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(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的作用。

1.電極形狀的改進(jìn)

均勻電場和稍不均勻電場間隙的平均擊穿場強(qiáng)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(qiáng)也越高。因此，可以通過改進(jìn)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(shí)，電極表面應(yīng)盡量避免毛刺、棱角等以消除電場局部增強(qiáng)的現(xiàn)象。若不可避免出現(xiàn)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(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減小表面場強(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)使電極有優(yōu)良外形。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(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)生的空間電荷來改善電場分布，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)線周圍容易形成比較均勻的電暈層，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(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光滑，總存在電場局部強(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，而削弱了周圍附近的電場(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，雷電沖擊電壓下沒有細(xì)線效應(yīng)。這是由于電壓作用時(shí)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(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(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，盡可能改善電場分布，其平均擊穿場強(qiáng)最高也不會超過這個(gè)數(shù)值。而提高氣體壓力可以減小電子的平均自由行程，削弱電離過程，從而提高擊穿電壓。

在采取這種措施時(shí)，必須注意電場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(shè)備應(yīng)使電場盡可能均勻。而在實(shí)際工程中采用的高氣壓值也不會太大。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)過程稱作對電極進(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(yīng)盡可能改進(jìn)電極形狀，以改善電場分布。在比較均勻的電場中，電極應(yīng)仔細(xì)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(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)，高真空的擊穿場強(qiáng)很高，其值超過壓縮氣體間隙；但間隙距離較大時(shí)，擊穿場強(qiáng)急劇減小，明顯低于壓縮氣體間隙的擊穿場強(qiáng)。真空擊穿理論對這一現(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)場發(fā)射密切有關(guān)。由于強(qiáng)場發(fā)射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過熱使電極發(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，電子從陰極到陽極經(jīng)過巨大的電位差，積聚了很大的動能，高能電子轟擊陽極時(shí)能使陽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)過程中產(chǎn)生越來越大的電子流，使電極局部汽化，導(dǎo)致間隙擊穿，這就是全電壓效應(yīng)引起平均擊穿場強(qiáng)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(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(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電氣強(qiáng)度。所謂某種氣體的相對電氣強(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(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)用也遇到一些問題，不過目前還找不到一種在性能、價(jià)格方面都能與SF₆競爭的高電氣強(qiáng)度氣體。