第二節(jié) SF₆氣體的絕緣特性

一、氣體的放電擊穿特點(diǎn)

SF₆氣體中的擊穿過(guò)程可用氣體放電理論加以分析，所不同者SF₆是鹵族元素氟的化合物。鹵族元素具有較強(qiáng)的電負(fù)性，易于吸附電子形成負(fù)離子同時(shí)釋放出能量，放出的能量叫電子親合能，親合能越大則電負(fù)性越強(qiáng)。氟原子的親合能為4.1eV，是鹵族元素中電負(fù)性最強(qiáng)的，又從SF₆的分子結(jié)構(gòu)可知，它的周圍全是氟原子，因此SF₆氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)性，容易和電子結(jié)合形成負(fù)離子。由于離子的平均自由行程遠(yuǎn)比電子為短，它在兩次碰撞之間的自由行程中獲得的動(dòng)能小，另一方面它和分子發(fā)生彈性碰撞時(shí)又容易將積累起的動(dòng)能損失掉。因此和電子相比，離子要積累起足夠產(chǎn)生碰撞游離能量的可能性是很小的。因此離子的游離能力遠(yuǎn)不如電子，電子為分子吸附而形成負(fù)離子后，游離能力大減。因此，在氣體放電中，負(fù)離子的形成起著阻礙放電的形成和發(fā)展作用。

其次，SF₆分子直徑比空氣中氧、氮分子的要大，使得電子在SF₆氣體中的平均自由行程縮短，而不易在電場(chǎng)中積累能量，從而減小了它碰撞游離的能力。

再者SF₆的分子量是空氣的五倍，因此SF₆離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度比空氣中氧、氮離子的更小，更容易發(fā)生復(fù)合使氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)減少。

因此SF₆是一種高電氣強(qiáng)度的氣體介質(zhì)，在均勻電場(chǎng)下SF₆的電氣強(qiáng)度約為同一氣壓下空氣的2.5～3倍，3個(gè)大氣壓下SF₆的電氣強(qiáng)度約和變壓器油相當(dāng)，如圖1-4所示。故在SF₆中電子在電場(chǎng)作用下不僅會(huì)由于碰撞游離產(chǎn)生新的電子和離子，而且還會(huì)由于SF₆有強(qiáng)烈的電負(fù)性，能吸附電子而使這些帶電質(zhì)點(diǎn)消失。

二、SF₆氣體絕緣的沖擊特性

電氣設(shè)備在運(yùn)行中除了受到正常的工頻工作電壓作用外，還會(huì)受到雷電造成的過(guò)電壓的作用，這是一種幅值高、持續(xù)時(shí)間短的沖擊電壓。國(guó)家規(guī)定的雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形如圖1-5所示，T_f＝1.2±30%；T_t＝50±20%。此外還要指出其極性（不接地電極相對(duì)于地而言的極性）。標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形通?？梢杂梅?hào)±1.2/50μs表示。在這樣一個(gè)沖擊電壓作用下氣體間隙的擊穿就具有一些新的特性。為了模仿變電所避雷器動(dòng)作時(shí)，作用到電氣設(shè)備的是截?cái)嗟臎_擊電壓，故還規(guī)定了圖1-6的截波，圖中截?cái)鄷r(shí)間T_C＝2～5μs。

（一）放電時(shí)延

氣體間隙發(fā)生擊穿不僅需要有足夠的電壓，而且需

要一定的時(shí)間，這就是放電時(shí)延t_r。放電時(shí)延對(duì)于直流和工頻這樣的持續(xù)作用電壓是無(wú)甚影響的，但對(duì)雷電沖擊電壓就有影響了，也即擊穿電壓值和電壓作用時(shí)間有關(guān)。放電時(shí)延（見圖1-7）由統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s和放電形成時(shí)延t_f所組成，即：

t_s是指當(dāng)間隙上電壓升到持續(xù)作用電壓下?lián)舸╇妷篣（稱為靜態(tài)擊穿電壓）時(shí)刻起，到間隙中出現(xiàn)一個(gè)能引起游離過(guò)程并最終導(dǎo)致?lián)舸┑碾娮蛹此^有效電子為止，即間隙中出現(xiàn)一個(gè)有效電子所需要的時(shí)間稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s。從出現(xiàn)有效電子，引起強(qiáng)烈的游離過(guò)程，到間隙完全擊穿所需的時(shí)間稱為放電形成時(shí)延t_f。

短間隙中特別是電場(chǎng)比較均勻時(shí)，相比之下放電形成時(shí)延甚小，這時(shí)統(tǒng)計(jì)時(shí)延實(shí)際就等于全部放電時(shí)延。統(tǒng)計(jì)時(shí)延隨間隙外加電壓增加而減小，這是因?yàn)殚g隙中出現(xiàn)的自由電子轉(zhuǎn)變?yōu)橛行щ娮拥母怕试黾又省Ｓ米贤饩€等高能射線照射間隙，也能減小統(tǒng)計(jì)時(shí)延。在極不均勻電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)局部增加，出現(xiàn)有效電子的概率增加，所以統(tǒng)計(jì)時(shí)延較小，且和照射的關(guān)系也較小。

較長(zhǎng)的間隙中，放電時(shí)延主要決定于放電形成時(shí)延。在比較均勻的電場(chǎng)中，由于間隙中電場(chǎng)到處都很強(qiáng)，放電發(fā)展速度快，所以放電形成時(shí)延較短。在極不均勻電場(chǎng)中放電是由強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)向弱電場(chǎng)區(qū)伸展，故放電時(shí)延長(zhǎng)。顯然，間隙上外施電壓增加，放電形成時(shí)延也會(huì)減小。

顯然統(tǒng)計(jì)時(shí)延和放電形成時(shí)延的值都具有統(tǒng)計(jì)性。

如前所述，充SF₆氣體絕緣結(jié)構(gòu)都是稍不均勻電場(chǎng)，一般認(rèn)為放電時(shí)延中主要是統(tǒng)計(jì)時(shí)延，加以SF₆中由于對(duì)電子有強(qiáng)烈的吸附作用而減小了有效電子出現(xiàn)的概率，從而增加了統(tǒng)計(jì)時(shí)延和放電的分散性。故在進(jìn)行SF₆沖擊放電試驗(yàn)時(shí)，用能產(chǎn)生紫外線的石英水銀燈照射對(duì)減小放電的分散性有較大效果。

某些研究者則認(rèn)為：SF₆中統(tǒng)計(jì)時(shí)延長(zhǎng)的原因不在于氣體的電負(fù)性，而在于SF₆的密封容器遮蔽了外來(lái)的照射所造成，且隨電極面積的增大或氣壓的升高而減小。對(duì)實(shí)際工程上所用的大面積的電極結(jié)構(gòu)，則由于表面存在缺陷的概率增多（即所謂“面積效應(yīng)”），而沖擊擊穿電壓對(duì)缺陷的敏感性不如工頻電壓而使其放電形成時(shí)間加長(zhǎng)，且這一現(xiàn)象隨氣壓升高而更加顯著。

目前對(duì)放電時(shí)延的分析雖無(wú)完全一致的看法，有關(guān)的工作也尚需深入進(jìn)行，但由此得到的結(jié)論是一致的，即SF₆氣體絕緣總的放電時(shí)延一般地至少比同一電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的空氣要大。

（二）伏秒特性

工程上用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系來(lái)表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性。求取伏秒特性的方法是保持標(biāo)準(zhǔn)波形不變，逐漸升高電壓U_max。電壓較低時(shí)擊穿發(fā)生在波尾，電壓較高時(shí)放電時(shí)間減至很小，擊穿可發(fā)生在波頭，放電時(shí)間作為橫坐標(biāo)，擊穿時(shí)電壓作為縱坐標(biāo)。這樣，如每級(jí)電壓只有一個(gè)放電時(shí)間，是可繪得伏秒特性如圖1-8所示。

由于放電時(shí)延有很大的統(tǒng)計(jì)性，因此每級(jí)電壓下可得一系列放電時(shí)間，所以伏秒特性不是一條光滑的曲線而是具有上、下包線的一條帶子。伏秒特性的曲線形狀與電極間電場(chǎng)分布有關(guān)，均勻電場(chǎng)、稍不均勻電場(chǎng)下的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)較高，放電時(shí)延相對(duì)較短，故伏秒特性比較平坦，如圖1-9中S₁，也即其擊穿電壓與放電時(shí)間的關(guān)系不那么明顯，而極不均勻電場(chǎng)下平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)低，放電時(shí)延較長(zhǎng)，當(dāng)放電時(shí)間還相當(dāng)大時(shí)，伏秒特性已隨它的減少而明顯地向上翹。如圖1-9中S₂，即其擊穿電壓與放電時(shí)間的關(guān)系十分顯著。

關(guān)于充SF₆氣體設(shè)備的伏秒特性，不同研究者的結(jié)論也是不一致的，從上述電場(chǎng)分布來(lái)分析，充SF₆氣體的絕緣結(jié)構(gòu)都是稍不均勻電場(chǎng)，則其伏秒特性應(yīng)比較平坦。而常規(guī)的空氣絕緣結(jié)構(gòu)則是極不均勻電場(chǎng)，它的伏秒特性比較彎曲。故有人在SF₆斷路器的絕緣試驗(yàn)中，得出的雷電沖擊截波擊穿電壓與全波擊穿電壓的比值較常規(guī)空氣絕緣比值為低，更有的研究者指出，在SF₆中的截波沖擊絕緣水平和基準(zhǔn)雷電沖擊絕緣水平之比基本上是1，而對(duì)常規(guī)的空氣絕緣來(lái)說(shuō)，這個(gè)比值為1.15～1.3。

若從放電時(shí)延來(lái)分析，由于SF₆的放電時(shí)延比同一電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的空氣要大，故其伏秒特性應(yīng)該比較彎曲。近年來(lái)某些研究者在一些充SF₆的全封閉式變電所的實(shí)際部件上進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果表明，其伏秒特性在3.5大氣壓下是彎曲的。有的研究者對(duì)均勻電場(chǎng)下SF₅的伏秒特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)氣壓下伏秒特性是很平的，而在4個(gè)左右的工作氣壓下則是彎曲的。

故SF₆的伏秒特性和電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣壓、電極面積以及有無(wú)照射等都有關(guān)系，需區(qū)別具體情況來(lái)加以分析，這和分析放電時(shí)延是一致的。不過(guò)若和常規(guī)變電所的用液體、固體材料為絕緣的電力設(shè)備例如變壓器相比，則后者的放電時(shí)延更長(zhǎng)，伏秒特性更為彎曲。

（三）沖擊系數(shù)

用伏秒特性來(lái)說(shuō)明某間隙的沖擊擊穿特性雖較完整，但不方便。一般工程上用50%沖擊擊穿電壓即U₅₀來(lái)說(shuō)明耐受沖擊電壓的能力，即在此幅值的標(biāo)準(zhǔn)沖擊波作用下該間隙發(fā)生擊穿的可能性為50%，即可能擊穿也可能不擊穿，易知U₅₀相當(dāng)于該間隙的伏秒特性曲線上已經(jīng)平坦的那部分所對(duì)應(yīng)的電壓。

50%雷電沖擊擊穿電壓和持續(xù)作用電壓下?lián)舸╇妷褐确Q為沖擊系數(shù)?？諝饨^緣在均勻、稍不均勻電場(chǎng)下，由于放電時(shí)延短，U₅₀下?lián)舸┩ǔ０l(fā)生波頭幅值附近，故沖擊系數(shù)等于1。而極不均勻電場(chǎng)下放電時(shí)延長(zhǎng)，分散性也大，U₅₀下?lián)舸┩ǔ０l(fā)生波尾，沖擊系數(shù)大于1，約為1.02～1.1之間。SF₆的放電時(shí)延比同一結(jié)構(gòu)的空氣大，故其沖擊系數(shù)一般比空氣大。在均勻電場(chǎng)中SF₆的沖擊系數(shù)為1，而在稍均勻電場(chǎng)中則大于1，具體數(shù)值視電極具體結(jié)構(gòu)和氣壓高低而不同，大體在1.1～1.3之間，SF₆全封閉電器的試驗(yàn)，得到的沖擊系數(shù)則為1.43，但比之油、紙絕緣的電力設(shè)備的沖擊系數(shù)（例如電力變壓器為1.7）要低。

（四）操作沖擊特性

電氣設(shè)備在運(yùn)行中還會(huì)因操作或發(fā)生事故而受到操作過(guò)電壓的作用，為了模擬操作過(guò)電壓，國(guó)標(biāo)規(guī)定了操作沖擊的標(biāo)準(zhǔn)波形，波頭和波長(zhǎng)的定義和雷電沖擊相同，規(guī)定波頭長(zhǎng)為T_f＝250±20%ms，波長(zhǎng)T_t＝2500±60%ms，幅值的允許偏差和雷電沖擊相同為±3%。

在操作沖擊電壓的作用下氣體絕緣的擊穿電壓也具有分散性，也采用50%擊穿電壓U₅₀來(lái)說(shuō)明間隙耐受操作沖擊電壓的能力。考慮絕緣配合時(shí)，也應(yīng)采用伏秒特性。操作沖擊電壓的作用時(shí)間介于工頻和雷電沖擊之間，所以均勻電場(chǎng)及稍不均勻電場(chǎng)中，空氣間隙的操作沖擊的U₅₀和雷電沖擊U₅₀以及工頻擊穿電壓（幅值）實(shí)際上相同，擊穿電壓分散性也較小，擊穿同樣發(fā)生在幅值。至于在極不均勻電場(chǎng)中，隨著操作沖擊波波頭的增加，U₅₀出現(xiàn)極小值，對(duì)應(yīng)于極小值的波頭長(zhǎng)度隨間隙距離增大而增加，對(duì)7m以下的間隙，大致在50～200ms之間，U₅₀的極小值可能比同一間隙的工頻擊穿電壓還要低得多。這種現(xiàn)象認(rèn)為是由于放電時(shí)延和空間電荷這兩種不同因素的影響所造成的。如前所述由于放電發(fā)展需要一定時(shí)延，故擊穿電壓隨波頭縮短（相當(dāng)于放電時(shí)間縮短）而上升。隨著波頭的增長(zhǎng)，放電時(shí)延這個(gè)因素的作用逐漸減少了，但擊穿前棒有附近電暈放電產(chǎn)生的空間電荷的影響突出起來(lái)T。當(dāng)電壓作用時(shí)間較長(zhǎng)（相當(dāng)于波頭時(shí)間較長(zhǎng)），空間電荷向棒電極附近遷移的范圍大，故電暈的自屏蔽效應(yīng)較顯著，相應(yīng)地提高了擊穿電壓。而電壓作用時(shí)間較短時(shí)，自屏蔽效應(yīng)差，故導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?。由于上述兩種因素的作用，使U₅₀隨波頭的增加出現(xiàn)極小值。當(dāng)間隙距離增加，與極小值相應(yīng)的放電時(shí)間顯然也應(yīng)增大。

SF₆的放電時(shí)延長(zhǎng)，但電暈的自屏蔽效應(yīng)弱，加以SF₆中采用稍不均勻電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，因此它的操作沖擊的U₆₀比較接近于工頻擊穿電壓，或者略高于工頻擊穿電壓，其比值根據(jù)最近一些研究成果表明約為1.1倍。故一般認(rèn)為充SF₆的絕緣結(jié)構(gòu)的沖擊擊穿電壓隨沖擊波波頭時(shí)間的增加而減小。

歸納以上的分析，若和常規(guī)變電所的空氣絕緣相比，充SF₆的電氣設(shè)備（全封閉組合電器或變電所）的沖擊擊穿特性是放電時(shí)延，沖擊系數(shù)大，擊穿電壓隨沖擊波波頭時(shí)間的增加而減小，負(fù)極性擊穿電壓比正極性低。

若和常規(guī)變電所的電氣設(shè)備如變壓器的內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)相比，則其伏秒特性比它平穩(wěn)，沖擊系數(shù)又低于它們較多，因而一般認(rèn)為充SF₆的電氣設(shè)備的絕緣水平主要決定于雷電沖擊水平，且是負(fù)極性下的雷電沖擊。要降低絕緣水平，首先要降低雷電過(guò)電壓和操作時(shí)產(chǎn)生的高頻過(guò)電壓水平。