提高氣體擊穿電壓的措施

提高氣體擊穿電壓不外乎兩個(gè)途徑：一方面是改善電場(chǎng)分布，使之盡量均勻；另一方面是利用其他方法來(lái)削弱氣體中的電離過(guò)程。改善電場(chǎng)分布也有兩種途徑：一種是改進(jìn)電極形狀；另一種是利用氣體放電本身的空間電荷畸變電場(chǎng)的作用。

1.電極形狀的改進(jìn)

均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)比極不均勻電場(chǎng)間隙的要高很多。一般來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)分布越均勻，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也越高。因此，可以通過(guò)改進(jìn)電極形狀、增大電極曲率半徑，以改善電場(chǎng)分布，提高間隙的擊穿電壓。同時(shí)，電極表面應(yīng)盡量避免毛刺、棱角等以消除電場(chǎng)局部增強(qiáng)的現(xiàn)象。若不可避免出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng)，則盡可能采用對(duì)稱電場(chǎng)(棒-棒類型)。即使是極不均勻電場(chǎng)，不少情況下，為了避免在工作電壓下出現(xiàn)強(qiáng)烈電暈放電，也必須增大電極曲率半徑。

改變電極形狀以調(diào)整電場(chǎng)的方法有：

1)增大電極曲率半徑。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩，采用擴(kuò)徑導(dǎo)線(截面積相同，半徑增大)等，用增大電極曲率半徑的方法來(lái)減小表面場(chǎng)強(qiáng)。

2)改善電極邊緣。電極邊緣做成弧形，或盡量使其與某等位面相近，以消除邊緣效應(yīng)。

3)使電極有最佳外形。如穿墻高壓引線上加金屬扁球，墻洞邊緣做成近似垂鏈線旋轉(zhuǎn)體，以此改善其電場(chǎng)分布。

2.空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變作用

極不均勻電場(chǎng)中間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象，所以在一定條件下，可以利用放電自身產(chǎn)生的空間電荷來(lái)改善電場(chǎng)分布，以提高擊穿電壓。例如，導(dǎo)線與平板間隙中，當(dāng)導(dǎo)線直徑減小到一定程度后，間隙的工頻擊穿電壓反而顯著提高。

當(dāng)導(dǎo)線直徑很小時(shí)，導(dǎo)線周?chē)菀仔纬杀容^均勻的電暈層，電壓增加，電暈層也逐漸擴(kuò)大，電暈放電所形成的空間電荷使電場(chǎng)分布改變。由于電暈層比較均勻，電場(chǎng)分布改善了，從而提高了擊穿電壓。當(dāng)導(dǎo)線直徑較大時(shí)，情況就不同了。電極表面不可能絕對(duì)光滑，總存在電場(chǎng)局部強(qiáng)的地方，從而總存在電離局部強(qiáng)的現(xiàn)象。此外，由于導(dǎo)線直徑較大，導(dǎo)線表面附近的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)也較大，電離一經(jīng)發(fā)展，就比較強(qiáng)烈。局部電離的發(fā)展，將顯著加強(qiáng)電離區(qū)前方的電場(chǎng)，而削弱了周?chē)浇碾妶?chǎng)(類似于出現(xiàn)了金屬端)，從而使該電離區(qū)進(jìn)一步發(fā)展。這樣，電暈就容易轉(zhuǎn)入刷狀放電，從而其擊穿電壓就和尖-板間隙的擊穿電壓相近了。只有在一定間隙距離范圍內(nèi)才存在上述“細(xì)線"效應(yīng)。間隙距離超過(guò)一定值時(shí)，細(xì)線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，此后擊穿電壓也同尖-板間隙的擊穿電壓相近了。

實(shí)驗(yàn)表明，雷電沖擊電壓下沒(méi)有細(xì)線效應(yīng)。這是由于電壓作用時(shí)間太短，來(lái)不及形成充分的空間電荷層的緣故。利用空間電荷(均勻的電暈層)提高間隙的擊穿電壓，僅在持續(xù)作用電壓下才有效，而且此時(shí)在擊穿前將出現(xiàn)持續(xù)的電暈現(xiàn)象，這在很多場(chǎng)合下也是不允許的。

3.極不均勻場(chǎng)中屏障的采用

在極不均勻場(chǎng)的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料(如紙或紙板)，在一定條件下可以顯著地提高間隙的擊穿電壓。屏降的作用在于屏障表面上積聚的空間電荷，使屏障與板電極之間形成比較均勻的電場(chǎng)，從而使整個(gè)間隙的擊穿電壓提高。

工頻電壓下，在尖-板電極中設(shè)置屏障可以顯著地提高擊穿電壓，因?yàn)楣ゎl電壓下擊穿總是發(fā)生在尖電極為正極性的半周內(nèi)。雷電沖擊電壓下，屏障也可提高尖·板同隙的擊穿電壓，但是幅度比穩(wěn)態(tài)電壓下要小一些。

4.提高氣體壓力的作用

提高間隙擊穿電壓的另一個(gè)途徑是采取其他方法削弱氣體中的電離過(guò)程，比如，在設(shè)備內(nèi)絕緣等有條件的情況下提高氣體壓力。由于大氣壓下空氣的電氣強(qiáng)度約30kV/cm，即使采取上述措施，盡可能改善電場(chǎng)分布，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)最高也不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值。而提高氣體壓力可以減小電子的平均自由行程，削弱電離過(guò)程，從而提高擊穿電壓。

在采取這種措施時(shí)，必須注意電場(chǎng)均勻程度和電極表面狀態(tài)。當(dāng)間隙距離不變時(shí)，擊穿電壓隨壓力的提高而很快增加；但當(dāng)壓力增加到一定程度后，擊穿電壓增加的幅度逐漸減小，說(shuō)明此后繼續(xù)增加壓力的效果逐漸下降了。在高氣壓下，電場(chǎng)的均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著得多，電場(chǎng)均勻程度下降，擊穿電壓將急劇降低。因此，采用高氣壓的電氣設(shè)備應(yīng)使電場(chǎng)盡可能均勻。而在實(shí)際工程中采用的高氣壓值也不會(huì)太大。因?yàn)闅鈮禾邥r(shí)，擊穿電壓隨氣壓升高的規(guī)律將不符合巴申定律，壓力越高，二者分歧越大。而且同一δd條件下，壓力越高，擊穿電壓越低。另外壓力太高，工程制造成本也會(huì)大幅度增加。

在高氣壓下，氣隙的擊穿電壓和電極表面的粗糙度也有很大關(guān)系。電極表面越粗糙，氣隙的擊穿電壓就越低，氣體壓力越大，這個(gè)影響就越顯著。一個(gè)新的電極最初幾次的擊穿電壓往往較低，經(jīng)過(guò)多次限制能量的火花擊穿后，氣隙的擊穿電壓就有顯著提高，分散性也減小，這個(gè)過(guò)程稱作對(duì)電極進(jìn)行“老煉"處理。氣壓提高，“老煉"處理所需的擊穿次數(shù)也越多。電極表面不潔、有污物以及濕度等因素在高氣壓下對(duì)氣隙擊穿電壓的影響都要比常壓下顯著。如果電場(chǎng)不均勻，濕度使擊穿電壓下降的程度就更顯著。

因此，高氣壓下應(yīng)盡可能改進(jìn)電極形狀，以改善電場(chǎng)分布。在比較均勻的電場(chǎng)中，電極應(yīng)仔細(xì)加工光潔。氣體要過(guò)濾，濾去塵埃和水分。充氣后需放置較長(zhǎng)時(shí)間凈化后再使用。

5.高真空和高電氣強(qiáng)度氣體SF₆的采用

(1)高真空的采用

采用高真空也是削弱了電極間氣體的電離過(guò)程，雖然電子的自由行程變得很大，但間隙高間隙擊穿電壓大。

間隙距離較小時(shí)，高真空的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，其值超過(guò)壓縮氣體間隙；但間隙距離較大時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)急劇減小，明顯低于壓縮氣體間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。真空擊穿理論對(duì)這一現(xiàn)象是這樣解釋的：高真空小間隙的擊穿是與陰極表面的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射密切有關(guān)。由于強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過(guò)熱使電極發(fā)生金屬汽化并釋放出氣體，破壞了真空，從而引起擊穿。間隙距離較大時(shí)，擊穿是由所謂全電壓效應(yīng)引起的。隨著間隙距離及擊穿電壓的增大，電子從陰極到陽(yáng)極經(jīng)過(guò)巨大的電位差，積聚了很大的動(dòng)能，高能電子轟擊陽(yáng)極時(shí)能使陽(yáng)極釋放出正離子及輻射出光子；正離子及光子到達(dá)陰極后又將加強(qiáng)陰極的表面電離。在此反復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生越來(lái)越大的電子流，使電極局部汽化，導(dǎo)致間隙擊穿，這就是全電壓效應(yīng)引起平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨間隙距離的增加而降低的原因。由此可見(jiàn)，真空間隙的擊穿電壓與電極材料、電極表面粗糙度和清潔度(包括吸附氣體的多少和種類)等多種因素有關(guān)，因此擊穿分散性很大。在全相同的實(shí)驗(yàn)條件下，擊穿電壓隨電極材料熔點(diǎn)的提高而增大。在電力設(shè)備中，目前，還很少采用高真空作為絕緣介質(zhì)，因?yàn)殡娏υO(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中總會(huì)使用固體絕緣材料，這些固體絕緣材料會(huì)逐漸釋放出吸附的氣體，使真空無(wú)法保持。目前，真空間隙只在真空斷路器中得到應(yīng)用。真空不僅絕緣性能好，而且有很強(qiáng)的滅弧能力，所以真空斷路器已廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)中。

(2)高電氣強(qiáng)度氣體SF₆的采用

高氣壓高真空到一定限度后，給設(shè)備密封帶來(lái)很大困難，造價(jià)也大為上升。而且10個(gè)大氣壓以后，再提高氣壓，效果也越來(lái)越差。近幾十年，人們發(fā)現(xiàn)許多含鹵族元素的氣體化合物，如SF₆、CCl₄、CCl₂F₂等的電氣強(qiáng)度都比空氣高很多，這些氣體通常稱為高電氣強(qiáng)度氣體。采用這些氣體代替空氣可以提高間隙擊穿電壓，縮小設(shè)備尺寸，降低工作氣壓。

表1-5中列出了幾種氣體的相對(duì)電氣強(qiáng)度。所謂某種氣體的相對(duì)電氣強(qiáng)度是指在氣壓與間隙距離相同的條件下該氣體的電氣強(qiáng)度與空氣電氣強(qiáng)度之比。

表1-5               幾種氣體的相對(duì)電氣強(qiáng)度

SF₆氣體的主要優(yōu)點(diǎn)有：除了具有較高的電氣強(qiáng)度外，還有很強(qiáng)的滅弧性能。它是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、非燃性的惰性化合物，對(duì)金屬和其他絕緣材料沒(méi)有腐蝕作用，被加熱到500℃仍不會(huì)分解。在中等壓力下，SF₆氣體可以被液化，便于儲(chǔ)藏和運(yùn)輸。SF₆氣體被廣泛用于大容量高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器、高壓充氣套管以及全封閉組合電器中。采用SF₆的電氣設(shè)備的尺寸大為縮小，例如，500kV的SF₆金屬封閉式變電站的占地僅為開(kāi)放式500kV變電站用地的5%，且不受外界氣候變化的影響。

用SF₆電氣設(shè)備的缺點(diǎn)是造價(jià)太高，而且作為一種對(duì)臭氧層有破壞作用的溫室氣體，SF₆的進(jìn)一步應(yīng)用也遇到一些問(wèn)題，不過(guò)目前還找不到一種在性能、價(jià)格方面都能與SF₆競(jìng)爭(zhēng)的高電氣強(qiáng)度氣體。