任務六　絕緣介質及放電機理

在電力系統中，氣體（主要是空氣）是一種使用得相當廣泛的絕緣材料，如架空線、母線、變壓器的外絕緣，隔離開關的斷口處。此外在絕緣材料內部或多或少含有一些氣泡，故氣體放電研究是高電壓技術的一項基本任務。除了空氣絕緣外，另一種氣體SF6特性在前面已經介紹過了。

一、氣體放電的機理

通常情況下，氣體中有少量帶電離子，是良好的絕緣介質，但當電場較弱時，氣體電導極小，可視為絕緣體。在強電場作用下，沿電場方向移動時，在間隙中會有電導電流。當氣體間隙上電壓提高至一定值后，可在間隙中突然形成一個傳導性很高的通道，此時稱氣體間隙擊穿，也就是氣體放電，氣體由絕緣狀態變為導通狀態，失去絕緣的性能。使氣體擊穿的最低電壓稱為擊穿電壓。均勻電場中，擊穿電壓與間隙距離之比叫擊穿場強，它反映氣體耐受電場作用的能力，即氣體之電氣強度。不均勻電場小，擊穿電壓與間隙距離之比稱為平均擊穿場強。圖1-27為擊穿電壓與擊穿場強關系。

氣體放電分非自持放電與自持放電，當電壓達到一定程度時，氣體需要依靠外界游離因素支持的放電稱非自持放電，當外界條件不作用時，放電終止。如果當外界游離因素不存在時，間隙中放電依靠電場作用繼續進行下去，這種放電形式為自持放電，自持放電只依靠電場的作用自行維持的放電。外界游離因素是由于帶電質點產生，有碰撞游離、光游離、熱游離、金屬表面游離，而質點的消失有定向運動、擴散、復合。

氣體發生擊穿時，伴有光、聲、熱等現象，與電源性質、電極形狀、氣體壓力等有關。氣體放電現象存在以下幾種主要形式。

1.輝光放電

外加電壓增加到一定值時，通過氣體的電流明顯增加，氣體間隙整個空間突然出現發光現象，這種放電形式稱為輝光放電。輝光放電的電流密度較小，放電區域通常占據整個電極同的空間。輝光放電是低氣壓下的放電形式，驗電筆中的氖管、廣告用霓虹燈管發光就是輝光放電的例子。

2.電暈放電

對于尖電極的極不均勻電場氣隙，隨外加電壓的升高，在電極尖端附近會出現暗藍色的暈光，并伴有咝咝聲，稱為電暈放電。發生電暈放電時，氣體間隙的大部分尚未喪失絕緣性能，放電電流很小。電氣設備帶電的尖角和輸電線路，在運行中時有發生這種電暈放電，會聽到哩哩的聲音，嗅到臭氧的氣味。電暈放電是一種自持放電形式。電暈放電會增加損耗、對線路有干擾和腐蝕，為了限制電暈，可采用分裂導線法或者在電極使用均壓罩和均壓環。

3.火花或電弧放電

在氣體間隙的兩極，電壓升高到一定值時，氣體中突然產生明亮的樹枝狀放電火花，當電源功率不大時，這種樹枝狀火花會瞬時熄滅，接著又突然產生，這種現象稱為火花放電；當電源功率足夠大時，氣體發生火花放電以后，樹枝狀放電火花立即發展至對面電極，出現非常明亮的連續弧光，形成電弧放電。

二、提高氣體絕緣措施

在高壓電氣設備制造時，就會遇到氣體絕緣間隙問題。從絕緣角度上說，間隙當然是越大越好，但是從材料和空間來說，希望減小設備尺寸，間隙的距離盡可能縮短。為此需要采取措施，以提高氣體間隙的擊穿電壓。圖1-28是長空氣間隙不同電場下的交流擊穿電壓。

提高氣體擊穿電壓可能有兩個途徑：一是改善電場分布，使其盡量均勻；二是利用其他方法來削弱氣體中的游離過程。

（一）改善電場分布

1.改進電極形狀及表面狀態

均勻電場的平均擊穿場強比極不均勻電場間隙的要高得多。電場分布越均勻，平均擊穿場強也越高。因此，改進電極形狀、增大電極曲率半徑，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。

2.在極不均勻電場中采用屏障

屏障靠近尖電極或板電極時，屏障效應消失，正、負極性下出現很大差別。當正尖-負板時，屏障效果顯著，靠尖電極一端效果更好。當負尖-正板：屏障靠尖電極一側可提高擊穿電壓，若靠板一側，反而降低擊穿電壓。圖1-29為正尖-負板間隙中屏障的作用。

屏障當靠近尖電極，使比較均勻的電場區擴大。但離尖電極過近時，屏障上空間電荷的分布將變得不均勻而使屏障效應減弱，因此當屏障與棒極之間的距離約等于間隙的距離的15％～20％時，間隙的擊穿電壓提高得最多，可達到無屏障時的2～3倍，這是屏障的最佳位置。

值得說明的是，對于直流電壓和工頻電壓，屏障的作用和工頻電壓下屏障的作用類似，正尖-負板時屏障效果顯著，如圖1-30所示，對于沖擊電壓下，正尖電極屏障作用顯著，負尖電極屏障作用不明顯。

（二）削弱游離

1.采用高氣壓

由巴申定律可知：當提高氣體壓力時，可以提高間隙的擊穿電壓，如圖1-31所示。

2.采用高真空

比較典型的應用就是采用真空斷路器，真空斷路器因其滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是高真空而得名。其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優點，在配電網中應用較為普及。真空斷路器主要是3～10kV，50Hz三相交流系統中的戶內配電裝置，廣泛用于工礦企業、發電廠、變電站中作為電器設備的保護和控制之用，特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的使用場所，斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護高壓電氣設備用。

3.采用高強度氣體

現在最常用的就是SF6氣體，其絕緣強度比空氣高得多，因此用于電氣設備時其氣壓不必太高，設備的制造得以簡化。SF6用于斷路器時，氣壓在0.7MPa左右，液化溫度不能滿足高寒地區要求，在工程應用中有時采用SF6混合氣體，最常用是SF6-N2混合氣體，通常其混合比在50％∶50％左右，其液化溫度能滿足高寒地區要求，絕緣強度約為純SF6的85％左右。

氟里昂（CCl2F2）的絕緣強度與SF6相近，但由于其破壞大氣中的臭氧層，國際上已禁用。

4.改善運行條件

在高壓設備運行中，注意防潮、塵污，加強散熱冷卻，例如變壓器排風散熱，如圖1-32所示。

三、氣體放電試驗

利用高壓試驗變壓器產生高壓，加在尖電極或者電板上，調節間隙距離，研究交流電壓作用下空氣間隙的放電特性，觀察沿面放電現象、電暈放電現象，同時增加屏障時對擊穿電壓的影響。

（1）按照圖1-33進行接線。

（2）在試驗前，先用合格的帶軟銅接地線的放電棒對球隙進行放電，檢查各試驗設備的連線是否完好，調整好放電球隙的距離，并記錄間隙距離。

（3）所有設備及接線檢查無誤后，將接地棒移開，全部人員需要撤至實驗室圍欄之外。

（4）在試驗臺中均勻升高間隙之間的電壓，當看到保護球隙有放電火花時，記錄下電壓表的數值，此數據為間隙的起始放電電壓。此時繼續升壓，當看到間隙有持續的放電電弧出現時，說明間隙已被擊穿，迅速記下電壓表和電流表的數值，即為擊穿電壓和擊穿電流。

（5）迅速將調壓器手柄旋至零，關掉高壓，拉下刀閘。

（6）用接地棒對球隙進行放電，然后調整球隙間距，再重復（1）～（5）步驟。

四、安全須知

當需要接觸實驗設備或更換試品時，要先切斷電源，用接地棒放電，并將接地棒地線掛在實驗設備的高壓端后，才能觸及設備。

五、特別提示

（1）必須遵照高電壓實驗安全工作準則；

（2）實驗前要仔細檢查接地線有無松脫、斷線。

復習與思考

1.氣體放電有哪些形式？各有什么特征？

2.氣體中帶電質點是怎么產生和消失？

3.什么是非自持放電和自持放電？有什么區別？

4.什么是極性效應？在尖—板氣隙中，為什么尖為正極時的擊穿電壓比尖為負極時更低？

5.提高氣體間隙擊穿電壓的措施有哪些？這些措施為什么能提高間隙的擊穿電壓？