提高气体介质电气强度的方法

    为了缩小电力设施的尺寸，总希望将气隙长度或绝缘距离尽可能取得小一些，为此就得采取措施来提高气体介质的电气强度。从实用角度出发，要提高气隙的击穿电压不外乎采用两条途径;一是改善气隙中的电场分布，使之尽量均匀；二是设法削弱或抑制气体介质中的电离过程。具体的方法有:

    一、改进电极形状以改善电场分布

    电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。因此，可以通过改进电极形状(增大电极的曲率半径、消除电极表面的毛剩、尖角等)的方法来减小气隙中的最大电场强度、改善电场分布、提高气隙的击穿电压。

    利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用的方法。以电气强度最差的“棒-板”气隙为例，如果在棒极的端部加装一只直径适当的金属球,就能有效地提高气隙的击穿电压。

    许多高压电气装置的高压出线端(例如电力设备高压套管导杆上端)具有尖锐的形状,往往需要加装屏蔽罩来降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕起始电压。屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始电压大于装置的最大对地工作电压。最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极。

    在超高压输电线路上应用屏蔽原理来改善电场分布以提高电晕起始电压的实例有：超高压线路绝缘子串上安装的保护金具(均压环)、超高压线路上采用的扩径导线等。

    二、利用空间电荷改善电场分布

    由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放电,所以在一定条件下，还可以利用放电本身所产生的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气隙的击穿电压。以“导线-平板”、“导线-导线”气隙为例,当导线直径减小到一定程度以后，气隙的工频击穿电压反而会随着导线直径的减小而提高，出现所谓“细线效应”。其原因在于细线的电晕放电所形成的均匀空间电荷层，能改善气隙中的电场分布，导致击穿电压的提高;而在导线直径较大时，由于导线表面不可能绝对光滑，所以在整个表面发生均匀的总体电晕之前就会在个别局部先出现电晕和刷形放电，因此其击穿电压就与“棒-板”或“棒-棒”气隙相近了。

    三、采用屏障

    由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切有关，所以在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障,也是提高气体介质电气强度的一种有效方法。

    屏障用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能无关紧要，重要的是它的密封性(拦住带电粒子的能力)。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力线垂直。

    屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电场分布均匀化。虽然这时屏障与另一电极之间的空间电场强度反而增大了，但其电场彤状变得更像两块平板电极之间的均匀电场，所以整个气隙的电气强度得到了提高。

    有屏障气隙的击穿电压与该屏障的安装位置有很大的关系。如果是“棒棒”气隙，两个电极都将发生电晕放电，所以应在两个电极附近都安装屏障,方能收效。

    在冲击电压下，屏障的作用要小一些，因为这时积聚在屏障上的空间电荷较少。

    显然，屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以发挥作用了。

    四、采用高气压

    在常压下空气的电气强度是比较低的，约为30kV/cm。即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均击穿场强也不可能超越这一极限，可见常压下空气的电气强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。但是，如果把空气加以压缩，使气压大大超过0.1MPa(1atm)，那么它的电气强度也能得到显著的提高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强度气体(例如六氟化硫)来替代空气，那就能获得更好的效果。

    五、采用高电气强度气体

    在众多的气体中，有一些含卤族元素的强电负性气体[例如六氟化硫、氟里昂的电气强度特别高(比空气高得多)，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来替换空气，当然可以大大提高气隙的击穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能显著提高其电气强度。

    应该指出，这一类气体要在工程上获得实际应用，单靠其电气强度高是不够的，它们还必须满足某些其他方面的要求，诸如：①液化温度要低(这样才能同时采用高气压)；②良好的化学稳定性，在该气体中出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；③生产不太困难，价格不过于昂贵。

    能同时满足上述各种要求的气体是很少的，目前工程上唯一获得广泛应用的高电气强度气体只有SF6及其混合气体，SF6气体除了具有很高的电气强度以外，还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术性能也相当好。利用SF6气体作为绝缘媒质和灭弧媒质制成的各种电力设备和封闭式组合电器具有一系列突出的优点，例如大大节省占地面积和空间体积、运行安全可靠、简化安装维护等，因而发展前景十分广阔。

    六、采用高真空

    采用高度真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程而显著提高气隙的击穿电压。如果完全以气体放电理论来解释高真空中的击穿过程，所得出的击穿电压将极高(这时电子穿越极间距离时很难碰撞到中性分子，难以引起足够多的碰撞电离)，但是实际情况并非如此，在极间距离较小时，高真空的电气强度的确很高，甚至可以超过压缩的SF6气体，但在极间距离增大时，电压提高较慢，其电气强度明显低于压缩气体的击穿场强，这表明此时高真空的击穿机理已发生了变化，出现了新的物理过程，因而不能再简单地用前面的气体放电理论来说明了。

    真空击穿研究表明：在极间距离较小时，高真空的击穿与阴极表面的强场发射有关，它所引起的电流会导致电极局部发热而释放出金属气体，使真空度下降而引起击穿；在极间距离较大时，击穿将由所谓“全电压效应”而引起，这时随着极间距离和击穿电压的增大，电子从阴极飞越真空抵达阳极时能积累到很大的动能，这些高能电子轰击阳极表面时会释放出正离子和光子，它们又将加强阴极上的表面电离。这样反复作用会产生出越来越多的电子流，使电极局部气化而导致间隙的击穿，这就是所谓“全电压效应”。

    正由于此，随着极间距离的增大，平均击穿场强将变得越来越小。真空间隙的击穿电压与电极材料、表面光洁度和洁净度(包括所吸附气体的数量和种类)等多种因素有关，因而分散性很大。

    在电力设备中实际采用高真空作为绝缘媒质的情况还不多，主要因为在各种设备的绝缘结构中大都还要采用各种固体或液体介质，它们在真空中都会逐渐释出气体，使高真空难以长期保持。目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用，真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭弧能力，所以用于配电网中的真空断路器还是很合适的。

(慧朴科技，huiputech)