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提高絕緣強度的方法
閱讀：1804發(fā)布時間：2024-3-27
在高壓電氣設(shè)備中經(jīng)常遇到氣體絕緣間隙，總希望能采用盡量小的間隙距離，以減小設(shè)備的尺寸。為此需要采取措施，以提高氣體間隙的絕緣強度。從本章第六節(jié)分析影響氣體間隙絕緣強度的各種因素可得，提高氣體間隙絕緣強度的方法不外乎兩個途徑：一個是改善電場分布，使之盡量均勻；另一個是利用其他方法來削弱氣體間隙中的游離過程。以下對這兩類措施作一簡單的介紹。
一、改善電場分布的措施
由前述可知，均勻電場和稍不均勻電場中氣體間隙的平均擊穿場強比極不均勻電場中氣體間隙的要高得多。電場分布越均勻，則間隙的平均擊穿場強也越高，因此改善電場分布可以有效地提高間隙的電壓擊穿。改善間隙的電場分布可以采用如下幾種辦法。
(1)改變電極形狀。用改變電極形狀、增大電極曲率半徑的方法來改善間隙中的電場分布，以提高其穿電壓，同時電極表面及其邊緣，盡量避免毛刺及棱角等，以清除局部電場增強，近年來隨電場數(shù)值計算的應(yīng)用，在設(shè)計電極時常使其具有最佳外形，以提高間隙的電壓擊穿。
有些絕緣結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)均勻電場，但為了避免在工作電壓下出現(xiàn)強烈的光暈放電，也必須增大電極的曲率半經(jīng)，以降低局部場強，高壓試驗變壓器套管端部加屏蔽罩就是一例。
(2)利用空間電荷對電場的畸變作用，由前述可知，極不均勻電場中，在遠低于間隙的電壓擊穿時就已發(fā)生電暈放電。在一定的條件下，可利用電暈電極所產(chǎn)生的空間電荷來改善極不均勻電場中的電場分布，從而提高間隙的電壓擊穿。但應(yīng)指出，上述細線效應(yīng)只存在于一定的間隙距離范圍內(nèi)，當(dāng)間隙距離超過一定數(shù)值，電暈放電將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，使電壓擊穿與棒一板或棒—棒間隙相近。此種提高電壓擊穿的方法僅在持續(xù)電壓作用下方有效，在電壓作用下并不適用。
(3)極不均勻電場中屏障的采用。在極不均勻電場的棒一板間隙中，放入薄層固體絕緣材料(如紙或紙板等)，在一定條件下，可顯著提高間隙的電壓擊穿。所采用的薄層固體材料稱為極間障，也叫屏障。因屏障極薄，屏障本身的耐電強度無多大意義，而主要是屏障阻止了空間電荷的運動，造成空間電荷改變電場分布，從而使電壓擊穿提高。
屏障的作用與電壓類型及極性有關(guān)，通常屏障置于正棒一負板之間，如圖1-23(a)所示。在間隙中加入屏障后，屏障機械地阻止了正離子的運動，使正離子聚集在屏障向著棒的一面，且由于同性電荷相互排斥，使其均勻地分布在屏障上。這些正空間電荷削弱了棒極與屏障之間的電場，從而提高了其間的絕緣強度。屏障與負板極之間的電場接近于均勻，均勻電場的擊穿場強最大，因而也提高了其間隙的電壓擊穿，這樣就使整個氣體間隙的電壓擊穿提高了。
帶有屏障的正棒一負板間隙的電壓擊穿與屏障的位置有關(guān)，在直流電壓下，兩者的關(guān)系曲線如圖1-23(c)中的虛線所示。屏障離棒極距離越近，均勻電場所占部分越大，電壓擊穿就越高；當(dāng)屏障離棒極太近時，由于空間電荷不能均勻地分布在屏障上，屏障提高電壓擊穿的作用也就不顯著；當(dāng)屏障與棒極之間的距離約等于原距離的15～20%時，間隙的電壓擊穿提高得最多，可達無屏障時的2～3倍。
當(dāng)棒極為負極性時，如圖1-23(b)所示，電子形成負離子積聚在屏障上，同樣在屏障與板極間會形成較均勻的電場，原則上與棒為正極時屏率的作用相同，但當(dāng)屏障離棒極距離較遠時，負極性棒極與屏障間的正空間電荷加強了棒極前面的電場，使棒對屏障之間首先發(fā)生擊穿，從而導(dǎo)致整個間隙的擊穿，使整個間隙的電壓擊穿反而下降，
在工頻電壓作用下，由于棒為正極時間隙的電壓擊穿比棒為負極時的電壓擊穿低得多，故棒—板間隙的擊穿總是發(fā)生在棒為正極時的半波。顯然，在間隙中加入屏障的作用也與直流中電壓作用下，棒為正極時加入屏障的作用相同。
在電壓作用下，正極性棒對屏障的作用約與持續(xù)電壓作用下一樣；負極性棒對屏障基本上不起作用，這說明屏障對負極性棒時流注的發(fā)展過程沒有多大影響。
屏障應(yīng)有一定的機械強度才能起到機械地阻止帶電離子運動的作用。但不能太厚，太厚時，固體介質(zhì)的介電常數(shù)ε較大，將引起空氣中的電場強度增加。
二、削弱游離過程的措施
由前述可知，提高氣壓可以減小電子的平約自由行程，從而削弱氣體中的游離過程。此外，強電負性氣體的電子附著過程也會大大削弱碰撞游離過程。采用高真空使電子的平均自由行程遠大于間隙距離，因而使極間碰撞游離幾乎不可能發(fā)生，也是提高氣體間隙電壓擊穿的一種途徑。以上幾種措施都已在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。
1.高氣壓的采用
從巴申定律知道，提高氣體壓力可以提高間隙的電壓擊穿，這是因為氣體壓力提高后，氣體的密度加大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了碰撞游離過程的緣故。某些電氣設(shè)備(如高壓空氣斷路器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等)采用壓縮空氣作為內(nèi)絕緣，可提高間隙的電壓擊穿，同時可以減少設(shè)備的尺寸。
在均勻電場中，壓縮空氣氣壓在10×101.3kPa以下時，間隙電壓擊穿隨氣壓的增加而成線性增加，但繼續(xù)增加氣壓到一定時，逐漸呈現(xiàn)飽和。不均勻電場中提高氣壓后，也可提高間隙的電壓擊穿，但程度不如均勻電場顯著。
2.強電負性氣然的應(yīng)用
六氟化硫(SF6)和氟利昂（CCI2F2）氣體屬強電負性氣體，它們是具有高分子量的含有鹵族元素的化合物。在正常壓力下，其絕緣性能約為空氣的2.5倍，提高壓力，可得到相當(dāng)于(甚至高于)一般液體或固體絕緣的絕緣強度，采用這些氣體代替空氣可大大提高間隙的電壓擊穿。間隙中充以空氣與這類氣體的混合氣體時，也可提高間隙的電壓擊穿，故將此類氣體稱為高絕緣強度氣體。
這些氣體具有高絕緣強度的原因是它們具有很強的電負性，容易吸附電子成為負離子，從而削弱了游離過程，同時加強了復(fù)合過程。另外，它們的分子量和分子直徑比較大，使得電子在其中的平均自由行程縮短。
SF6氣體除了優(yōu)良的電氣性能外，還是一種無色、無味、無臭、無毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，對金屬及絕緣材料無腐蝕作用，液化溫度較低。SF6具有優(yōu)良的滅弧性能，它的滅弧能力是空氣的100倍，故極適用于高壓斷路器中。近年來SF6已不僅用于單臺電氣設(shè)備，而且還廣泛應(yīng)用于各種組合電氣設(shè)備中，這些組合設(shè)備具有很多優(yōu)點，可大大節(jié)約占地面積，簡化運行維護等。
SF6氣體本身是無毒的，但其中某些雜質(zhì)在水分和電弧作用下可以分解出有毒的或有腐蝕性的物質(zhì)，通?？捎眠m當(dāng)?shù)奈絼﹣硐驕p小這個不良后果；另外，當(dāng)SF6與固體絕緣材料組成組合絕緣時，因其介電系數(shù)較小(近似于1)，絕緣之間的電壓分布比較差，故SF6氣體雖然具有很高的絕緣強度，但卻呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的絕緣特性，尤其是對不均勻電場的絕緣，使用時必須予以特別注意。
3.高真空的采用
當(dāng)在氣體間隙中壓力很低(接近真空)時電壓擊穿迅速提高，因為此時電子的平均自由行程已增大到在極間空間很難產(chǎn)生碰撞游離的程度，但真空間隙在一定電壓下仍然會發(fā)生放電現(xiàn)象，這是由不同于電子碰撞游離的其他過程決定的。實驗證明，放電時真空中仍有一定的粒子流存在，這被認為是：
(1)強電場下由陰極發(fā)射的電子白由飛過間隙，積累起足夠的能量撞擊陽極，使陽極物質(zhì)質(zhì)點受熱蒸發(fā)或直接引起正離子發(fā)射；
(2)正離子運動至陰極，使陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此循環(huán)進行，放電便得到維持；
(3)電極或器壁吸附的氣體在真空時釋放出來，也會造成微弱的空間游離。
真空絕緣被用于各種高壓電真空器件，如真空電容器、真空避雷器和真空斷路器等。
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