高電壓技術：2-5提高氣體介質電氣強度的方法

1、第五節(jié) 提高氣體介質電氣強度的方法改進電極形狀以改善電場分布 利用空間電荷改善電場分布 采用屏障 采用高氣壓 采用高電氣強度氣體 采用高真空為了縮小電力設施的尺寸，總希望將氣隙長度或絕緣距離盡可能取得小一些，為此就應采取措施來提高氣體介質的電氣強度。從實用角度出發(fā)，要提高氣隙的擊穿電壓不外乎采用兩條途徑：改善氣隙中的電場分布，使之均勻； 設法削弱和抑制氣體介質中的電離過程。一、改進電極形狀以改善電場分布電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強也就越大。因此，可以通過改進電極形狀的方法來減小氣隙中的最大電場強度，以改善電場分布，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

2、面尖角 利用屏蔽來增大電極的曲率半徑是一種常用的方法。以電氣強度最差的“棒一板”氣隙為例，如果在棒極的端部加裝一只直徑適當的金屬球，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的效果，例如在極間距離為100cm時，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。許多高壓電氣裝置的高壓出線端(例如電力設備高壓套管導桿上端)具有尖銳的形狀，往往需要加裝屏蔽罩來降低出線端附近空間的最大場強，提高電暈起始電壓。屏蔽罩的形狀和尺寸應選得使其電暈起始電壓 大于裝置的最大對地工作電壓 ，即：最簡單的屏蔽罩當然是球形屏蔽極，它的半徑R按下式選擇：超高壓輸電線路上應用屏蔽原理

3、來改善電場分布以提高電暈起始電壓的實例有：超高壓線路絕緣子串上安裝的保護金具(均壓環(huán))、超高壓線路上采用的擴徑導線等。二、利用空間電荷改善電場分布由于極不均勻電場氣隙被擊穿前一定先出現電暈放電，所以在一定條件下，還可以利用放電本身所產生的空間電荷來調整和改善空間的電場分布，以提高氣隙的擊穿電壓。三、采用屏障由于氣隙中的電場分布和氣體放電的發(fā)展過程都與帶電粒子在氣隙空間的產生、運動和分布密切有關，所以在氣隙中放置形狀和位置合適、能阻礙帶電粒子運動和調整空間電荷分布的屏障，也是提高氣體介質電氣強度的一種有效方法。屏障用絕緣材料制成，但它本身的絕緣性能無關緊要，重要的是它的密封性(攔住帶電粒子的能力

4、)。它一般安裝在電暈間隙中，其表面與電力線垂直。屏障的作用取決于它所攔住的與電暈電極同號的空間電荷，這樣就能使電暈電極與屏障之間的空間電場強度減小，從而使整個氣隙的電場分布均勻化。如圖(2-14)，雖然這時屏障與另一電極之間的空間電場強度反而增大了，但其電場形狀變得更象兩塊平板電極之間的均勻電場，所以整個氣隙的電氣強度得到了提高。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，這時該氣隙的電氣強度在正極性直流時約可增加為23倍。但當棒為負極性時，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)

5、，而在大多數位置上，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，因為這時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的場合就難以發(fā)揮作用了。四、采用高氣壓在常壓下空氣的電氣強度是比較低的，約為30kV/cm。即使采取上述各種措施來盡可能改善電場，其平均擊穿場強也不可能超越這一極限，可見常壓下空氣的電氣強度要比一般固體和液體介質的電氣強度低得多。如果把空氣加以壓縮，使氣壓大大超過0.1MPa(1atm)，那么它的電氣強度也能得到顯著的提高。這主要是因為提高氣壓可以大大減小電子的自由行程長度，從而削弱和抑制了電離過程。如能在采用高氣壓的同時，再以某些高電氣強度

6、氣體（例如SF6氣體）來代替空氣，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。但采用高氣壓會對電氣設備外殼的密封性和機械強度提出很高的要求，往往難以實現。如果用SF6來代替空氣，為了達到同樣的電氣強度，只要采用07MPa左右的氣壓就夠了。五、采用高電氣強度氣體有一些含鹵族元素的強電負性氣體電氣強度特別高，因而可稱之為高電氣強度氣體。采用這些氣體來替換空氣，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度。但僅僅滿足高電氣強度是不夠的，還必須滿足以下條

7、件：液化溫度要低，這樣才能同時采用高氣壓； 良好的化學穩(wěn)定性，出現放電時不易分解、不燃燒或爆炸、不產生有毒物質； 生產不太困難，價格不過于昂貴。 SF6同時滿足以上條件，而且還具備優(yōu)異的滅弧能力，其他有關的技術性能也相當好，因此SF6及其混合氣體在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用六、采用高真空采用高真空也可以減弱氣隙中的碰撞電離過程而顯著提高氣隙的擊穿電壓。在電力設備中實際采用高真空作為絕緣媒質的情況還不多，主要因為在各種設備的絕緣結構中大都還要采用各種固體或液體介質，它們在真空中都會逐漸釋出氣體，使高真空難以長期保持。 目前高真空僅在真空斷路器中得到實際應用，真空不但絕緣性能較好，而且還具有很強的滅弧能力，所以用于配電網中的真空斷路器還是很合適的。小 結球形屏蔽極可以顯著