提高氣體擊穿電壓的五種措施

提高氣體擊穿電壓的措施

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

1.電極形狀的改進

均勻電場和稍不均勻電場間隙的平均擊穿場強比極不均勻電場間隙的要高很多。一般來說，電場分布越均勻，平均擊穿場強也越高。因此，可以通過改進電極形狀、增大電極曲率半徑，以改善電場分布，提高間隙的擊穿電壓。同時，電極表面應盡量避免毛刺、棱角等以消除電場局部增強的現象。若不可避免出現極不均勻電場，則盡可能采用對稱電場(棒-棒類型)。即使是極不均勻電場，不少情況下，為了避免在工作電壓下出現強烈電暈放電，也必須增大電極曲率半徑。

改變電極形狀以調整電場的方法有：

1)增大電極曲率半徑。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩，采用擴徑導線(截面積相同，半徑增大)等，用增大電極曲率半徑的方法來減小表面場強。

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。

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體，以此改善其電場分布。

2.空間電荷對原電場的畸變作用

極不均勻電場中間隙被擊穿前先發生電暈現象，所以在一定條件下，可以利用放電自身產生的空間電荷來改善電場分布，以提高擊穿電壓。例如，導線與平板間隙中，當導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。

當導線直徑很小時，導線周圍容易形成比較均勻的電暈層，電壓增加，電暈層也逐漸擴大，電暈放電所形成的空間電荷使電場分布改變。由于電暈層比較均勻，電場分布改善了，從而提高了擊穿電壓。當導線直徑較大時，情況就不同了。電極表面不可能絕對光滑，總存在電場局部強的地方，從而總存在電離局部強的現象。此外，由于導線直徑較大，導線表面附近的強場區也較大，電離一經發展，就比較強烈。局部電離的發展，將顯著加強電離區前方的電場，而削弱了周圍附近的電場(類似于出現了金屬端)，從而使該電離區進一步發展。這樣，電暈就容易轉入刷狀放電，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才存在上述“細線"效應。間隙距離超過一定值時，細線也將產生刷狀放電，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。

實驗表明，雷電沖擊電壓下沒有細線效應。這是由于電壓作用時間太短，來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，僅在持續作用電壓下才有效，而且此時在擊穿前將出現持續的電暈現象，這在很多場合下也是不允許的。

3.極不均勻場中屏障的采用

在極不均勻場的空氣間隙中，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，從而使整個間隙的擊穿電壓提高。

工頻電壓下，在尖-板電極中設置屏障可以顯著地提高擊穿電壓，因為工頻電壓下擊穿總是發生在尖電極為正極性的半周內。雷電沖擊電壓下，屏障也可提高尖·板同隙的擊穿電壓，但是幅度比穩態電壓下要小一些。

4.提高氣體壓力的作用

提高間隙擊穿電壓的另一個途徑是采取其他方法削弱氣體中的電離過程，比如，在設備內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度約30kV/cm，即使采取上述措施，盡可能改善電場分布，其平均擊穿場強最高也不會超過這個數值。而提高氣體壓力可以減小電子的平均自由行程，削弱電離過程，從而提高擊穿電壓。

在采取這種措施時，必須注意電場均勻程度和電極表面狀態。當間隙距離不變時，擊穿電壓隨壓力的提高而很快增加；但當壓力增加到一定程度后，擊穿電壓增加的幅度逐漸減小，說明此后繼續增加壓力的效果逐漸下降了。在高氣壓下，電場的均勻程度對擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著得多，電場均勻程度下降，擊穿電壓將急劇降低。因此，采用高氣壓的電氣設備應使電場盡可能均勻。而在實際工程中采用的高氣壓值也不會太大。因為氣壓太高時，擊穿電壓隨氣壓升高的規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，這個影響就越顯著。一個新的電極最初幾次的擊穿電壓往往較低，經過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，這個過程稱作對電極進行“老煉"處理。氣壓提高，“老煉"處理所需的擊穿次數也越多。電極表面不潔、有污物以及濕度等因素在高氣壓下對氣隙擊穿電壓的影響都要比常壓下顯著。如果電場不均勻，濕度使擊穿電壓下降的程度就更顯著。

因此，高氣壓下應盡可能改進電極形狀，以改善電場分布。在比較均勻的電場中，電極應仔細加工光潔。氣體要過濾，濾去塵埃和水分。充氣后需放置較長時間凈化后再使用。

5.高真空和高電氣強度氣體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，高真空的擊穿場強很高，其值超過壓縮氣體間隙；但間隙距離較大時，擊穿場強急劇減小，明顯低于壓縮氣體間隙的擊穿場強。真空擊穿理論對這一現象是這樣解釋的：高真空小間隙的擊穿是與陰極表面的強場發射密切有關。由于強場發射造成很大的電流密度，導致電極局部過熱使電極發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，擊穿是由所謂全電壓效應引起的。隨著間隙距離及擊穿電壓的增大，電子從陰極到陽極經過巨大的電位差，積聚了很大的動能，高能電子轟擊陽極時能使陽極釋放出正離子及輻射出光子；正離子及光子到達陰極后又將加強陰極的表面電離。在此反復過程中產生越來越大的電子流，使電極局部汽化，導致間隙擊穿，這就是全電壓效應引起平均擊穿場強隨間隙距離的增加而降低的原因。由此可見，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，因此擊穿分散性很大。在全相同的實驗條件下，擊穿電壓隨電極材料熔點的提高而增大。在電力設備中，目前，還很少采用高真空作為絕緣介質，因為電力設備的絕緣結構中總會使用固體絕緣材料，這些固體絕緣材料會逐漸釋放出吸附的氣體，使真空無法保持。目前，真空間隙只在真空斷路器中得到應用。真空不僅絕緣性能好，而且有很強的滅弧能力，所以真空斷路器已廣泛應用于配電網絡中。

(2)高電氣強度氣體SF₆的采用

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

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

表1-5               幾種氣體的相對電氣強度

SF₆氣體的主要優點有：除了具有較高的電氣強度外，還有很強的滅弧性能。它是一種無色、無味、無毒、非燃性的惰性化合物，對金屬和其他絕緣材料沒有腐蝕作用，被加熱到500℃仍不會分解。在中等壓力下，SF₆氣體可以被液化，便于儲藏和運輸。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電氣設備的缺點是造價太高，而且作為一種對臭氧層有破壞作用的溫室氣體，SF₆的進一步應用也遇到一些問題，不過目前還找不到一種在性能、價格方面都能與SF₆競爭的高電氣強度氣體。