對(duì)地工作電壓Ug.max ，即：最簡(jiǎn)單的屏蔽罩當(dāng)然是球形屏蔽極，它的半徑R按下式選擇：U g.maxEcR =式中 Ec ：電暈放電起始場(chǎng)強(qiáng)。超高壓輸電線路上應(yīng)用屏蔽原理來(lái)改善電

17、場(chǎng)分布以提高電暈起始電壓的實(shí)例有：超高壓線路絕緣子串上安裝的保護(hù)金具(均壓環(huán))、超高壓線路上采用的擴(kuò)徑導(dǎo)線等。二、利用空間電荷改善電場(chǎng)分布由于極不均勻電場(chǎng)氣隙被擊穿前一定先出現(xiàn)電暈放電，所以在一定條件下，還可以利用放電本身所產(chǎn)生的空間電荷來(lái)調(diào)整和改善空間的電場(chǎng)分布，以提高氣隙的擊穿電壓。三、采用屏障由于氣隙中的電場(chǎng)分布和氣體放電的發(fā)展過(guò)程都與帶電粒子在氣隙空間的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和分布密切有關(guān)，所以在氣隙中放置形狀和位置合適、能阻礙帶電粒子運(yùn)動(dòng)和調(diào)整空間電荷分布的屏障，也是提高氣體介質(zhì)電氣強(qiáng)度的一種有效方法。屏障的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號(hào)的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場(chǎng)強(qiáng)度

18、減小，從而使整個(gè)氣隙的電場(chǎng)分布均勻化。屏障用絕緣材料制成，但它本身的絕緣性能無(wú)關(guān)緊要，重要的是它的密封性(攔住帶電粒子的能力)。它一般安裝在電暈間隙中，其表面與電力線垂直。如圖(2-14)，雖然這時(shí)屏障與另一電極之間的空間電場(chǎng)強(qiáng)度反而增大了，但其電場(chǎng)形狀變得更象兩塊平板電極之間的均勻電場(chǎng)，所以整個(gè)氣隙的電氣強(qiáng)度得到了提高。有屏障氣隙的擊穿電壓與該屏障的安裝位置有很大的關(guān)系。以圖215所示的“棒一板”氣隙為例，最有利的屏障位置在x=(1/51/6)d處，這時(shí)該氣隙的電氣強(qiáng)度在正極性直流時(shí)約可增加為23倍。但當(dāng)棒為負(fù)極性時(shí)，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高氣隙的擊穿電壓(例如20)，而在大

19、多數(shù)位置上，反而使擊穿電壓有不同程度的降低。在沖擊電壓下，屏障的作用要小一些，因?yàn)檫@時(shí)積聚在屏障上的空間電荷較少。顯然，屏障在均勻或稍不均勻電場(chǎng)的場(chǎng)合就難以發(fā)揮作用了。四、采用高氣壓在常壓下空氣的電氣強(qiáng)度是比較低的，約為30kV/cm。即使采取上述各種措施來(lái)盡可能改善電場(chǎng)，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也不可能超越這一極限，可見(jiàn)常壓下空氣的電氣強(qiáng)度要比一般固體和液體介質(zhì)的電氣強(qiáng)度低得多。如果把空氣加以壓縮，使氣壓大大超過(guò)0.1MPa(1atm)，那么它的電氣強(qiáng)度也能得到顯著的提高。這主要是因?yàn)樘岣邭鈮嚎梢源蟠鬁p小電子的自由行程長(zhǎng)度，從而削弱和抑制了電離過(guò)程。如能在采用高氣壓的同時(shí)，再以某些高電氣強(qiáng)度氣體（例如

20、SF6氣體）來(lái)代替空氣，那就能獲得更好的效果。圖216為不同氣壓的空氣和SF6氣體、電瓷、變壓器油、高真空等的電氣強(qiáng)度比較。從圖上可以看出：28MPa的壓縮空氣具有很高的擊穿電壓。5-電瓷6-SF6,0.1Mpa7-空氣,0.1Mpa1-空氣，氣壓為2.8MPa2-SF6，0.7Mpa3-高真空4-變壓器油但采用高氣壓會(huì)對(duì)電氣設(shè)備外殼的密封性和機(jī)械強(qiáng)度提出很高的要求，往往難以實(shí)現(xiàn)。如果用SF6來(lái)代替空氣，為了達(dá)到同樣的電氣強(qiáng)度，只要采用07MPa左右的氣壓就夠了。1-空氣，氣壓為2.8MPa 5-電瓷2-SF6，0.7Mpa 6-SF6,0.1Mpa3-高真空 7-空氣,0.1Mpa4-變壓器

21、油五、采用高電氣強(qiáng)度氣體有一些含鹵族元素的強(qiáng)電負(fù)性氣體電氣強(qiáng)度特別高，因而可稱之為高電氣強(qiáng)度氣體。采用這些氣體來(lái)替換空氣，可以大大提高氣隙的擊穿電壓，甚至在空氣中混入一部分這樣的氣體也能顯著提高其電氣強(qiáng)度。但僅僅滿足高電氣強(qiáng)度是不夠的，還必須滿足以下條件：液化溫度要低，這樣才能同時(shí)采用高氣壓；良好的化學(xué)穩(wěn)定性，出現(xiàn)放電時(shí)不易分解、不燃燒或爆炸、不產(chǎn)生有毒物質(zhì)；生產(chǎn)不太困難，價(jià)格不過(guò)于昂貴。SF6同時(shí)滿足以上條件，而且還具備優(yōu)異的滅弧能力，其他有關(guān)的技術(shù)性能也相當(dāng)好，因此SF6及其混合氣體在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。六、采用高真空采用高真空也可以減弱氣隙中的碰撞電離過(guò)程而顯著提高氣隙的擊穿電壓。

22、在電力設(shè)備中實(shí)際采用高真空作為絕緣媒質(zhì)的情況還不多，主要因?yàn)樵诟鞣N設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中大都還要采用各種固體或液體介質(zhì)，它們?cè)谡婵罩卸紩?huì)逐漸釋出氣體，使高真空難以長(zhǎng)期保持。目前高真空僅在真空斷路器中得到實(shí)際應(yīng)用，真空不但絕緣性能較好，而且還具有很強(qiáng)的滅弧能力，所以用于配電網(wǎng)中的真空斷路器還是很合適的。球形屏蔽極可以顯著改善電場(chǎng)分布，提高氣隙的擊穿電壓；在氣隙中放置形狀和位置合適、能阻擋帶電粒子運(yùn)動(dòng)和調(diào)整空間電荷分布的屏蔽，可明顯提高氣隙擊穿電壓；高氣壓和高強(qiáng)度氣體相結(jié)合是一種有效的氣體絕緣形式；小結(jié)高真空氣體主要用于配電網(wǎng)真空斷路器中。（本節(jié)完）第五節(jié) 六氟化硫和氣體絕緣電氣設(shè)備六氟化硫的絕緣性能六

23、氟化硫理化特性方面的若干問(wèn)題六氟化硫混合氣體氣體絕緣電氣設(shè)備六氟化硫(SF6)氣體：20世紀(jì)60年代開(kāi)始作為絕緣媒質(zhì)和滅弧媒質(zhì)使用于某些電氣設(shè)備(首先是斷路器)中；至今已是除空氣外應(yīng)用最廣泛的氣體介質(zhì)。SF6的電氣強(qiáng)度約為空氣的2.5倍，滅弧能力更高達(dá)空氣的100倍以上，所以在超高壓和特高壓的范疇內(nèi)，它已完全取代絕緣油和壓縮空氣而成為唯一的斷路器滅弧媒質(zhì)。目前SF6不但應(yīng)用于單一電力設(shè)備，如：SF6斷路器、氣體絕緣變壓器等。也被廣泛采用于將多種變電設(shè)備集于一體并密閉充SF6氣體的容器之內(nèi)的封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）和充氣管輸電線等裝置中。一、SF6的絕緣性能SF6具有較高的電氣強(qiáng)度，主要

24、是因?yàn)槠渚哂泻軓?qiáng)的電負(fù)性，容易俘獲自由電子而形成負(fù)離子(電子附著過(guò)程)，電子變成負(fù)離子后,其引起碰撞電離的能力就變得很弱，因而削弱了放電發(fā)展過(guò)程。與均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓相比，SF6在極不均勻電場(chǎng)中擊穿電壓下降的程度比空氣要大得多。SF6優(yōu)異的絕緣性能只有在電場(chǎng)比較均勻的場(chǎng)合才能得到充分的發(fā)揮。電場(chǎng)的不均勻程度對(duì)SF6電氣強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)比對(duì)空氣的大。在設(shè)計(jì)以 SF6 氣體作為絕緣的各種電氣設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡可能使氣隙中的電場(chǎng)均勻化，采用屏蔽等措施以消除一切尖角處的極不均勻電場(chǎng)，使SF6 優(yōu)異的絕緣性能得到充分的利用。(一)均勻和稍不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿SF6電負(fù)性氣體中的碰撞電離和放電過(guò)程時(shí)，除了考慮

25、第一章中所說(shuō)的 過(guò)程外，還應(yīng)計(jì)及電子附著過(guò)程，它可用一個(gè)與電子碰撞電離系數(shù) 的定義相似的電子附著系數(shù) 來(lái)表示， 的定義是一個(gè)電子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)1cm的行程中所發(fā)生的電子附著次數(shù)平均值?？梢?jiàn)在電負(fù)性氣體中的有效碰撞電離系數(shù) 應(yīng)為： = 參照式1-7，可寫(xiě)出均勻電場(chǎng)中的電子崩增長(zhǎng)規(guī)律：這時(shí)應(yīng)該注意：在一般氣體中，正離子數(shù)等于新增的電子數(shù)；而在電負(fù)性氣體中，正離子數(shù)等于新增的電子數(shù)與負(fù)離子數(shù)之和。所以在湯遜理論中不能將式(114)中的 簡(jiǎn)單地用(-)來(lái)代替而得出電負(fù)性氣體的自持放電條件。式中：n0-陰極表面處的初始電子數(shù)；na-到達(dá)陽(yáng)極時(shí)的電子數(shù)na = n0e()d式中：p-氣壓，Mpa，d-極間

26、距離，mmUb =88.5pd +0.38(kV) (216)由于強(qiáng)電負(fù)性氣體在實(shí)用中所處條件均屬于流注放電的范疇，所以這里不再討論其湯遜自持放電條件，而直接探討其流注自持放電條件。為此，可參照式(120)寫(xiě)出均勻電場(chǎng)中電負(fù)性氣體的流注自持放電條件為：( ) = K實(shí)驗(yàn)研究證明：對(duì)于SF6氣體，常數(shù)K=10.5，相應(yīng)的擊穿電壓為：Eb = 88.5kV /cm在工程應(yīng)用中，通常pd1MPa mm，所以上式可近似地寫(xiě)成：(217)前面已經(jīng)提到，在氣體絕緣電氣設(shè)備中最常見(jiàn)的是稍不均勻電場(chǎng)氣隙，例如同軸圓筒間的氣隙。Ub 88.5pd(kV)式(216)和式(217)均表明，在均勻電場(chǎng)中SF6氣體的

27、擊穿也遵循巴申定律。它在0.1MPa(1atm)下的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，幾乎是空氣的3倍。Ubd圖217給出R/r=1.67406的同軸圓筒中SF6的擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb與氣壓p的關(guān)系曲線，由圖中可見(jiàn)擊穿場(chǎng)強(qiáng)并不與氣壓成正比，而是增加得少一些。在稍不均勻電場(chǎng)中，極性對(duì)于氣隙擊穿電壓的影響與極不均勻電場(chǎng)中的情況是相反的，此時(shí)負(fù)極性下的擊穿電壓反而比正極性時(shí)低10左右。沖擊系數(shù)很小，雷電沖擊時(shí)約為1.25，操作沖擊時(shí)更小，只有1.051.1。(二) 極不均勻電場(chǎng)中SF6的擊穿在極不均勻電場(chǎng)中， SF6氣體的擊穿有異常現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：如圖所示，首先是工頻擊穿電壓隨氣壓的變化曲線存在“駝峰”；其次是駝峰區(qū)

28、段內(nèi)的雷電沖擊擊穿電壓明顯低于靜態(tài)擊穿電壓，其沖擊系數(shù)可低至06左右，如圖218所示。雖然駝峰曲線在壓縮空氣中也存在，但一般要在氣壓高達(dá)1MPa左右才開(kāi)始出現(xiàn)，而在SF6氣體中，駝峰常出現(xiàn)在0.10.2MPa的氣壓下，即在工作氣壓以下。因此，在進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能設(shè)法避免極不均勻電場(chǎng)的情況。極不均勻電場(chǎng)中SF6氣體擊穿的異?，F(xiàn)象與空間電荷的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。我們知道，空間電荷對(duì)棒極的屏蔽作用會(huì)使擊穿電壓提高，但在雷電沖擊電壓的作用下，空間電荷來(lái)不及移動(dòng)到有利的位置，故其擊穿電壓低于靜態(tài)擊穿電壓；氣壓提高時(shí)空間電荷擴(kuò)散得較慢，因此在氣壓超過(guò)0.10.2MPa時(shí)，屏蔽作用減弱，工頻擊穿電壓會(huì)下降。（三）

29、影響擊穿場(chǎng)強(qiáng)的其它因素氣體絕緣電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)值遠(yuǎn)低于理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這是因?yàn)橛性S多影響因素會(huì)使它的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降。此處僅介紹其中兩種主要影響因素，即電極表面缺陷和導(dǎo)電微粒。1.電極表面缺陷圖219表示電極表面粗糙度Ra對(duì)SF6，氣體電氣強(qiáng)度Eb的影響?？梢钥闯觯篏IS的工作氣壓越高，則Ra對(duì)Eb的影響越大，因而對(duì)電極表面加工的技術(shù)要求也越高。電極表面粗糙度大時(shí)，表面突起處的局部電場(chǎng)強(qiáng)度要比氣隙的平均電場(chǎng)強(qiáng)度大得多，因而可在宏觀上平均場(chǎng)強(qiáng)尚未達(dá)到臨界值時(shí)就誘發(fā)擊穿。除了表面粗糙度外，電極表面還會(huì)有其它零星的隨機(jī)缺陷，電極表面積越大，這類缺陷出現(xiàn)的概率也越大。所以電極表面積越大，SF6氣體的擊穿場(chǎng)

30、強(qiáng)越低，這一現(xiàn)象被稱為“面積效應(yīng)”。2.導(dǎo)電微粒設(shè)備中的導(dǎo)電微粒有兩大類，即固定微粒和自由微粒，前者的作用與電極表面缺陷相似，而后者因會(huì)在極間跳動(dòng)而對(duì)SF6氣體的絕緣性能產(chǎn)生更大的不利影響。二、六氟化硫理化特性方面的若干問(wèn)題氣體要作為絕緣媒質(zhì)應(yīng)用于工程實(shí)際，不但應(yīng)具有高電氣強(qiáng)度，而且還要具備良好的理化特性。SF6氣體是唯一獲得廣泛應(yīng)用的強(qiáng)電負(fù)性氣體的原因即在于此。下面對(duì) SF6氣體實(shí)際應(yīng)用中的理化特性作一介紹：(一）液化問(wèn)題現(xiàn)代SF6高壓斷路器的氣壓在0.7MPa左右，而GIS中除斷路器外其余部分的充氣壓力一般不超過(guò)0.45MPa。如果20 C時(shí)的充氣壓力為075MPa(相當(dāng)于斷路器中常用的工

31、作氣壓），則對(duì)應(yīng)的液化溫度約為-25 ，如果20 時(shí)的充氣壓力為0.45MPa，則對(duì)應(yīng)的液化溫度為-40 ，可見(jiàn)一般不存在液化問(wèn)題，只有在高寒地區(qū)才需要對(duì)斷路器采用加熱措施，或采用SF6-N2混合氣體來(lái)降低液化溫度。(二）毒性分解物純凈的SF6氣體是無(wú)毒惰性氣體，180攝氏度以下時(shí)它與電氣設(shè)備中材料的相容性與氮?dú)庀嗨啤５玈F6的分解物有毒，并對(duì)材料有腐蝕作用，因此必須采取措施以保證人身和設(shè)備的安全。使SF6氣體分解的原因：電子碰撞、熱和光輻射.在電氣設(shè)備中引起分解的原因主要是前兩種，它們均因放電而出現(xiàn)。大功率電弧（斷路器觸頭間的電弧或GIS等設(shè)備內(nèi)部的故障電?。┑母邷貢?huì)引起SF6氣體的迅速分解，而火花放電、電暈或局部放電也會(huì)引起SF6氣體的分解。針對(duì)SF6氣體毒性分解物的措施：通常采用吸附劑.吸附劑主要有兩方面作用：吸附分解物和吸附水分常用的吸附劑有：活性氧化鋁和分子篩通常吸附劑的放置量不小于SF6氣體重量的10%.(三）含水量水分是SF6氣體中危害最大的雜質(zhì)，因?yàn)椋核謺?huì)影響氣體的分解物與HF形成氫氟酸，引起材料的腐蝕與導(dǎo)致機(jī)械故障低溫時(shí)引起固體介質(zhì)表面凝露，使閃絡(luò)電壓急劇降低控制氣體含水量的措施：避免在高濕度氣體條件下進(jìn)行裝配工作；安裝前所有部件都要經(jīng)過(guò)干燥處理；保證