第三節 電極表面狀態對SF₆氣體擊穿的影響

常規的高壓變電所的絕緣結構上所用的空氣間隙多為極不均勻電場，為了提高其擊穿電壓，一般可以通過適當增加間隙距離的方法來達到。而SF₆氣體的擊穿電壓則與電極間的最大電場強度密切有關。故在設計SF₆絕緣結構時，為提高間隙的絕緣強度，不能采取如同空氣絕緣那樣單純加大絕緣距離的方式，而是在加大尺寸的同時，應盡可能使電極間的電場均勻。因此在設計SF₆全封閉式變電所等設備的絕緣結構時，帶電體和殼體之間常采用同軸圓柱體這樣一種稍不均勻電場結構。

極性對SF₆氣體擊穿電壓的影響和空氣相似，也和電場均勻程度有關。在均勻電場中由于電極間電場強度處處相等，故無極性效應。在極不均勻電場中則由于棒電極電暈放電產生的空間電荷的影響，使正極性擊穿電壓比負極性的低。而稍不均勻電場則相反，負極性擊穿電壓比正極性的低。

由于充SF₆氣體的絕緣結構都是稍不均勻電場，因此它的負極性擊穿電壓比正極性的低，所以SF₆氣體絕緣的電氣設備的絕緣水平常決定于負極性。

為提高SF₆氣體的電氣強度，除改善電場分布外，提高SF₆的氣壓也是一個有效途徑，但要注意壓力不能過高以防止液化。提高氣體的氣壓可以減小電子的平均自由行程，使電子在二次碰撞之間所積累的動能減小，以致不足以引起碰撞游離，從而提高了氣體的擊穿電壓。SF₆和空氣一樣，當壓力增加到一定程度后，擊穿電壓增加的陡度逐漸減小而出現飽和現象。由此可見，只有保證電場相當均勻的條件下提高氣壓才最為有效。

在均勻或稍不均勻電場中，大氣壓下空氣的擊穿電壓和電極的表面狀態及材料關系不大。而在高氣壓下，實驗表明，擊穿電壓和電極（主要是陰極）的表面狀態有很大關系。電極表面比較粗糙，實驗時因充放氣帶進臟物，或靜止時間不夠氣體還有擾動等，擊穿電壓都將出現下降現象，分散性也增大。對于剛加工過的電極，在最初若干次擊穿中，擊穿電壓值都比較低，且分散性很大。經過多次擊穿后，擊穿電壓可顯著提高，分散性也可大為減小。這一過程稱為電極的擊穿處理或凈化效應。氣壓越高，擊穿處理所需要的次數也越多。高氣壓下，電極的材料也有影響，如不銹鋼電極的擊穿電壓較鋁制電極要高。

這些現象一般認為可能和陰極上發生強場放射這一因素有關。若在陰極附近加以很強的外電場，則它也能給陰極中的自由電子以一定的能量，使之逸出陰極表面，這種因電場的作用從金屬表面釋放出電子的現象稱為強場放射。高氣壓下，擊穿場強很高，所以從電極上電場局部增強的地方（例如電極的粗糙不平、毛刺或臟物）可以發生強烈的強場放射，進而發展碰撞游離，從而導致擊穿。多次擊穿可燒去電極上毛刺及塵埃雜物，所以可顯著提高擊穿電壓，并減小其數值的分散性。

SF₆氣體絕緣的擊穿強度也很高，因此同樣具有高氣壓下空氣絕緣的特性，現介紹如下。

一、表面粗糙度的影響

電極表面越粗糙，則擊穿電壓越低，一是由于粗糙電極表面的微小突出處發生強場放射所造成。二是由于電極表面突出處微現區域的場強大大高于間隙中宏觀的平均電場強度，使得該處的碰撞游離系數大大增加，從而自持放電條件容易達到，造成宏觀擊穿強度降低。

電極表面的粗糙程度常以表面最大的凹凸之差來表示稱為最大粗糙度R_max。粗糙度引起擊穿電壓的降低常以表面粗糙度系數ξ來表示，它是粗糙電極的擊穿電壓對同一結構下光滑電極的擊穿電壓之比。顯然，當SF₆氣壓越高時擊穿場強也越高，此時粗糙度的影響也越大，即表面粗糙度系數也越小。試驗結果表明，在內電極表面粗糙度小于50μm時擊穿電壓無甚降低，而增至150μm時，會使擊穿電壓下降最大達20%，分散性也更大。而當在內電極上附加高度為1800μm的尖端時則降低更多。并且電壓波形不同時表面粗糙度系數也不同。在表面粗糙度增加或氣壓增加的情況下正極性擊穿電壓的降低比負極性要多。SF₆全封閉電器在雷電操作沖擊、交流、直流電壓下進行試驗，壓力為3.5大氣壓，試驗結果表明當高壓電極表面粗糙度R_max為100μm時對各種波形的擊穿電壓無明顯影響。

綜上所述，電極表面粗糙度對擊穿電壓的影響和氣壓、電壓波形、極性等因素有關，具體數值由于試驗條件等的不同，各個研究者的結果也不盡相同。

二、面積效應

電極面積越大，電極表面上和間隙中引起擊穿電壓降低的一些偶然因素（例如比較粗糙的部位）出現的概率就越多，故表面積增大時擊穿電壓也會降低，這就是面積效應。這在設計SF₆氣體絕緣的電力設備特別是表面積較大的輸電管道時應予注意。雷電沖擊電壓下面積效應要比工頻下低。電極表面越光滑，氣壓越高，則面積效應越大，這是由于此時表面上偶然因素的影響更顯著的關系，因此面積越大，表面粗糙度對擊穿電壓的影響越小。同時隨著面積增加，擊穿場強E_B減小并逐漸穩定于某一數值E_min。而E_min隨氣壓增加而增加，但存在飽和趨勢，如圖1-10所示。

三、電極材料

根據P＝1～4大氣壓范圍，內導體直徑為38mm、外殼直徑為2000mm的同軸圓柱體電極，內電極用銅、鋁、不銹鋼等不同材料（外殼均為不銹鋼）進行工頻、雷電和操作沖擊試驗，試驗結果表明電極材料對SF₆擊穿電壓無明顯影響。

四、導電粒子的影響

在SF₆氣體中導電粒子的存在會顯著地降低擊穿電壓，同時也是充SF₆氣體絕緣的電氣設備的一個故障因素。當導電粒子固定在電極上時，它相當于電極上有突出物即增加了表面的粗糙度，因而引起擊穿電壓的降低。當電極間存在自由的導電粒子時，由于受電極間電場力的作用而發生移動，在同軸圓柱電極系統中，則粒子將從低場強區即外殼附近往內電極附近的高場強區移動。當導電粒子較多時，還可能在電極間進行排列，其結果均將使擊穿電壓下降。

顯然在沖擊電壓下由于作用時間短，粒子還停留在低場強區來不及移動，故對擊穿電壓影響很小。當氣壓大于2個大氣壓時，交直流擊穿電壓近似地和粒子長度成反比，而擊穿電壓和粒子的材料無顯著的關系，例如鋁線作為導電粒子時擊穿電壓僅低于銅線的百分之幾。粒子的形狀也有影響，具有伸長的尖端的粒子其對擊穿電壓的影響遠大于球狀粒子。有了導電粒子后擊穿電壓和氣壓已無明顯關系，即氣壓越高，擊穿電壓的降低越嚴重。此外，直流擊穿電壓的分散性遠比交流的大。試驗時還觀察到不論是直流或交流擊穿時，導電粒子都是在內電極附近或附著在內電極上。

可見導電粒子對擊穿電壓影響與其尺寸、形狀、氣壓和所加電壓波形有關。在設計和裝配SF₆氣體絕緣的電氣設備時必須考慮到導電粒子的影響，裝配和維修時要注意清潔。但在設備的加工、裝配和開關電器的運行過程中總會存在一些金屬微粒，特別是SF₆輸電管道，長度較長，較難避免，為此有時在實際結構中采取措施捕捉和收集導電粒子，使之不能影響SF₆的耐電強度。

五、凈化效應

對于剛經過加工裝配后的充SF₆氣體的電氣設備或試驗裝置，電極表面上可能帶有一些加工中的毛刺或臟物，從而增加了表面粗糙度，而在電極間也可能帶進一些加工金屬屑或粉末等導電粒子，它們都將使擊穿電壓降低，但在多次擊穿后可逐漸將這些雜質燒掉從而使擊穿電壓提高，這就是凈化效應。

一般講凈化效應與電極的面積、表面粗糙度、氣壓有關。氣壓越高、面積越大則電極表面粗糙度和導電粒子的影響越大，那么凈化效應也越顯著，凈化效應所需的擊穿數目越多。粗糙度大的電極凈化所需的擊穿數目顯然也要比相同面積的光滑電極大許多倍。

凈化效應在工程上有其實用意義，當對充SF₆的電氣設備或研究裝置正式進行試驗以前可先逐級加一交流或直流電壓，使之發生多次放電以消除電極表面的一些擊穿弱點和間隙中的導電粒子，這樣可提高試驗的可靠性。

綜上所述，SF₆氣體絕緣與通常的空氣絕緣相比較，從放電機理來講有它相似之處，但由于SF₆氣體本身所具有的特點又有不少不同之處，實際上它更接近于高氣壓下空氣絕緣的特性。現將選用SF₆絕緣和空氣絕緣的設備的絕緣特性的比較歸納于表1-6。

六、SF₆氣體中沿固體介質表面的放電

充SF₆氣體的電氣設備中還需一些固體絕緣作為支持絕緣或引線絕緣，因此存在一個沿固體和SF₆氣體交界面上放電的問題叫做沿面放電。充SF₆氣體的絕緣結構為稍不均勻電場，故一旦形成自持放電，電極間沿介質表面立即發生貫穿性的放電，稱之為沿面閃絡，相應的外加電壓稱之為閃絡電壓。沿面閃絡電壓一般低于同一電場結構下純SF₆氣體間隙的擊穿電壓，這是由于介質表面或多或少吸附一些導電雜質而使電場發生畸變所造成。和空氣絕緣類似，影響閃絡電壓的主要因素有電場分布、絕緣表面狀況。

（一）電場分布

和純SF₆氣體絕緣一樣，要求電極間電場分布盡量均勻，否則即使增加沿面距離，閃絡電壓也很少提高。此外還要注意消除固體絕緣和電極端部接觸部分可能存在的氣隙，該處常因材料的溫度膨脹系數不同或工藝配合不當而存在小氣隙。由于氣隙中介電系數遠比固體介質小，故場強較大，會大大降低該處的電暈起始電壓，從而也就降低閃絡電壓。因此在實際絕緣結構中，不僅要使接觸部分電極形狀圓滑、電場均勻，而且為了消除氣隙，常在固體介質內部裝上一個均壓環。

對于作引線絕緣用的套管更要注意其根部的電場，此外電場不僅很不均勻，而且有強的垂直于介質表面的徑向分量，是一種具有強垂直分量的不均勻電場沿面放電。當所加電壓達到自持放電條件后，首先在法蘭邊緣處發生電暈放電，形成一紫色光圈。隨著電壓的上升，電暈向前延伸，形成了由許多伸向另一電極的平行細火花線條組成的光帶。繼續升高電壓，細線增長逐步變為不均勻的更為明亮的樹枝狀放電，稱為滑閃放電。這是由于放電產生的帶電質點不僅沿水平方向即介質表面運動，而且受電場垂直分量的作用在運行中不斷和介質表面撞擊，引起局部溫度升高而使氣體發生熱游離，從而加劇了局部地方的游離，使該處放電發展加快。因此這是一種不均勻的放電，時隱時現地向前伸展，滑閃放電一旦出現，很快就會引起閃絡，故這種電場結構的閃絡電壓最低。為改善電場和消除滑閃放電，常在套管內部裝上屏蔽電極。

（二）絕緣表面狀況

絕緣介質表面污染和受潮，均會明顯降低閃絡電壓。表面污染的來源可能是設備組裝時遺留的雜質和開關操作時所產生的金屬微粒，它們會使閃絡電壓降低和分散性增加。是絕緣強度隨操作次數增加（表面污染也增加）而顯著降低情況，而當采取清潔措施后，雖經一萬次操作和反復進行絕緣試驗，發現絕緣強度基本不降低。此外在運行中可能產生電弧放電和電暈放電，均會使SF₆分解而產生低氟化物SF₄、SOF₂、SO₂F₂等，它們對絕緣材料中的填充劑特別是SiO會起化學反應變成氣體狀SiF₄使絕緣材料受侵蝕而劣化，絕緣電阻降低。當含有水分時和SF₄作用產生HF，其對SiO₂的腐蝕作用更為嚴重，且還會產生水而形成惡性循環。電弧放電時由于高溫作用會使電極材料揮發而生成金屬氟化物CuF₂等的粉末，它們在干燥狀態下是絕緣體，但當和水分作用后附在固體介質表面而降低絕緣強度。電暈放電能量遠比電弧放電小。因此只是在電暈發生在絕緣材料表面才會引起SF₆分解并和材料直接進行反應，若不是這樣，那么可認為它對絕緣材料幾乎沒有什么影響。

SF₆本身有一定的含水量，設備密封處空氣中的水分也可能侵入設備。水分除了上述的會和SF₆的分解物作用而使絕緣劣化之外，當含水量增加或設備驟冷驟熱（特別是在高氣壓下）時，水分會凝結在絕緣表面而大大降低閃絡電壓。

為了防止表面污染和受潮，應選用抗腐蝕性能良好的絕緣材料，特別是要避免選用含SiO₂的材料，例如開關的滅弧噴口宜選用抗電弧抗酸性能好的聚四氟乙烯。工藝上應注意清潔，加強密封，嚴格控制SF₆氣體初期（充SF₆氣體時）的含水量，此外還應在充SF₆氣體的電氣設備內放置吸附劑，以吸附所產生的氟化物和水分。