第4节提高气体介质电气强度的方法

第四节提高气体介质电气强度的方法改进电极形状以改善电场分布利用空间电荷改善电场分布采用屏障采用高气压采用高电气强度气体采用高真空提高气隙的击穿电压途径：改善气隙中的电场分布，使之均匀；设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。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的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压。如：增大电极的曲率半径消除电极表面的毛刺消除电极表面尖角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“棒一板”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。图2-13表明采用不同直径屏蔽球时的效果，例如在极间距离为100cm时，采用一直径为75cm的球形屏蔽极就可使气隙的击穿电压约提高1倍。max.gcUU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，即：max.gUcU最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极，它的半径R按下式选择：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。cgEURmax.式中：电晕放电起始场强。cE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。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。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。如图(2-14)，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，但其电场形状变得更象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。以图2—15所示的“棒一板”气隙为例，最有利的屏障位置在x=(1/5～1/6)d处，这时该气隙的电气强度在正极性直流时约可增加为2～3倍。但当棒为负极性时，即使屏障放在最有利的位置，也只能略微提高气隙的击穿电压(例如20％)，而在大多数位置上，反而使击穿电压有不同程度的降低。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，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。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SF6气体）来代替空气，那就能获得更好的效果。图2—16为不同气压的空气和SF6气体、电瓷、变压器油、高真空等的电气强度比较。从图上可以看出：2．8MPa的压缩空气具有很高的击穿电压。1-空气，气压为2.8MPa5-电瓷2-SF6，0.7Mpa6-SF6,0.1Mpa3-高真空7-空气,0.1Mpa4-变压器油但采用高气压会对电气设备外壳的密封性和机械强度提出很高的要求，往往难以实现。如果用SF6来代替空气，为了达到同样的电气强度，只要采用0．7MPa左右的气压就够了。1-空气，气压为2.8MPa5-电瓷2-SF6，0.7Mpa6-SF6,0.1Mpa3-高真空7-空气,0.1Mpa4-变压器油五、采用高电气强度气体有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高，因而可称之为高电气强度气体。采用这些气体来替换空气，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。但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满足以下条件：液化温度要低，这样才能同时采用高气压；良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、不燃烧或爆炸、不产生有毒物质；生产不太困难，价格不过于昂贵。SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭弧能力，其他有关的技术性能也相当好，因此SF6及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用。六、采用高真空采用高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。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。球形屏蔽极可以显著改善电场分布，提高气隙的击穿电压；在气隙中放置形状和位置合适、能阻挡带电粒子运动和调整空间电荷分布的屏蔽，可明显提高气隙击穿电压；高气压和高强度气体相结合是一种有效的气体绝缘形式；高真空气体主要用于配电网真空断路器中。（本节完）小结