西安交通大學高電壓技術教研室丁衛東GIS裝置及其絕緣技術《GIS裝置及其絕緣技術》2007年10月1日第二章SF6氣體的電氣性能內容電負性氣體中的氣體放電電場不均勻系數均勻電場中的擊穿稍不均勻電場中的擊穿極不均勻電場中的放電沖擊擊穿特性電負性氣體中的氣體放電氣體放電過程：起始于氣體中帶電粒子的生成，隨著帶電粒子的大量生成，氣體由絕緣體向導體轉化，形成放電等離子體，并伴隨著一系列復雜的物理或化學過程。SF6是強電負性氣體對均勻間隙，當p=0.1MPa時，SF6氣體的擊穿電場約為89kV/cm；而空氣的擊穿電場約為30kV/cm。所以通常說SF6氣體的絕緣強度大約是空氣的3倍。電負性氣體中的氣體放電絕緣體電子、正離子、負離子光子等離子體（導體）電負性氣體中的氣體放電氣體中電子和正離子產生的途徑：碰撞電離光電離熱電離③熱電離：氣體分子之間的碰撞引起的電離高溫氣體的熱輻射引起的光電離高能電子引起的碰撞電離①碰撞電離②光電離電負性氣體中的氣體放電氣體中負離子形成的途徑：附著---在某些氣體中，原子或者分子容易附著(Attachment)電子而形成負離子。負離子的形成，有利于減少氣體中的電子密度，從而抑制放電的發展，提高氣體的擊穿強度。解離附著的形式：①附著②解離附著③三體碰撞電負性氣體中的氣體放電SF6氣體分子含有F原子，其分子俘獲電子的能力很強，屬強電負性氣體，因而具有很高的耐電強度SF6氣體耐電強度很高，但是對電場集中敏感。附著斷面積(電子能量大時附著斷面積急劇減小)電負性氣體中的氣體放電在放電過程中，通常電極也起著重要作用熱發射如果將金屬加熱，能量超過金屬表面勢壘的電子將迅速增加。光電發射如果用光源照射金屬電極，當光子能量足夠大時，電子由被照射的電極表面釋放出來，稱為光電子。場致發射由于外電場的存在，改變了金屬的表面勢壘，使得表面勢壘變”低”,變”薄”。這時有部分電子穿過勢壘而脫離金屬表面。二次電子發射當正離子碰撞陰極被中和時，可能會由陰極發出電子到氣體中，這種電子通常稱為電子或二次電子。電負性氣體中的氣體放電氣體放電理論湯遜放電理論流注放電理論電子崩初始電子E電離系數(產生)：一個電子沿電場方向行經單位長度，平均發生的碰撞電離次數。附著系數(消失)：一個電子沿電場方向行經單位長度，平均發生的附著次數。有效電離系數：電子增殖規律：電負性氣體中的氣體放電有效電離系數的測量表明，在(E/p)0附近：正離子增殖規律(假設一個電子從x=0出發)：電子電負性氣體中的氣體放電湯遜放電理論(適用于pd值較小的情況)電子崩＋二次電子發射電負性氣體中的氣體放電湯遜放電判據對均勻電場：要使放電達到自持因此電負性氣體中的氣體放電流注放電理論(適用于pd值較小的情況)電子崩＋光電離電負性氣體中的氣體放電流注放電判據對均勻電場：要使放電達到自持電負性氣體中的氣體放電對不均勻電場：陰影部分的積分面積大于K/c氣體優異值反映了氣體在不均勻場中的優越程度電場不均勻系數電場不均勻系數fEmax是電場中的最大場強Ea是電場中的平均場強通常f≈1 均勻場f<2 稍不均勻場f>4 極不均勻場GIS中的典型電場：同軸圓柱電極同心球電極電場不均勻系數幾種典型電場的不均勻系數：同軸圓柱電極同心球電極：球－板電極：半球頭－板電極(d/r<3)：均勻電場中的擊穿巴申定律：在氣壓不太高的情況下，大部分氣體在均勻電場中的擊穿電壓符合巴申曲線，即擊穿電壓只是pd乘積而與p和d的數值無關。實驗表明，SF6氣體在p0.2MPa時遵循巴申曲線。p0.2MPa時，遵循巴申曲線，氣壓增大時，漸漸出現擊穿電壓偏離巴申曲線的現象。均勻電場中的擊穿擊穿電壓的近似表達式：(直流或交流的峰值)沖擊系數：50%沖擊擊穿電壓約為穩態擊穿電壓的1.2倍沖擊系數=50%沖擊擊穿電壓持續作用電壓下的擊穿電壓稍不均勻電場中的擊穿不均勻電場中的自持放電電壓U0與間隙距離d的關系：Emax：滿足流注放電判據時，曲率半徑較小的電極的表面場強f: 電場不均勻系數曲率系數：自持放電電壓U0同心球電極GIS典型電極的曲率系數：同軸圓柱電極稍不均勻電場中的擊穿極性效應負極性擊穿電壓比正極性時低pd值越大越明顯正空間電荷的影響導致極性效應稍不均勻電場中的擊穿氣壓的影響表面看起來，擊穿電壓是與氣壓p成正比的，但實際上曲率系數h是與氣壓有關系的，所以擊穿電壓并不是與氣壓成正比。在稍不均勻場中，擊穿電壓與氣壓的關系偏離線性關系的情況比均勻電場中更為明顯。自持放電電壓：對同軸圓柱電極而言：稍不均勻場中SF6氣體的擊穿電壓：E0的理論值為8.85kV/mm，但一般情況下，由于工程電極表面總有微觀缺陷，E0值要比理論值低很多。n的取值也隨著電極表面狀況的改變而改變。稍不均勻電場中的擊穿沖擊系數對于GIS中使用最普遍的同軸圓柱電極，雷電波時沖擊系數約在1.25左右，操作波時沖擊系數約為1.05-1.1。沖擊系數=50%沖擊擊穿電壓持續作用電壓下的擊穿電壓國標GB7674-87《六氟化硫封閉式組合電器》規定的雷電沖擊耐受電壓與1min工頻耐受電壓的最大值之比在1.6-1.7倍，因此GIS的絕緣尺寸是由雷電基本沖擊水平值決定的。極不均勻電場中的放電駝峰曲線③在低氣壓的時候，負極性擊穿電壓高于正極性擊穿電壓；在高氣壓的時候，負極性擊穿電壓低于正極性擊穿電壓。②在氣壓比較低的時候，擊穿之前先出現電暈；在氣壓比較高的時候，間隙不出現電暈而直接擊穿。①擊穿電壓隨氣壓升高先上升至一極大值，然后下降到一極小值，再繼續上升。臨界氣壓pc極不均勻電場中的放電駝峰曲線出現的原因：在曲率半徑較小的電極附近出現電暈后，電暈對電極具有一定的屏蔽作用，其作用相當于電極曲率半徑變大，電極表面變得光滑，故擊穿電壓變高(電暈穩定化作用)。②在駝峰區，沖擊系數小于1①負斜率部分擊穿分散性很大雖然電暈的出現有可能幫助SF6間隙提高擊穿電壓，但在實際工程應用中，必須避免GIS設備中出現電暈。沖擊擊穿特性影響統計時延的因素：電極間所加的過電壓的大小人工照射電極表面缺陷影響放電形成時延的因素：電極間隙間的距離電極間所加的過電壓的大小沖擊擊穿時延t0:升壓時間ts:統計時延tf:放電形成時延沖擊擊穿特性伏秒特性間隙上出現的電壓最大值和放電時間的關系，稱為伏秒特性。負極性的伏秒特性包帶較窄當時間