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提高絕緣強(qiáng)度的方法
閱讀：887發(fā)布時(shí)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(qiáng)度。從本章第六節(jié)分析影響氣體間隙絕緣強(qiáng)度的各種因素可得，提高氣體間隙絕緣強(qiáng)度的方法不外乎兩個(gè)途徑：一個(gè)是改善電場(chǎng)分布，使之盡量均勻；另一個(gè)是利用其他方法來(lái)削弱氣體間隙中的游離過(guò)程。以下對(duì)這兩類措施作一簡(jiǎn)單的介紹。
一、改善電場(chǎng)分布的措施
由前述可知，均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中氣體間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)比極不均勻電場(chǎng)中氣體間隙的要高得多。電場(chǎng)分布越均勻，則間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也越高，因此改善電場(chǎng)分布可以有效地提高間隙的電壓擊穿。改善間隙的電場(chǎng)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(lái)改善間隙中的電場(chǎng)分布，以提高其穿電壓，同時(shí)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(chǎng)增強(qiáng)，近年來(lái)隨電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)電極時(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻電場(chǎng)，但為了避免在工作電壓下出現(xiàn)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)，高壓試驗(yàn)變壓器套管端部加屏蔽罩就是一例。
(2)利用空間電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用，由前述可知，極不均勻電場(chǎng)中，在遠(yuǎn)低于間隙的電壓擊穿時(shí)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(lái)改善極不均勻電場(chǎng)中的電場(chǎng)分布，從而提高間隙的電壓擊穿。但應(yīng)指出，上述細(xì)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(guò)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(chǎng)中屏障的采用。在極不均勻電場(chǎng)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(qiáng)度無(wú)多大意義，而主要是屏障阻止了空間電荷的運(yùn)動(dòng)，造成空間電荷改變電場(chǎng)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(fù)板之間，如圖1-23(a)所示。在間隙中加入屏障后，屏障機(jī)械地阻止了正離子的運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)，從而提高了其間的絕緣強(qiáng)度。屏障與負(fù)板極之間的電場(chǎng)接近于均勻，均勻電場(chǎng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)最大，因而也提高了其間隙的電壓擊穿，這樣就使整個(gè)氣體間隙的電壓擊穿提高了。
帶有屏障的正棒一負(fù)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(chǎng)所占部分越大，電壓擊穿就越高；當(dāng)屏障離棒極太近時(shí)，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(shí)，間隙的電壓擊穿提高得最多，可達(dá)無(wú)屏障時(shí)的2～3倍。
當(dāng)棒極為負(fù)極性時(shí)，如圖1-23(b)所示，電子形成負(fù)離子積聚在屏障上，同樣在屏障與板極間會(huì)形成較均勻的電場(chǎng)，原則上與棒為正極時(shí)屏率的作用相同，但當(dāng)屏障離棒極距離較遠(yuǎn)時(shí)，負(fù)極性棒極與屏障間的正空間電荷加強(qiáng)了棒極前面的電場(chǎng)，使棒對(duì)屏障之間首先發(fā)生擊穿，從而導(dǎo)致整個(gè)間隙的擊穿，使整個(gè)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(shí)間隙的電壓擊穿比棒為負(fù)極時(shí)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(shí)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(shí)加入屏障的作用相同。
在電壓作用下，正極性棒對(duì)屏障的作用約與持續(xù)電壓作用下一樣；負(fù)極性棒對(duì)屏障基本上不起作用，這說(shuō)明屏障對(duì)負(fù)極性棒時(shí)流注的發(fā)展過(guò)程沒(méi)有多大影響。
屏障應(yīng)有一定的機(jī)械強(qiáng)度才能起到機(jī)械地阻止帶電離子運(yùn)動(dòng)的作用。但不能太厚，太厚時(shí)，固體介質(zhì)的介電常數(shù)ε較大，將引起空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度增加。
二、削弱游離過(guò)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(guò)程。此外，強(qiáng)電負(fù)性氣體的電子附著過(guò)程也會(huì)大大削弱碰撞游離過(guò)程。采用高真空使電子的平均自由行程遠(yuǎn)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?yàn)闅怏w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(guò)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(shí)可以減少設(shè)備的尺寸。
在均勻電場(chǎng)中，壓縮空氣氣壓在10×101.3kPa以下時(shí)，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(shí)，逐漸呈現(xiàn)飽和。不均勻電場(chǎng)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(chǎng)顯著。
2.強(qiáng)電負(fù)性氣然的應(yīng)用
六氟化硫(SF6)和氟利昂（CCI2F2）氣體屬?gòu)?qiáng)電負(fù)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(qiáng)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(shí)，也可提高間隙的電壓擊穿，故將此類氣體稱為高絕緣強(qiáng)度氣體。
這些氣體具有高絕緣強(qiáng)度的原因是它們具有很強(qiáng)的電負(fù)性，容易吸附電子成為負(fù)離子，從而削弱了游離過(guò)程，同時(shí)加強(qiáng)了復(fù)合過(guò)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(wú)色、無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒、不燃的不活潑氣體，化學(xué)性能非常穩(wěn)定，對(duì)金屬及絕緣材料無(wú)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(lái)SF6已不僅用于單臺(tái)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(diǎn)，可大大節(jié)約占地面積，簡(jiǎn)化運(yùn)行維護(hù)等。
SF6氣體本身是無(wú)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﹣?lái)消除或減小這個(gè)不良后果；另外，當(dāng)SF6與固體絕緣材料組成組合絕緣時(shí)，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(qiáng)度，但卻呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的絕緣特性，尤其是對(duì)不均勻電場(chǎng)的絕緣，使用時(shí)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(shí)電壓擊穿迅速提高，因?yàn)榇藭r(shí)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(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，這是由不同于電子碰撞游離的其他過(guò)程決定的。實(shí)驗(yàn)證明，放電時(shí)真空中仍有一定的粒子流存在，這被認(rèn)為是：
(1)強(qiáng)電場(chǎng)下由陰極發(fā)射的電子白由飛過(guò)間隙，積累起足夠的能量撞擊陽(yáng)極，使陽(yáng)極物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)受熱蒸發(fā)或直接引起正離子發(fā)射；
(2)正離子運(yùn)動(dòng)至陰極，使陰極產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此循環(huán)進(jìn)行，放電便得到維持；
(3)電極或器壁吸附的氣體在真空時(shí)釋放出來(lái)，也會(huì)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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