第二節(jié) SF₆氣體的絕緣特性

一、氣體的放電擊穿特點

SF₆氣體中的擊穿過程可用氣體放電理論加以分析，所不同者SF₆是鹵族元素氟的化合物。鹵族元素具有較強的電負性，易于吸附電子形成負離子同時釋放出能量，放出的能量叫電子親合能，親合能越大則電負性越強。氟原子的親合能為4.1eV，是鹵族元素中電負性最強的，又從SF₆的分子結(jié)構(gòu)可知，它的周圍全是氟原子，因此SF₆氣體具有很強的電負性，容易和電子結(jié)合形成負離子。由于離子的平均自由行程遠比電子為短，它在兩次碰撞之間的自由行程中獲得的動能小，另一方面它和分子發(fā)生彈性碰撞時又容易將積累起的動能損失掉。因此和電子相比，離子要積累起足夠產(chǎn)生碰撞游離能量的可能性是很小的。因此離子的游離能力遠不如電子，電子為分子吸附而形成負離子后，游離能力大減。因此，在氣體放電中，負離子的形成起著阻礙放電的形成和發(fā)展作用。

其次，SF₆分子直徑比空氣中氧、氮分子的要大，使得電子在SF₆氣體中的平均自由行程縮短，而不易在電場中積累能量，從而減小了它碰撞游離的能力。

再者SF₆的分子量是空氣的五倍，因此SF₆離子在電場中的運動速度比空氣中氧、氮離子的更小，更容易發(fā)生復(fù)合使氣體中帶電質(zhì)點減少。

因此SF₆是一種高電氣強度的氣體介質(zhì)，在均勻電場下SF₆的電氣強度約為同一氣壓下空氣的2.5～3倍，3個大氣壓下SF₆的電氣強度約和變壓器油相當，如圖1-4所示。故在SF₆中電子在電場作用下不僅會由于碰撞游離產(chǎn)生新的電子和離子，而且還會由于SF₆有強烈的電負性，能吸附電子而使這些帶電質(zhì)點消失。

二、SF₆氣體絕緣的沖擊特性

電氣設(shè)備在運行中除了受到正常的工頻工作電壓作用外，還會受到雷電造成的過電壓的作用，這是一種幅值高、持續(xù)時間短的沖擊電壓。國家規(guī)定的雷電沖擊電壓的標準波形如圖1-5所示，T_f＝1.2±30%；T_t＝50±20%。此外還要指出其極性（不接地電極相對于地而言的極性）。標準雷電沖擊波形通常可以用符號±1.2/50μs表示。在這樣一個沖擊電壓作用下氣體間隙的擊穿就具有一些新的特性。為了模仿變電所避雷器動作時，作用到電氣設(shè)備的是截斷的沖擊電壓，故還規(guī)定了圖1-6的截波，圖中截斷時間T_C＝2～5μs。

（一）放電時延

氣體間隙發(fā)生擊穿不僅需要有足夠的電壓，而且需

要一定的時間，這就是放電時延t_r。放電時延對于直流和工頻這樣的持續(xù)作用電壓是無甚影響的，但對雷電沖擊電壓就有影響了，也即擊穿電壓值和電壓作用時間有關(guān)。放電時延（見圖1-7）由統(tǒng)計時延t_s和放電形成時延t_f所組成，即：

t_s是指當間隙上電壓升到持續(xù)作用電壓下?lián)舸╇妷篣（稱為靜態(tài)擊穿電壓）時刻起，到間隙中出現(xiàn)一個能引起游離過程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮蛹此^有效電子為止，即間隙中出現(xiàn)一個有效電子所需要的時間稱為統(tǒng)計時延t_s。從出現(xiàn)有效電子，引起強烈的游離過程，到間隙完全擊穿所需的時間稱為放電形成時延t_f。

短間隙中特別是電場比較均勻時，相比之下放電形成時延甚小，這時統(tǒng)計時延實際就等于全部放電時延。統(tǒng)計時延隨間隙外加電壓增加而減小，這是因為間隙中出現(xiàn)的自由電子轉(zhuǎn)變?yōu)橛行щ娮拥母怕试黾又省Ｓ米贤饩€等高能射線照射間隙，也能減小統(tǒng)計時延。在極不均勻電場中，由于電場局部增加，出現(xiàn)有效電子的概率增加，所以統(tǒng)計時延較小，且和照射的關(guān)系也較小。

較長的間隙中，放電時延主要決定于放電形成時延。在比較均勻的電場中，由于間隙中電場到處都很強，放電發(fā)展速度快，所以放電形成時延較短。在極不均勻電場中放電是由強電場區(qū)向弱電場區(qū)伸展，故放電時延長。顯然，間隙上外施電壓增加，放電形成時延也會減小。

顯然統(tǒng)計時延和放電形成時延的值都具有統(tǒng)計性。

如前所述，充SF₆氣體絕緣結(jié)構(gòu)都是稍不均勻電場，一般認為放電時延中主要是統(tǒng)計時延，加以SF₆中由于對電子有強烈的吸附作用而減小了有效電子出現(xiàn)的概率，從而增加了統(tǒng)計時延和放電的分散性。故在進行SF₆沖擊放電試驗時，用能產(chǎn)生紫外線的石英水銀燈照射對減小放電的分散性有較大效果。

某些研究者則認為：SF₆中統(tǒng)計時延長的原因不在于氣體的電負性，而在于SF₆的密封容器遮蔽了外來的照射所造成，且隨電極面積的增大或氣壓的升高而減小。對實際工程上所用的大面積的電極結(jié)構(gòu)，則由于表面存在缺陷的概率增多（即所謂“面積效應(yīng)”），而沖擊擊穿電壓對缺陷的敏感性不如工頻電壓而使其放電形成時間加長，且這一現(xiàn)象隨氣壓升高而更加顯著。

目前對放電時延的分析雖無完全一致的看法，有關(guān)的工作也尚需深入進行，但由此得到的結(jié)論是一致的，即SF₆氣體絕緣總的放電時延一般地至少比同一電場結(jié)構(gòu)的空氣要大。

（二）伏秒特性

工程上用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性。求取伏秒特性的方法是保持標準波形不變，逐漸升高電壓U_max。電壓較低時擊穿發(fā)生在波尾，電壓較高時放電時間減至很小，擊穿可發(fā)生在波頭，放電時間作為橫坐標，擊穿時電壓作為縱坐標。這樣，如每級電壓只有一個放電時間，是可繪得伏秒特性如圖1-8所示。

由于放電時延有很大的統(tǒng)計性，因此每級電壓下可得一系列放電時間，所以伏秒特性不是一條光滑的曲線而是具有上、下包線的一條帶子。伏秒特性的曲線形狀與電極間電場分布有關(guān)，均勻電場、稍不均勻電場下的平均擊穿場強較高，放電時延相對較短，故伏秒特性比較平坦，如圖1-9中S₁，也即其擊穿電壓與放電時間的關(guān)系不那么明顯，而極不均勻電場下平均擊穿場強低，放電時延較長，當放電時間還相當大時，伏秒特性已隨它的減少而明顯地向上翹。如圖1-9中S₂，即其擊穿電壓與放電時間的關(guān)系十分顯著。

關(guān)于充SF₆氣體設(shè)備的伏秒特性，不同研究者的結(jié)論也是不一致的，從上述電場分布來分析，充SF₆氣體的絕緣結(jié)構(gòu)都是稍不均勻電場，則其伏秒特性應(yīng)比較平坦。而常規(guī)的空氣絕緣結(jié)構(gòu)則是極不均勻電場，它的伏秒特性比較彎曲。故有人在SF₆斷路器的絕緣試驗中，得出的雷電沖擊截波擊穿電壓與全波擊穿電壓的比值較常規(guī)空氣絕緣比值為低，更有的研究者指出，在SF₆中的截波沖擊絕緣水平和基準雷電沖擊絕緣水平之比基本上是1，而對常規(guī)的空氣絕緣來說，這個比值為1.15～1.3。

若從放電時延來分析，由于SF₆的放電時延比同一電場結(jié)構(gòu)的空氣要大，故其伏秒特性應(yīng)該比較彎曲。近年來某些研究者在一些充SF₆的全封閉式變電所的實際部件上進行試驗的結(jié)果表明，其伏秒特性在3.5大氣壓下是彎曲的。有的研究者對均勻電場下SF₅的伏秒特性進行研究，發(fā)現(xiàn)在一個氣壓下伏秒特性是很平的，而在4個左右的工作氣壓下則是彎曲的。

故SF₆的伏秒特性和電場結(jié)構(gòu)、氣壓、電極面積以及有無照射等都有關(guān)系，需區(qū)別具體情況來加以分析，這和分析放電時延是一致的。不過若和常規(guī)變電所的用液體、固體材料為絕緣的電力設(shè)備例如變壓器相比，則后者的放電時延更長，伏秒特性更為彎曲。

（三）沖擊系數(shù)

用伏秒特性來說明某間隙的沖擊擊穿特性雖較完整，但不方便。一般工程上用50%沖擊擊穿電壓即U₅₀來說明耐受沖擊電壓的能力，即在此幅值的標準沖擊波作用下該間隙發(fā)生擊穿的可能性為50%，即可能擊穿也可能不擊穿，易知U₅₀相當于該間隙的伏秒特性曲線上已經(jīng)平坦的那部分所對應(yīng)的電壓。

50%雷電沖擊擊穿電壓和持續(xù)作用電壓下?lián)舸╇妷褐确Q為沖擊系數(shù)。空氣絕緣在均勻、稍不均勻電場下，由于放電時延短，U₅₀下?lián)舸┩ǔ０l(fā)生波頭幅值附近，故沖擊系數(shù)等于1。而極不均勻電場下放電時延長，分散性也大，U₅₀下?lián)舸┩ǔ０l(fā)生波尾，沖擊系數(shù)大于1，約為1.02～1.1之間。SF₆的放電時延比同一結(jié)構(gòu)的空氣大，故其沖擊系數(shù)一般比空氣大。在均勻電場中SF₆的沖擊系數(shù)為1，而在稍均勻電場中則大于1，具體數(shù)值視電極具體結(jié)構(gòu)和氣壓高低而不同，大體在1.1～1.3之間，SF₆全封閉電器的試驗，得到的沖擊系數(shù)則為1.43，但比之油、紙絕緣的電力設(shè)備的沖擊系數(shù)（例如電力變壓器為1.7）要低。

（四）操作沖擊特性

電氣設(shè)備在運行中還會因操作或發(fā)生事故而受到操作過電壓的作用，為了模擬操作過電壓，國標規(guī)定了操作沖擊的標準波形，波頭和波長的定義和雷電沖擊相同，規(guī)定波頭長為T_f＝250±20%ms，波長T_t＝2500±60%ms，幅值的允許偏差和雷電沖擊相同為±3%。

在操作沖擊電壓的作用下氣體絕緣的擊穿電壓也具有分散性，也采用50%擊穿電壓U₅₀來說明間隙耐受操作沖擊電壓的能力。考慮絕緣配合時，也應(yīng)采用伏秒特性。操作沖擊電壓的作用時間介于工頻和雷電沖擊之間，所以均勻電場及稍不均勻電場中，空氣間隙的操作沖擊的U₅₀和雷電沖擊U₅₀以及工頻擊穿電壓（幅值）實際上相同，擊穿電壓分散性也較小，擊穿同樣發(fā)生在幅值。至于在極不均勻電場中，隨著操作沖擊波波頭的增加，U₅₀出現(xiàn)極小值，對應(yīng)于極小值的波頭長度隨間隙距離增大而增加，對7m以下的間隙，大致在50～200ms之間，U₅₀的極小值可能比同一間隙的工頻擊穿電壓還要低得多。這種現(xiàn)象認為是由于放電時延和空間電荷這兩種不同因素的影響所造成的。如前所述由于放電發(fā)展需要一定時延，故擊穿電壓隨波頭縮短（相當于放電時間縮短）而上升。隨著波頭的增長，放電時延這個因素的作用逐漸減少了，但擊穿前棒有附近電暈放電產(chǎn)生的空間電荷的影響突出起來T。當電壓作用時間較長（相當于波頭時間較長），空間電荷向棒電極附近遷移的范圍大，故電暈的自屏蔽效應(yīng)較顯著，相應(yīng)地提高了擊穿電壓。而電壓作用時間較短時，自屏蔽效應(yīng)差，故導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档汀Ｓ捎谏鲜鰞煞N因素的作用，使U₅₀隨波頭的增加出現(xiàn)極小值。當間隙距離增加，與極小值相應(yīng)的放電時間顯然也應(yīng)增大。

SF₆的放電時延長，但電暈的自屏蔽效應(yīng)弱，加以SF₆中采用稍不均勻電場結(jié)構(gòu)，因此它的操作沖擊的U₆₀比較接近于工頻擊穿電壓，或者略高于工頻擊穿電壓，其比值根據(jù)最近一些研究成果表明約為1.1倍。故一般認為充SF₆的絕緣結(jié)構(gòu)的沖擊擊穿電壓隨沖擊波波頭時間的增加而減小。

歸納以上的分析，若和常規(guī)變電所的空氣絕緣相比，充SF₆的電氣設(shè)備（全封閉組合電器或變電所）的沖擊擊穿特性是放電時延，沖擊系數(shù)大，擊穿電壓隨沖擊波波頭時間的增加而減小，負極性擊穿電壓比正極性低。

若和常規(guī)變電所的電氣設(shè)備如變壓器的內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)相比，則其伏秒特性比它平穩(wěn)，沖擊系數(shù)又低于它們較多，因而一般認為充SF₆的電氣設(shè)備的絕緣水平主要決定于雷電沖擊水平，且是負極性下的雷電沖擊。要降低絕緣水平，首先要降低雷電過電壓和操作時產(chǎn)生的高頻過電壓水平。