氣體電介質(zhì)的擊穿特性

根據(jù)氣體放電理論，可以說明氣體放電的基本物理過程，有助于分析各種氣體間隙在各種高電壓下的放電機理和擊穿規(guī)律。但是，由于氣體放電的發(fā)展過程比較復(fù)雜，影響因素較多，氣隙擊穿的分散性較大，所以要想利用理論計算的方法來獲取各種氣隙的擊穿電壓相當困難。因此，通常都是采用實驗的方法來得到某些典型電極結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的氣隙(如棒—板間隙、棒—棒間隙、球間隙及同軸圓筒間隙等)在各種電壓下的擊穿特性，以滿足工程設(shè)計的需要。

氣隙的電場形式對氣隙的擊穿特性影響很大，氣隙所加電壓的類型對氣隙的擊穿特性也有較大影響。在電力系統(tǒng)中，常見的電壓類型歸納起來主要有四種：工頻交流電壓、直流電壓、雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓。工頻交流電壓和直流電壓都是持續(xù)作用于氣隙上的電壓，所以通常稱為穩(wěn)態(tài)電壓；存在時間極短、變化速率很大的雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓，也稱為暫態(tài)電壓。氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓作用下的擊穿電壓也稱為靜態(tài)擊穿電壓U₀。

3.1穩(wěn)態(tài)電壓下氣隙的擊穿特性

3.1.1 均勻電場下的擊穿特性

嚴格來說，均勻電場只有一種情況，即無限大平行板電極之間的電場，這在工程實際中是無法見到的。工程上所使用的平行板電極一般都是采用了消除電極邊緣效應(yīng)的措施(比如將板電極的邊緣彎曲成曲率半徑比較大的圓弧形，高壓靜電電壓表的兩個電極就是如此處理的)，這時當兩平行板電極間的距離相對于電極尺寸比較小時，即可將這兩個電極間的電場視為均勻電場。

3.1.1 均勻電場下的擊穿特性

嚴格來說，均勻電場只有一種情況，即無限大平行板電極之間的電場，這在工程實際中是無法見到的。工程上所使用的平行板電極一般都是采用了消除電極邊緣效應(yīng)的措施(比如將板電極的邊緣彎曲成曲率半徑比較大的圓弧形，高壓靜電電壓表的兩個電極就是如此處理的)，這時當兩平行板電極間的距離相對于電極尺寸比較小時，即可將這兩個電極間的電場視為均勻電場。

由于均勻電場的兩個平板電極的形狀相同，且平行布置，因而氣隙的放電不存在極性效應(yīng)，而且也不存在電暈現(xiàn)象。一旦氣隙放電就會引起整個氣隙的擊穿，所以其直流、工頻交流和沖擊電壓作用下的擊穿電壓都相同，放電的分散性也很小，擊穿電壓與電壓作用時間基本無關(guān)。

均勻電場下氣隙的擊穿電壓遵從巴申定律。

3.1.2 稍不均勻電場下的擊穿特性

稍不均勻電場氣隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性與均勻電場相似，典型的稍不均勻電場實例有高電壓試驗中使用的球間隙，以及SF₆封閉式組合電器(GIS)中的分相母線圓筒等。

需要注意，球隙電場的均勻程度隨著球間距離d與球電極直徑D之比(d/D)而變，不同球隙的擊穿特性曲線如圖3-1所示。由圖可見，只有當d/D≤0.5時，球隙的擊穿特性才接近于均勻電場氣隙的擊穿特性，即此時才可將球隙電場視為稍不均勻電場，所以球隙一般應(yīng)設(shè)置在d/D≤0.5的范圍內(nèi)工作。需要指出，球隙的工頻擊穿電壓通常都是指工頻電壓的峰值電壓，這是因為工頻擊穿都是發(fā)生在峰值電壓附近。因此，當用球隙測量工頻電壓時，測得的是工頻電壓的峰值。

實驗結(jié)果表明，像SF₆組合電器中的分相封閉母線與其圓筒外殼所構(gòu)成的同軸圓筒間隙電場的均勻程度，具有與球間隙相似的特點。也就是，只有當內(nèi)筒外半徑r與外筒內(nèi)半徑R之比（r/R) 大于10%時，其電場才接近于均勻電場，且氣隙擊穿電壓的最大值出現(xiàn)在r=1/3R左右，所以通常在同軸圓筒的絕緣設(shè)計中將r設(shè)計在R的25%~40%范圍內(nèi)。

3.1.3極不均勻電場下的擊穿特性

棒一板間隙和棒一棒間隙是典型的極不均勻電場，前者具有最大的不對稱性，后者則具有的對稱性，其他類型的極不均勻電場氣隙的擊穿特性均介于這兩種典型氣隙的擊穿特性之間。在工程上對于實際的不均勻電場往往按其電極的對稱程度，分別選用棒一板間隙或棒一棒間隙這兩種典型氣隙的擊穿特性曲線來估計所遇到的氣隙的擊穿特性，以確定該氣隙的電氣強度。比如輸電線路的導線與大地之間就可看作是棒板間隙，導線與導線之間則可看作是棒—棒間隙。

1.直流電壓作用下

由實驗獲得的棒一板和棒一棒氣隙在直流電壓下的擊穿特性曲線如圖3-2所示。如第2章所述，在直流電壓下棒一板間隙的擊穿特性具有明顯的極性效應(yīng)。在所測的極間距離范圍內(nèi)(d=10cm)，負極性擊穿場強約為20kV/cm，而正極性擊穿場強只有7.5kV/cm，相差較大。棒一棒間隙由于兩極對稱，所以無明顯極性效應(yīng)，其擊穿特性介于棒一板間隙在兩種極性下的擊穿特性之間。

為了進行超高壓直流輸電線路的絕緣設(shè)計，則需要研究長間隙棒一板氣隙的直流擊穿特性。300cm以內(nèi)的棒一板氣隙的實驗結(jié)果如圖3-3所示，這時負極性的平均擊穿場強降至10kV/cm左右，而正極性的擊穿場強約為4.5kV/cm，與均勻電場中大約30kV/cm的擊穿場強相比，相差甚大。

2.工頻交流電壓作用下

由于極性效應(yīng)，在工頻交流電壓下，棒一板間隙的擊穿則總是發(fā)生在棒極為正極性的半周期內(nèi)的峰值電壓附近。棒一板間隙和棒一棒間隙在極間距離小于2.5m的擊穿特性曲線如圖3-4所示。與圖3-3相比，其工頻擊穿電壓的峰值還稍低于其直流擊穿電壓，這是因為前半周期留下的空間電荷對于棒電極前方的電場有所加強的緣故。同時，在d＜1m的范圍內(nèi)，棒一棒與棒一板間隙的工頻擊穿特性幾乎一樣，但隨著d的增大，二者的差別越來越大。棒一棒間隙的擊穿電壓相對較高，這是由于棒一棒間隙作為對稱電場，比棒一板問隙要均勻一些，前者的最大場強是分散在靠近兩棒極處，而后者的最大場強則集中在棒電極附近。當間隙距離大于40cm時，棒一棒和棒一板間隙的工頻交流擊穿電壓(幅值)可分別采用相應(yīng)的近似計算公式進行估算。

棒一棒間隙 U_b=70+5.25d       （3-1）

棒一板間隙 U_b=40+5d          （3-2）

式中：U_b為擊穿電壓(幅值)，kV；d為間隙距離，cm。

長氣隙棒一板和棒一棒間隙的擊穿特性曲線如圖3-5所示，隨著氣隙長度的增大，棒-板間隙的平均擊穿場強明顯降低，即存在“飽和"現(xiàn)象，顯然這時再增大棒一板間隙的長度已不能有效地提高工頻擊穿電壓，這是一個應(yīng)該引起注意的問題。

3.2雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

3.2.1雷電沖擊電壓波形

雷電沖擊電壓由自然界中的雷電放電或?qū)嶒炇抑械哪M雷電放電所產(chǎn)生，電力系統(tǒng)中的雷電過電壓是由大氣中的雷電放電引起的。大氣中的雷電放電包括雷云對大地、雷云對雷云和雷云內(nèi)部的放電，其中雷云對大地的放電是造成電力系統(tǒng)中雷害事故的主要因素。

按照雷電發(fā)展的方向可區(qū)分為上行雷和下行雷兩種。上行雷是指由接地物體頂部激發(fā)起向雷云方向發(fā)展的雷電放電，下行雷是指在雷云中產(chǎn)生并向大地發(fā)展的雷電放電。人們通?？吹降睦纂姺烹娊^大多數(shù)是下行雷。根據(jù)雷電放電從雷云流入大地的電荷的極性不同，又可將雷電分為正極性雷和負極性雷。實測表明，90%的雷是負極性雷，因此在防雷設(shè)計中一般都采用負極性雷。

統(tǒng)計結(jié)果顯示，需電放電所形成的電壓具有單次脈沖性質(zhì)，通常稱之為雷電沖擊電壓。在高電壓試驗中是用沖擊電壓發(fā)生器來產(chǎn)生這種雷電沖擊電壓的。盡管大自然中雷電沖擊電壓的波形各異，但為了統(tǒng)一實驗結(jié)果，并對實驗作出統(tǒng)一的評價，人們根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律將雷電沖擊電壓波形理想化、標準化。

國際電工委員會(IEC)和我國國家標準(GB)規(guī)定的標準雷電沖擊電壓波形如圖3-6所示。圖中，T₁=1.2μs(視在波前時間)，容許偏差士30%；T₂=50μs(視在半峰值時間)，容許偏差士20%；0?為視在原點。T₁和T₂統(tǒng)稱為波形參數(shù)，簡寫成T₁/T₂=1.2/50μs，并可在前面加上正、負號以標明其極性。T₁和T₂通常也分別稱為波前時間和半峰值時間。U_m為雷電沖擊電壓的峰值，通常即用此值來表示雷電沖擊電壓的大小。

當雷電沖擊電壓施加于絕緣介質(zhì)上，在某一時間發(fā)生擊穿或閃絡(luò)(如避雷器放電)，波形即被截斷，被截斷的雷電沖擊電壓波稱為雷電沖擊電壓截波，如圖3-7所示。截波由于變化速率大，對有繞組的設(shè)備(如變壓器、發(fā)電機)的危害極大，因此截波更引起人們的關(guān)注。IEC標準和GB標準規(guī)定的標準雷電沖擊電壓截波參數(shù)為：T₁=1.2μs，容許偏差為士30%；T_c=2～5μs，稱為截斷時間，也可寫成T₁/T_c=1.2/(2～5)μs。

3.2.2雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

1.放電時間

由于雷電沖擊電壓的持續(xù)時間極短(幾微秒至幾十微秒)，已可與氣隙擊穿所需要的時間相比較，所以使氣隙的擊穿特性受到影響，不像直流和工頻交流等持續(xù)電壓的作用時間遠遠大于氣隙擊穿所需要的時間。

圖3-8表示沖擊電壓作用在氣隙上的電壓波形，從沖擊電壓加上的瞬間經(jīng)過t₁時間，電壓由零升到氣隙的靜態(tài)擊穿電壓U₀，但這時氣隙并未擊穿。這是因為要引起放電必須在陰極附近出現(xiàn)一個能引起初始電子崩并能導致間隙擊穿的電子，稱為有效電子。由于有效電子的出現(xiàn)具有隨機性，且需要一定的時間，所以t_s稱為統(tǒng)計時延。當有效電子出現(xiàn)到發(fā)展電子崩直至氣隙擊穿還需要一定的放電發(fā)展時間t_f，稱之為放電形成時延，它也具有統(tǒng)計性。因此，整個放電時間t_b由三部分組成，即

t_b=t₁十t_s十t_f              (3-3)

式中：t₁稱為電壓上升時間；t_s十t_f總稱為放電時延t_lag。

放電時延與許多不能準確估算的因素有關(guān)，如宇宙射線輻射產(chǎn)生的電離情況，氣隙去電離的情況等，因此，放電時延具有分散性，并與所加電壓大小有關(guān)。總的趨勢是電壓越高，所需放電時間越短；電場越均勻，放電時間的分散性越小，電場越不均勻，放電時間的分散性則越大。

2. 50%沖擊擊穿電壓(U_50%)

由于氣隙沖擊擊穿電壓的分散性，所以很難確定氣隙的沖擊擊穿電壓的準確值。在工程上采用50%沖擊擊穿電壓(U_50%)作為氣隙的沖擊擊穿電壓值。也就是說，在氣隙上加N次同一波形及峰值的沖擊電壓，可能只有n次發(fā)生擊穿，這時的擊穿概率P=n/N×100%。如果增大或減小外施電壓的峰值，則擊穿概率也隨之增加或減小。當擊穿概率等于50%時的電壓即稱為氣隙的50%擊穿電壓，寫為U_50%。對擊穿分散性的大小，則用標準偏差σ表示。標準偏差σ能夠反映一個數(shù)據(jù)集的偏離程度，σ越小，說明這些數(shù)據(jù)偏離其算術(shù)平均值越小，反之亦然。顯然，確定U_50%時所施加電壓的次數(shù)N越多，得到的U_50%越準確，但工作量也越大。在實際中，通常以施加10次電壓中有4～6次擊穿，即可認為這一電壓就是氣隙的50%沖擊擊穿電壓。

工程設(shè)計上，如果采用U_50%，來決定所用氣隙長度時，必須考慮一定的裕度，裕度的大小取決于該氣隙沖擊擊穿電壓的分散性大小。在均勻和稍不均勻電場中，沖擊擊穿電壓的分散性很小，其U_50%與靜態(tài)擊穿電壓U₀幾乎相同。U_50%與U₀之比稱為沖擊系數(shù)β。均勻和稍不均勻電場的β≈1，由于放電時延短，在50%擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在波前峰值附近。在極不均勻電場中，由于放電時延較長，擊穿電壓分散性較大，其沖擊系數(shù)β＞1，標準偏差可取為3%，在50%擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在波尾部分。

3.伏秒特性

由于氣隙在沖擊電壓下的擊穿存在時延現(xiàn)象，所以其沖擊擊穿特性不僅與沖擊電壓的大小有關(guān)，還與放電時間有關(guān)。工程上用氣隙擊穿期間出現(xiàn)的沖擊電壓的最大值和放電時間的關(guān)系來表征氣隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性，表示擊穿電壓和放電時間關(guān)系的曲線稱為伏秒特性曲線，如圖3-9所示。

伏秒特性曲線通常用實驗的方法得到，保持加在氣隙上的沖擊電壓波形不變(如1.2/50μs標準雷電沖擊電壓波)，依次提高沖擊電壓的峰值。當電壓較低時，擊穿一般發(fā)生在波尾部分。當在波尾擊穿時，不能用擊穿時的電壓作為氣隙的擊穿電壓，因為在擊穿過程中起決定作用的應(yīng)是曾經(jīng)作用過的沖擊電壓的峰值，所以這時應(yīng)把該峰值電壓作為氣隙的擊穿電壓，它與放電時間的交點p₁才是伏秒特性的一個點。當電壓較高時，放電時間大大縮短，擊穿發(fā)生在波前部分。在波前擊穿時，即以擊穿時的電壓作為氣隙的擊穿電壓值，它與放電時間的交點p₃為伏秒特性的一個點。如此作出一系列的點，依次連接p₁、p₂、p₃……各點得到的曲線即為所要作的伏秒特性曲線。

實際上，由于放電時間的分散性，在每一電壓下可得到一系列放電時間，所以伏秒特性曲線是一個帶狀區(qū)域。圖3-9中虛線是其上、下包絡(luò)線，實線則是平均伏秒特性曲線或50%伏特秒性曲線，通常使用的是平均伏秒特性曲線。

氣隙的伏秒特性形狀與極間電場的分布情況有關(guān)，如圖3-10所示，均勻或稍不均勻電場氣隙的伏秒特性比較平坦，其放電形成時延較短，也比較穩(wěn)定，只在放電時間小于1μs左右時略向上翹，這是因為放電時間小于1μs左右時，t_s的縮短需要提高電壓的緣故。極不均勻電場氣隙的伏秒特性比較陡峭。

伏秒特性在絕緣配合中有重要的實用意義。如用作過電壓保護的設(shè)備（避雷器或間隙），則要求其伏秒特性盡可能平坦，并位于被保護設(shè)備的伏秒特性之下，且二者相交。只有這樣，被保護設(shè)備才能免遭沖擊過電壓的侵害。

顯然，用伏秒特性來表征一個氣隙的沖擊擊穿特性是比較全面和準確的，但獲得伏秒特性的工作比較繁瑣。因此，在某些工程中不用伏秒特性，而是前述的“50%沖擊擊穿電壓"和擊穿概率為50%的“2μs沖擊擊穿電壓"，這兩個特定的沖擊擊穿電壓值近似地表征氣隙的沖擊擊穿特性。前者主要反映伏秒特性的平緩部分，后者反映伏秒特性的陡峭部分，兩者相差越大，則表明伏秒特性越陡峭；反之，表明越平緩。

4.氣隙的雷電沖擊擊穿特性

在標準雷電沖擊電壓作用下，當間隙距離d＜250cm時，棒—板及棒—棒氣隙的50%沖擊擊穿電壓與氣隙距離的關(guān)系如圖3-11所示。由圖可見，棒—板氣隙有明顯的極性效應(yīng)；棒—棒氣隙也有不大的極性效應(yīng)，這是由于大地的影響，使不接地的棒極附近電場增強的緣故。同時還可以看出，棒—棒間隙的擊穿特性介于棒—板間隙兩種極性的擊穿特性之間。

氣隙長度d更大的實驗結(jié)果如圖3-12所示。由圖可見，擊穿電壓和氣隙距離呈直線關(guān)系。在確定氣隙的雷電沖擊擊穿電壓時，可以采用上述的各種實驗曲線，也可以利用某些經(jīng)驗公式。表3-1列出了空氣中棒間隙的雷電沖擊50%擊穿電壓的經(jīng)驗計算公式。

表3-1             空氣中棒間隙的雷電沖擊50%擊穿電壓的近似計算公式

                        （標準大氣條件，間隙距離d＞40cm）

3.3操作沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

3.3.1 操作沖擊電壓波形

用來等效模擬電力系統(tǒng)中操作過電壓的電壓波形，一般采用雙指數(shù)脈沖波。IEC標準和我國國家標準規(guī)定，波前時間T_cr=250μs±20%，半峰值時間T₂=2500μs士60%，寫成T_cr/ T₂=250/2500μs，如圖3-13(a)所示。當在試驗中采用上述標準操作沖擊電壓波形不能滿足要求或不適用時，推薦采用100/2500μs和500/2500μs沖擊波。此外，還可采用一種衰減振蕩波，如圖3-13(b)所示。圖中第一個半波的持續(xù)時間在2000~3000μs之間，極性相反的第二個半波的峰值約為第一個半波峰值的80%。

3.3.2操作沖擊電壓下氣隙擊穿的特點

1.操作沖擊電壓波形對氣隙擊穿電壓影響  

實驗結(jié)果表明，氣隙的50%操作沖擊擊穿電壓U_50%與波前時間T_cr的關(guān)系呈U形曲線，如圖3-14所示。在某一最不利的波前時間T_c (稱為臨界波前時間）下，U_50%有最小值，且T_c的值隨氣隙長度d的增加而增大。在工程實際所遇到的氣隙長度d范圍內(nèi)，T_c值在100~500μs之間，這正是將標準操作沖擊電壓波的波前時間T_cr規(guī)定為250μs的主要原因，圖3-14 中虛線表示不同長度氣隙的最小值U_50%與T_cr的關(guān)系。

上述現(xiàn)象可以用前面介紹的氣體放電理論予以解釋。任何氣隙的擊穿過程都需要一定的時間，當波前時間T_cr較小時，說明電壓上升極快，擊穿電壓將會超過靜態(tài)電壓許多，所以擊穿電壓較高；當波前時間T_cr較大時，說明電壓上升較慢，使極不均勻電場長間隙中的沖擊電暈和空間電荷都有足夠的時間形成和發(fā)展，從而使棒極附近的電場變得較小，使整個氣隙電場的不均勻程度降低，從而使擊穿電壓稍有提高。而T_cr處在100～500μs范圍內(nèi)時，既保障了擊穿所需的時間，又不至于減小棒極附近的電場，所以此時的擊穿電壓低。

2.氣隙的操作沖擊擊穿電壓有可能低于工頻擊穿電壓

實驗表明，在某些波前時間范圍內(nèi)，氣隙的操作沖擊擊穿電壓甚至比工頻擊穿電壓還低，在確定電氣設(shè)備的空氣間距時，必須考慮這一重要情況。因此，在額定電壓大于220kV的超高壓及特高壓輸電系統(tǒng)中，往往按操作過電壓下的電氣特性進行絕緣設(shè)計；超高壓及特高壓電氣設(shè)備的絕緣也應(yīng)采用操作沖擊電壓進行試驗，而不宜像一般高壓電氣設(shè)備那樣用工頻交流電壓作等效性試驗。

棒—板氣隙的50%操作沖擊擊穿電壓的最小值U_50% (min)的經(jīng)驗公式為

式中：d為氣隙長度，m。

上式適用于d=2～15m的氣隙。當15m＜d＜27m時，經(jīng)驗公式為

U_50% (min)=(1.4 +0.055d)×10³(kV)        (3-5)

3.長間除操作沖擊擊穿的“飽和"效應(yīng)

極不均勻電場長間隙的操作沖擊擊穿特性具有顯著的“飽和"效應(yīng)，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)與間隙擊穿前先導階段能較為充分的發(fā)展有關(guān)。比如用上述的經(jīng)驗公式可以算得，當d=10m時，氣隙的平均擊穿場強已不到2kV/cm；當d=20m時，更降低到1.25kV/cm。也就是氣隙的增大并不能有效地提高其擊穿電壓，尤以正極性棒一板間隙的“飽和"現(xiàn)象最為嚴重。

當氣隙長度大于5m以后，就開始明顯地表現(xiàn)出“飽和"現(xiàn)象，如圖3-15所示，這對發(fā)展特高壓輸電技術(shù)是一個極為不利的制約因素。

4.操作沖擊擊穿電壓的分散性大

操作沖擊電壓下的氣隙擊穿電壓和放電時間的分散性均比雷電沖擊電壓下大得多，此時極不均勻電場氣隙的相應(yīng)標準偏差σ值可達5%~8%。

3.4不同大氣條件下氣隙的擊穿電壓

通常所說的大氣條件是指大氣的壓力、溫度和濕度。不同的大氣條件，同一氣隙的擊穿電壓也不同。從氣體放電的基本理論可知，由于氣壓，溫度和濕度都會影響空氣的密度、電子的自由行程、碰撞電離及吸附效應(yīng)，所以必然會影響氣隙的擊穿電壓。海拔高度的影響也與此相類似，海拔高度的增加，空氣的壓力和密度均下降，因此，為了對不同大氣條件和海拔高度所得出的擊穿電壓實測數(shù)據(jù)進行分析和比較，就必須將大氣條件換算到標準大氣條件。

我國國家標準GB/T 16927.1—2011《高電壓試驗技術(shù)第1部分：一般定義及試驗要求》規(guī)定的標準大氣條件為：氣壓p₀=101.3kPa(760mmHg)，溫度t₀=20℃或T₀=293K，絕對濕度h_c=11g/m³。

在實際試驗條件下的氣隙擊穿電壓U與標準大氣條件下的擊穿電壓U₀之間可以通過相應(yīng)的校正系數(shù)進行如下?lián)Q算

U=K_dK_hU₀     (3-6)

式中：K_d為空氣密度校正系數(shù)；K_h為濕度校正系數(shù)。

上式不僅適用于氣隙的擊穿電壓，也適用于外絕緣的沿面閃絡(luò)電壓。需要指出，書中所引用的有關(guān)空氣間隙擊穿電壓的曲線和數(shù)據(jù)，除特別注明者外，一般都是指標準大氣條件的情況。下面將分別就各個校正系數(shù)的取值加以討論。

(1)空氣密度校正系數(shù)。空氣密度與壓力和溫度有關(guān)?？諝獾南鄬γ芏葹閷嶋H氣體密度與標準大氣條件下的密度之比，即

式中：δ為空氣的相對密度；p為氣壓，kPa；t為試驗時攝氏溫度，℃；t₀為標準攝氏溫度，℃；T為試驗時絕對溫度，K；T₀為標準絕對溫度，K。

由巴申定律可知，在大氣條件下，氣隙的擊穿電壓隨的增大而升高。實驗表明，當δ處于0.95～1.05的范圍內(nèi)，氣隙的擊穿電壓幾乎與δ成正比，即此時的空氣密度校正系數(shù)可取為K_d=δ，因而有

U=δU₀               (3-8)

當氣隙距離不超過1m時，上式無論對于均勻電場或不均勻電場，還是直流、工頻或沖擊電壓都適用。

當利用球隙測量擊穿電壓時，如果空氣的相對密度δ與1相差較大時，可用表3-2中的校正系數(shù)K_d來校正擊穿電壓值。

表 3-2                  空氣密度校正系數(shù)K_d

對于更長的空氣問隙，其擊穿電壓與大氣條件變化并不是簡單的線性關(guān)系，而是隨電極形狀、電壓類型和氣隙長度而變化的復(fù)雜關(guān)系，這時需要使用空氣密度校正系數(shù)K_d，其表達式為

K_d= δ^m        (3-9)

式中：指數(shù)m與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性有關(guān)，其值在0.4～1.0的范圍內(nèi)變化，具體取值可參閱GB/T 16927.1-2011。

空氣密度校正系數(shù)K_d的數(shù)值在0.8～1.05范圍內(nèi)時是可靠的。

(2)濕度校正系數(shù)。由于吸附效應(yīng)，大氣中所含水汽的分子對氣隙的放電過程起著抑制的作用，所以大氣的濕度增大，氣隙的擊穿電壓也隨之提高。不過在均勻或稍不均勻電場中，放電開始時整個氣隙電場強度都較大，電子的運動速度較快，不易被水汽分子吸附，因而濕度對擊穿電壓的影響可以忽略不計。例如用球隙測量電壓時，只需根據(jù)空氣相對密度校正其擊穿電壓，而不必考慮濕度的影響。在極不均勻電場中，一般都需要對濕度進行校正，這時濕度校正系數(shù)可表示為

K_h=k^ω      (3-10)

式中：k與絕對濕度、空氣相對密度和電壓類型有關(guān)；指數(shù)ω的值與電極形狀、氣隙長度、電壓類型及其極性有關(guān)，具體取值亦可參閱GB/T 16927.1-2011。

(3)海拔校正系數(shù)。隨著海拔高度的增加，空氣逐漸變得稀薄，大氣壓力及密度減小，因而空氣的電氣強度也隨之降低。

GB/T 311.1-2012《絕緣配合第1部分：定義、原則和規(guī)則》規(guī)定，對用于海拔在1000～4000m地區(qū)的設(shè)備及電力設(shè)施的外絕緣，在海拔低于1000m的地區(qū)進行耐壓試驗時，其試驗電壓U應(yīng)按規(guī)定的標準大氣條件下平原地區(qū)外絕緣耐受電壓U_p乘以海拔校正系數(shù)K_a校正，即

U=K_a U_p            (3-11)

而              

式中：H為設(shè)備使用地點海拔，m；q為海拔校正因子， 工頻、雷電沖擊試驗q=1.0，操作沖擊試驗q=0.75。

3.5提高氣隙擊穿電壓的方法

從實用的角度出發(fā)，提高氣隙的擊穿電壓可以有效地減小電氣設(shè)備的氣體絕緣間隙距離，使整個電氣設(shè)備的尺寸縮小，綜合前面所述影響氣隙擊穿電壓的各種因素，提高氣隙擊穿電壓的具體方法可歸納為以下兒種。

3.5.1改善電場分布

電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強越大。因此，可以通過改進電極形狀或采用屏蔽罩來增大電極的曲率半徑，對電極表面進行拋光，除去毛刺和尖角等，來減小氣隙中的最大場強，改善電場分布，使之盡可能趨于均勻，從而提高氣隙的電暈起始電壓和擊穿電壓。

利用球形屏蔽罩來增大電極的曲率半徑是一種常用的方法。以棒—板間隙為例，如果在棒端部加裝一只直徑適當?shù)那蛐纹帘握郑湍苡行У靥岣邭庀兜?/span>擊穿電壓。圖3-16表示采用不同直徑(D)的屏蔽罩對提高氣隙擊穿電壓的不同效果。由圖可見，對于極間距離為100cm的棒—板間隙，當在棒電極上加裝一直徑為75cm的球形屏蔽罩時，可使氣隙的擊穿電壓提高1倍左右。

許多高壓電氣設(shè)備的高壓引線端部具有尖銳的形狀，如高壓套管的接線端子。為了降低引線端子附近的最大電場強度，往往就需要加裝球形屏蔽罩。屏蔽翠尺寸的選擇應(yīng)使其在最大對地工作電壓U_gmax下不發(fā)生電暈。

需要指出，與利用改進電極形狀來改善電場分布相類似，還可利用空間電荷來改善電場分布。比如，導線—平板或?qū)Ь€—導線的電極布置方式，當導線直徑減小到一定程度后，氣隙的工頻擊穿電壓反而會隨導線直徑的減小而提高，這種現(xiàn)象稱為細線效應(yīng)。其原因在于細線引起的電暈放電所形成了圍繞細線的均勻空間電荷層，相當于擴大了細線的等值半徑，改善了氣隙中的電場分布。

3.5.2 采用絕緣屏障

由于氣隙中的電場分布和氣體放電的發(fā)展過程都與帶電粒子在氣隙中的產(chǎn)生、運動和分布情況密切相關(guān)，所以在氣隙中放置形狀適當、位置合適、能有效阻攔帶電粒子運動的絕緣屏障能有效地提高氣隙的擊穿電壓。比如，在棒—板氣隙中放置一塊與電力線相垂直的薄片固體絕緣材料，如圖3-17所示，則棒電極附近由電暈放電產(chǎn)生的與棒電極同號的空間電荷，在向板極方向運動中會被放置的屏障所阻攔，而聚積在薄片固體絕緣材料的左側(cè)上面，并由于同性電荷之間的相斥力，使其比較均勻地分布在屏障上。顯然，這些空間電荷削弱了棒極與屏障間的電場，提高了其抗電強度，這時雖然屏障與板極之間的電場強度增大了，但其間的電場已變得接近于兩平行板間的均勻電場，因此也提高了其抗電強度，從而使整個氣隙的擊穿電壓得到提高。

帶有絕緣屏障的氣隙擊穿電壓與屏障的位置有很大關(guān)系，如圖3-18所示。對棒—板間隙，屏障與棒極距離等于氣隙距離的1/5～1/6時擊穿電壓提高得最多。當棒極為正時可達無屏障時的2～3倍，但棒極為負時只能略微提高氣隙的擊穿電壓(約為20%)。而且棒極為負時屏障遠離棒極，擊穿電壓反而會比無屏障時還要低。這主要是由于聚集在屏障上的負電荷，一方面使部分電場變得均勻，另一方面聚集的負電荷所形成的空間電荷又有加強與板極間電場的作用，而當屏障離棒極較遠時，后一種作用占優(yōu)勢的緣故。在工頻電壓下，因為擊穿總是發(fā)生在棒極為正的半周期內(nèi)，所以設(shè)置屏障后擊穿電壓的提高同直流下正棒極時一樣在雷電沖擊電壓下，由于屏障上來不及聚積起顯著的空間電荷，因此屏障的作用要小一些。

在棒-棒間隙中，因為兩個電極都將發(fā)生電暈放電，所以應(yīng)在兩個電極附近設(shè)置屏障，也可以獲得提高擊穿電壓的效果。顯然，屏障在均勻或稍不均勻電場的場合就難以發(fā)揮作用了。

3.5.3 采用高氣壓

由巴申定律可知，提高氣體壓力可以提高氣隙的擊穿電壓。因為氣壓提高后氣體的密度增大，減少了電子的平均自由行程，從而削弱了電離過程。比如早期的壓縮空氣斷路器就是利用加壓后的壓縮空氣作內(nèi)部絕緣的，在高壓標準電容器中也有采用加壓后的空氣或氮氣作絕緣介質(zhì)的，在SF₆電氣設(shè)備中則是用加壓后的SF₆氣體作絕緣介質(zhì)。圖3-19為不同絕緣介質(zhì)的絕緣強度比較。由圖可見，2.8MPa（1個標準氣壓為0.1MPa)的壓縮空氣已具有很高的耐電強度，但采用這樣高的氣壓會對電氣設(shè)備外殼的密封性和機械強度提出很高的要求。如果采用高耐電強度的SF₆氣體來代替空氣，要達到同樣的電氣強度，則只需采用0.7MPa左右的氣壓就夠了。

3.5.4采用高耐電強度的氣體

在氣體電介質(zhì)中，有一些含鹵族元素的強電負性氣體，如六氟化硫(SF₆)、氟利昂(CCl₂F₂)等，因其具有強烈的電子吸附效應(yīng)，在相同的壓力下只有比空氣高得多的耐電強度，為此被稱為高耐電強度的氣體。顯然，采用這些高耐電強度的氣體來替代空氣，可以大大提高氣休間隙的擊穿電壓。

3.5.5 采用高真空

依據(jù)巴申曲線，采用高度真空可以大大減弱間隙中的碰撞電離過程，而顯著地提高間隙的擊穿電壓。真空間隙的擊穿電壓大致與間隙距離的平方根成正比。真空間隙的擊穿電壓與電極材料、表而光潔度和純凈度等多種因素有關(guān)，因而分散性較大。真空不但絕緣性能較好，而且具有良好的滅弧能力，因此在配電型真空斷路器中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.6   SF₆氣體特性

SF氣體的電氣強度約為空氣的2.5倍，以高耐電強度氣體而著稱，日前它是除空氣以外應(yīng)用得最為廣泛的氣體介質(zhì)。目前，SF₆氣體已不僅應(yīng)用于一些單一的電氣設(shè)備(如SF₆斷路器、變壓器、避雷器等)中，而且被廣泛應(yīng)用于全封閉組合電器（Gas Insulared Switchgear, GIS)或氣體絕緣變電站(Gas Insulated Substation. GIS)中。

3.6.1  SF₆氣體的理化特性

氣體作為絕緣介質(zhì)應(yīng)用于工程實際，不但要求具有比較高的耐電強度，而且還要求具備良好的理化特性。SF₆氣體之所以被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備的絕緣，這與其良好的理化特性分不開。

SF₆氣體是一種人工合成、無色、無味、無嗅、無毒、不燃的氣體，其分子結(jié)構(gòu)簡單和對稱，化學穩(wěn)定性高，在不太高的溫變下，接近惰性氣體的穩(wěn)定性。在500K溫度的持續(xù)作用下，一般不會分解，也不會與其他材料發(fā)生化學反應(yīng)，只有在電弧或局部放電的高溫作用下，SF₆氣體才會產(chǎn)生熱離解或碰撞分離，生成低氯化物，同時低氟化物會與雜質(zhì)氣體中的氧氣作用生成含氧化合物，有的分解物有，通常采用活性氧化鋁和分子篩等吸附劑，以吸附其分解物及水分。當氣體中含有水分時，出現(xiàn)的低氟化物還會與水反應(yīng)生成腐蝕性很強的氫氟酸或硫酸等，對其他絕緣材料或金屬材料造成腐蝕，使沿面閃絡(luò)電壓大大降低，對局部放電水平也有影響，這是應(yīng)該引起注意的問題。為此，應(yīng)嚴格控制SF₆氣體中所含的水分和雜質(zhì)氣體。國標規(guī)定，設(shè)備中SF₆氣體的水分容許含量(體積比)的交接驗收值在有電弧分解物的隔室為150X10^-6，無電弧分解物的隔室為500×10^-6。此外SF₆的分子量為146，密度大（為空氣的5倍），屬重氣體。在通常使用條件(-40℃≤θ≤80℃，p＜0.6MPa)下，主要呈現(xiàn)為氣體。比如，在20℃，充氣壓力為0.75MPa(相當于斷路器中常用的工作壓力)，所對應(yīng)的液化溫度為-25℃，如果20℃時的充壓力為0.45MPa，則對應(yīng)的液化溫度為-40℃，所以一般不存在液化問題。只有在高寒地區(qū)才需考慮采取加熱措施來防止其液化，或采用SF₆-N₂混合氣體(通?；旌蠚怏w的體積比為1：1左右)降低液化溫度，這樣還會使氣體的費用大約減少40%，具有顯著的經(jīng)濟效益和工程實用意義。SF₆-N₂混合氣體的相對耐電強度(以純SF₆氣體的耐電強度為基準)如圖3-20所示。

3.6.2  SF₆氣體的絕緣特性

雖然SF₆氣體的電氣強度比空氣高得多，但是電場的不均勻程度對SF₆電氣強度的影響卻遠比空氣為大。因此，SF₆優(yōu)異的絕緣性能只有在比較均勻的電場中才能得到充分的發(fā)揮。

1.均勻電場中SF₆氣體的擊穿

均勻電場中，SF₆氣體的擊穿特性同樣遵從巴申定律，只是由于其強烈的吸附效應(yīng)，在碰撞電離過程中，使碰撞電離系數(shù)α大打折扣，折扣率用電子附著系數(shù)η來表示。η表示一個電子沿電場方向運動單位距離的行程中所發(fā)生的電子附著次數(shù)的平均值。如此考慮，在電負性氣體中的有效碰撞電離系數(shù)a應(yīng)為

對于SF₆氣體，其擊穿電壓的經(jīng)驗計算公式為

U_b= 88.5pd+0.38 (kV)   (3-14)

式中：p為氣壓，MPa；d為極間距離，mm。

由式(3-14)計算可得，SF₆氣體在一個大氣壓(0.1MPa)下的擊穿場強E_b≈88.5kV/cm.幾乎是空氣的3倍。

2.極不均勻電場中SF₆氣體的擊穿

對一般氣體，電場越不均勻，提高氣壓對提高氣隙擊穿電壓的作用越小，對SF₆氣體更是如此，并且在一定的氣壓范圍里，氣隙的擊穿電壓與氣壓的關(guān)系存在異常的低谷。同時，在0.1～0.2MPa的區(qū)段內(nèi)還存在雷電沖擊擊穿電壓明顯低于靜態(tài)擊穿電壓的異?，F(xiàn)象，其沖擊系數(shù)低至0.6，如圖3-21所示。這種異?，F(xiàn)象與空間電荷的運動狀態(tài)有關(guān)。因此，在進行充有SF₆氣體的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡可能避免極不均勻電場的情況。

此外，SF₆氣隙的極性效應(yīng)與空氣間隙相同，即曲率半徑小的電極為負極性時其起暈電壓低于正極性，而氣隙的擊穿電壓高于正極性。

與空氣間隙相比，SF₆氣隙的伏秒特性在短時(t＜5μs)范圍內(nèi)上翹較少。所以，用避雷器來保護具有SF₆氣體絕緣的設(shè)備時，應(yīng)特別注意在上述短時范圍內(nèi)的保護配合。

總之，電場不均勻?qū)?/span>SF₆氣體的絕緣特性是極為不利的。因此，要求SF₆氣體絕緣的電氣設(shè)備，其電場設(shè)計應(yīng)盡可能均勻，對電極的要求較高，要做到表面光滑，沒有缺陷。

3.全封閉組合電器(GIS)

全封閉組合電器(Gas Insulated'Switchgear,GIS)是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連線和出線終端等組合而成，全部封閉在充有一定壓力的SF₆氣體的金屬外殼中，構(gòu)成封閉式組合電器，組成一個氣體絕緣變電站。與傳統(tǒng)的敞開式變電站相比，GIS具有下列突出優(yōu)點：

(1)大大節(jié)省占地面積，額定電壓越高，節(jié)省越多。例如，110kV電壓等級，GIS占地僅為敞開式的1/10，500kV的GIS占地則為敞開式的1/50。如果以變電站所占空間的大小來比較，GIS所占空間更小。因此，GIS特別適用于深山峽谷中的水電站、地下變電站及城市中心變電站等。

(2)由于GTS的全部電氣設(shè)備都密封在接地金屬外殼中，不受惡劣的大氣條件的影響，所以運行安全可靠，且占用空間小、噪聲小、無電磁輻射，有利于環(huán)境保護。

(3)安裝成套性好，維護工作小。

鑒于上述優(yōu)點，GIS已在世界各國得到廣泛應(yīng)用，我國已有110～1000kV電壓等級的GIS在電網(wǎng)中運行。但對于GIS的絕緣檢測，由于其封閉性面顯得更為困難和重要。

尚需指出，由于SF₆氣體的溫室效應(yīng)非常嚴重，其全球溫暖化潛能值(GWP)是CO₂的23900倍，1997年的《京都議定書》將SF₆氣體列為全球限制使用的六種氣體之。因此，近幾十年來，研究者在積極尋求SF₆的替代氣體，一類為SF₆混合氣體替代，通過添加其他環(huán)保氣體(如SF₆/N₂、SF₆/CO₂、SF₆/空氣、SF₆/氟碳氣體等)并提升氣體壓強，從而滿足絕緣要求，達到減少SF₆氣體用量的目的。另一類為SF₆氣體替代，即新型絕緣介質(zhì)及其混合氣體，如C₃F₈、c?C₄F₈、CF₃I、C₄F₇N和C₅F₁₀O等，雖然目前科研人員已經(jīng)測試了上千種氣體，但都在絕緣性能或理化性能等方面還遠不如SF₆氣體，滿足不了電力行業(yè)的要求，至今尚無一種氣體配方可以與SF₆媲美。因此，在相當長的一段時間內(nèi)，SF₆還將作為主流的氣體絕緣介質(zhì)在電力領(lǐng)域得到使用，尋求替代SF₆氣體絕緣的研究工作仍然是電力行業(yè)關(guān)注的熱點。

3.7 電暈放電

電暈放電是極不均勻電場中有的一種氣體自持放電形式。它與其他形式的放電的區(qū)別，主要在于電暈放電電流并不是取決于電源電路中的阻抗，而是取決于電極外氣體空間的電導。因此，電暈放電取決于外加電壓、電極形狀、極間距離、氣體的性質(zhì)和密度等。

電暈放電對超高壓和特高壓輸電線路具有特殊的重要性，與這些線路的導線選擇、電能平衡和環(huán)境保護等均有密切的關(guān)系。

3.7.1 電暈放電的基本特性

電暈放電主要是指電氣設(shè)備高電壓端外絕緣穩(wěn)定的局部放電，且有明顯的極性效應(yīng)。以棒—板間隙為例，當棒電極為負極性時，電壓升到一定值，電暈平均電流接近微安級時，開始出現(xiàn)有規(guī)則的重復(fù)電流脈沖。電壓繼續(xù)升高時，電流脈沖幅值基本不變，但頻率增高，重復(fù)脈沖的頻率最高可達MHz。電壓繼續(xù)升高到一定值時，電暈電流則會失去有規(guī)則高頻脈沖的性質(zhì)而轉(zhuǎn)變成持續(xù)電流。電壓再進一步升高，就會出現(xiàn)電流幅值大得多的刷狀放電。刷狀放電是一種比電暈更為強烈的局部放電，往往出現(xiàn)刷狀放電后，電壓再升高氣隙會很快擊穿。

當棒電極為正極性時，電暈電流也具有重復(fù)脈沖的性質(zhì)，但沒有整齊的規(guī)則。當電壓繼續(xù)升高，電流的脈沖特性變得越來越不顯著，以至基本上轉(zhuǎn)為持續(xù)電流。電壓再繼續(xù)升高，就會出現(xiàn)幅值大得多的不規(guī)則的刷狀放電。

不同極性的電暈放電電流波形示于圖3-22和圖3-23。電暈放電具有下列幾種效應(yīng)：

(1)具有聲、光、熱等效應(yīng)。放電的“咝咝"聲造成可聞的環(huán)境噪聲，同時有紫藍色的光暈，引起發(fā)熱并使周圍的氣體溫度升高，造成能量損耗。

(2)在電極的某些凸起處，電子和離子在局部強場的驅(qū)動下高速運動并與氣體分子交換動量，形成所謂的“電風"，引起電極或?qū)Ь€的振動。

(3)電暈產(chǎn)生的高頻脈沖電流會造成對無線電的干擾。

(4)在空氣中產(chǎn)生臭氧O₃及NO或NO₂，在其他氣體中也會產(chǎn)生許多化學反應(yīng)。O₃是強氧化劑，對金屬及有機絕緣物有強烈的氧化作用。NO或NO₂會與空氣中的水分合成硝酸類，具有強烈的腐蝕性。所以，電暈是促使有機絕緣老化的重要因素之一。

(5)上述電暈的某些效應(yīng)也有可利用的一面。比如電暈造成的損耗可削弱輸電線上的雷電沖擊電壓波的幅值和陡度；電暈放電還可改善電場的分布；也可利用電暈制造除塵器、消毒柜和對廢氣、廢水進行處理及對水果、蔬菜進行保鮮等。

需要指出，我國超特高壓輸電線路的設(shè)計和運行經(jīng)驗表明，可聞環(huán)境噪聲已成為超特高壓輸電線路的一個重要控制因素；而對于無線電干擾也是超特高壓輸電線路需要控制的重要指標，具體可參見GB/T 15707—2017《高壓交流架空輸電線路無線電干擾限值》。

3.7.2 輸電線上的電暈放電

對于半徑為r、離地高度為h的單根導線，導線表面的電場強度E與導線對地電壓U的關(guān)系式為

當平行導線間的距離D遠大于導線半徑r時，線間電壓為U，可求得導線表面的電場強度E為

導線表面起暈場強E_c可按下述經(jīng)驗公式(皮克公式)進行近似計算，即

式中：E_c單位為kV(峰值)/cm；r為起暈導線的半徑，cm；δ為空氣的相對密度；m₁為導線表面光潔度(光滑導線m₁≈1，絞線m₁≈0.8～0.9)；m₂為氣象系數(shù)(根據(jù)不同氣象情況，在0.8~1.0范圍內(nèi))。

若三相導線對稱排列，則導線的起暈臨界電壓U_c (對地)有效值為

式中：U_c單位為kV；D為線間距離，cm；δ為導線半徑，cm。

導線水平排列時，式(3-18)中的D應(yīng)以D_m代替，D_m為三相導線的幾何平均距離，即

式中：D_ab、D_bc、D_ca分別為A-B、B-C、C-A相間的距離。

輸電線上電暈損耗功率的經(jīng)驗公式為

式中：P單位為kW/km；f為電源頻率，Hz；U和U₀為相電壓有效值，此處U₀僅為一具有計算意義的電壓值，約為70kV。

實驗表明，式(3-20)只適用于220kV及以下線路電暈損耗較大的情況，而不適用于較好的天氣情況和光滑導線以及超高壓大直徑導線的情況。

研究表明，對于500～750kV超高壓輸電線路，在晴好天氣時的電暈損耗一般不超過幾個kW/km，而在雨天時可高達100kW/km以上。

從式(3-16)可以看出，要降低導線表面場強可用兩種辦法：①增大線間距離D；②增大導線半徑r。增大r的通用辦法是采用分裂導線。分裂導線在保持同樣截面的條件下，導線表面積比單導線時增大，但導線的電容及電荷都增加得很少，這就使導線表面場強得以降低。圖3-24給出了500kV線路的三分裂導線表面最大場強E_m與分裂間距S的關(guān)系。同時，通過對分裂導線的合理布置，還可以有效地改善線路參數(shù)，增大線路電容，減小線路電感，實現(xiàn)阻抗匹配,達到提高線路輸送功率的目的，這就是現(xiàn)代緊湊型輸電線路的基本原理。

我國有關(guān)規(guī)程規(guī)定，在海拔不超過1000m的地區(qū)，如導線直徑不小于表3-3所列的數(shù)值，一般不必驗算電暈。此時，導線表面工作場強已低于電暈起始場強。

表3-3        不必驗算電暈的導線最小直徑(海拔不超過1000m)

3.8沿面放電與污穢閃絡(luò)

3.8.1沿面放電基本特性

沿面放電是指沿著固體絕緣表面的放電。在固體介質(zhì)和空氣的交界面上產(chǎn)生的沿面放電，一旦發(fā)展到使整個極間沿面擊穿時，稱為沿面閃絡(luò)。沿面閃絡(luò)電壓不僅比固體介質(zhì)本身的擊穿電壓低很多，而且比純空氣間隙的擊穿電壓也低得多，并受絕緣表面狀態(tài)、電極形式、污染程度以及氣候條件等因素影響較大。電力系統(tǒng)中外絕緣事故多半是由沿面放電所造成。由此可見，固體絕緣實際耐受電壓的能力并非取決于固體介質(zhì)本身的擊穿電壓，而是取決于它的沿面閃絡(luò)電壓，所以后者在確定輸電線路和變電站外絕緣的絕緣水平時起著決定性的作用。

1.均勻電場中的沿面放電

如在均勻電場中放置圓柱形的固體介質(zhì)，使柱而與電場中的電力線平行，這時從宏觀上看，固休圓柱的存在，似乎并不影響極問氣隙的電場，氣隙的擊穿電壓應(yīng)保持不變。然而，此時氣隙的擊穿總是以沿著固體介質(zhì)表面閃絡(luò)的形式完成，并且沿面閃絡(luò)電壓總是顯著地低于純氣隙的擊穿電壓。其主要原因是：

(1)固體介質(zhì)表面不可能絕對光滑，其微觀上的凹凸不平造成介質(zhì)表面電場不均勻，表面凸起部分的電場強度比其他部分大。

(2)固體介質(zhì)表面會或多或少地吸收一些空氣中的水分，水分中的離子在電場作用下向兩極移動引起介質(zhì)表面電場的畸變，或者由于固體介質(zhì)表面電阻的不均勻造成電場分布變形。

(3)固體介質(zhì)與電極的接觸如不十分緊密，存在有極小的氣隙，其中的電場強度將會大很多，造成局部放電引起電離，電離產(chǎn)生的帶電粒子遷移到固體介質(zhì)表面后，使介質(zhì)表面的電場發(fā)生畸變。

2.不均勻電場中的沿面放電

不均勻電場中的沿面放電有兩種情況。一種是電場強度的方向大體上平行于固體電介質(zhì)的表面，即介質(zhì)表面電場的切線分量E_t遠大于法線分量E_n，如圖3-25(a)所示的支柱絕緣子。這種情況的沿面放電與均勻電場中的沿面放電大體相似，只是由于電場本身已經(jīng)是不均勻的了，所以任何其他使電場不均勻性增大的因素，對擊穿電壓的影響都不會像在均勻電場中那樣顯著，其沿面閃絡(luò)電壓較之均勻電場明顯降低。為了提高沿面閃絡(luò)電壓，可適當改變電極的形狀，如采用屏蔽電極。另一種是電介質(zhì)表面的場強具有較大的垂直于固體電介質(zhì)表面的法線分量，如圖3-25(b)所示的高壓套管。下面分析高壓套管沿面放電的規(guī)律。

由于套管法蘭附近的電力線最密、電場強，所以當所加電壓還不太高時，此處可能首先出現(xiàn)電暈放電，如圖3-26(a)所示。隨著外加電壓的升高，放電逐漸變成由許多平行的火花細線組成的光帶，稱為刷狀放電，如圖3-26(b)所示，這時放電通道中的電流密度還不大，仍屬于輝光放電。當電壓超過某一臨界值后，放電的性質(zhì)發(fā)生變化，個別火花細線則會突然迅速伸長，轉(zhuǎn)變?yōu)榉植娴臉渲蠲髁粱鸹ㄍǖ涝诓煌恢蒙辖惶娉霈F(xiàn)，稱為滑閃放電，它是高壓套管沿面放電的一種有放電形式，如圖3-26(c)所示?；W放電通道中的電流密度較大，這時電壓的微小升高就會導致放電火花伸長到另一電極，造成套管的沿面閃絡(luò)。

上述現(xiàn)象可以用圖3-27所示的等效電路加以解釋。圖3-27(b)中，r表示固體介質(zhì)單位面積的表面電阻，而C₀則表示介質(zhì)表面單位面積對導電桿的電容。

圖3-28表示按圖3-27所示等效電路計算的沿介質(zhì)表面的電壓分布。在工頻交流電壓作用下，導電桿與法蘭兩電極之問流過的主要足電容電流，沿著套管表面經(jīng)過r的電流使套管表面的電壓分布不均勻。由于靠近法蘭F處沿介質(zhì)表面的電流密度最大，在該處介質(zhì)表面電阻r上所形成的電位梯度也最大，如圖3-28所示。當這個電位梯度大到足以造成氣體電離的數(shù)值時，該段固體介質(zhì)表面的氣體即發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的帶電粒子，它們在很強的電場垂直分量的作用下，將緊貼固體介質(zhì)表面運動，從而使某些地方發(fā)生局部溫度升高。當局部溫升引起氣體分子的熱電離時，火花通道內(nèi)的帶電粒子劇增，電阻驟減，火花通道頭部的電場強度變大，火花通道迅速向前延伸，即形成所謂滑閃放電。所以，滑閃放電是以氣體分子的熱電離為特征，只發(fā)生在具有強垂直分量的極不均勻電場的情況下。

由滑閃放電引起的套管閃絡(luò)電壓U_f的估算經(jīng)驗公式為

式中：l為極間沿固體介質(zhì)表面的距離，m；d為介質(zhì)厚度，m；ε_r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；k為由實驗確定的系數(shù)。

由式(3-21)可知，增加套管的長度對提高閃絡(luò)電壓的作用很小。這是因為套管長度增加時，通過固體介質(zhì)體積內(nèi)的電容電流和漏導電流將隨之有很快的增加，使沿面電壓分布的不均勻性進一步增強。而增大套管在法蘭附近的直徑，可以有效地減小芯線與表面間的電容，從而提高套管的閃絡(luò)電壓，這就是高壓套管大多采用能有效調(diào)節(jié)徑向和軸向電場分布的電容式結(jié)構(gòu)的原因所在。

固體介質(zhì)的表面電阻(特別是靠近法蘭F處)的適當減小(如涂半導體漆或半導體釉），可使沿面的最大電位梯度降低，以防止滑閃放電的出現(xiàn)，從而使沿面閃絡(luò)電壓得到提高。為了防止套管導電桿與瓷套內(nèi)表面之間存在的氣隙在強電場下的電離，一般應(yīng)在瓷套的內(nèi)壁上噴鋁，以消除氣隙兩側(cè)的電位差，從而防止氣隙中出現(xiàn)放電現(xiàn)象。

不同固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓也不同，如圖3-29所示，這主要取決于固體介質(zhì)的親水性或憎水性。

3.8.2懸式絕緣子串的電壓分布及閃絡(luò)特性

我國35kV及以上的高壓線路大多使用由盤形懸式絕緣子組成的絕緣子串作為線路絕緣。絕緣子串中絕緣子片數(shù)的多少決定線路的絕緣水平。一般35kV線路用3片，110kV用7片，220kV用13片，330KV用19片，500kV用28片，用于耐張桿塔時通常增加1~2片。在機械負荷很大的場合，可用幾串同型號和長度的絕緣子串并聯(lián)使用。

1.電壓分布

懸式絕緣子串在線路上工作時，由于其金屬部分與接地鐵塔或帶電導線間存在電容，使絕緣子上的電壓分布不均勻。為了說明這個問題，可以利用圖3-30的等效電路。圖中C為每片絕緣子自身的電容，為50～75pF；C_E為每片絕緣子的對地(鐵塔)電容，為3～5pF；C_L為每片絕緣子對導線的電容，單導線時為0.3～1.5pF，分裂導線時，C_L增大；R為每片絕緣子的絕緣電阻。在50Hz工頻電壓作用下，干燥絕緣子的絕緣電阻比其容抗約大一個數(shù)量級，故干燥時，R的影響可以略去不計。

如果只考慮C_E的存在，顯然，由于C_E的分流，使靠近導線的絕緣子上承受的電壓大于遠離導線的絕緣子，如圖3-30(a)所示。如果只考慮C_L的存在，其作用正好相反，如圖3-30(b)所示。實際上二者同時存在，各絕緣子上承受的電壓?U如圖3-30(c)所示。顯而易見，在工頻電壓下懸式絕緣子串的電壓分布是不均勻的。實際上由于C_E＞C_L.，絕緣子串中靠近導線的絕緣子上的電壓降最大。

隨著線路電壓的升高和每串絕緣子片數(shù)的增多，電壓分布的不均勻系數(shù)K=?U_max/?U_min將增大，這就使?U_max的絕對數(shù)可能達到相當大。一般盤式絕緣子的起暈電壓(有效值)為22~25kV，一旦絕緣子承受的電壓?U超過此值，就會發(fā)生電暈。電暈會使單片絕緣子的干閃絡(luò)電壓降低25%~35%，濕閃絡(luò)電壓降低40%~47%。所以，單片絕緣子上允許承受的最大電壓主要由避免出現(xiàn)顯著的電暈這一條件所決定。

為了改善絕緣子串的電壓分布，通?？稍诮^緣子串連接導線的一端安裝均壓環(huán)，以加大絕緣子對導線側(cè)的電容C_L?？梢韵胂?，使C_L的值越接近C_E的值，電壓分布將變得越均勻。通常對電壓等級為330kV及以上的線路才考慮使用均壓環(huán)。均壓環(huán)對懸掛導線的金具還起到屏蔽作用，能有效地抑制這些連接金具處電暈的產(chǎn)生。

在工程實際中，類似于懸式絕緣子串電壓分布不均勻的例子還很多。如變電站中的避雷器由多個元件組合而成，為了改善其電壓分布常常也加裝均壓環(huán)。實測一支3.3m高的避雷器絕緣外套的閃絡(luò)電壓為588kV，當頂端裝上直徑為1.5m的圓形均壓環(huán)后閃絡(luò)電壓可提高到834kV，增加約42%，效果十分顯著。工程中還有用加裝適當?shù)牟⒙?lián)阻抗元件的方法強制均壓，或用半導體材料來調(diào)整電壓分布。

2.閃絡(luò)特性

絕緣子的電氣性能通常用閃絡(luò)電壓來衡量。干閃電壓是指表面清潔、干燥的絕緣子的閃絡(luò)電壓，它是反映戶內(nèi)絕緣子絕緣性能的重要參數(shù)。濕閃電壓是指潔凈的絕緣子在淋雨情況下的閃絡(luò)電壓。為了使試驗結(jié)果能夠進行比較，必須規(guī)定一定的淋雨條件。我國國家標準規(guī)定的淋雨條件為：平均淋雨率的垂直分量和水平分量均為1.0～1.5mm/min，淋雨角為45°，人工雨水的電阻率為100±15Ω·m(20℃時)。

為了避免在淋雨情況下整個絕緣子表面都被雨水淋濕，設(shè)計時都將絕緣子的形狀做成傘狀；且為了增大沿面閃絡(luò)距離，在其下表面做成幾個凸起的棱。這樣在淋雨時，只會在絕緣子串的上表面形成一層不均勻的導電水膜，而下表面仍保持干燥狀態(tài)，絕大部分外加電壓將由干燥的表面所承受，因此絕緣子的濕閃電壓將顯著地低于干閃電壓。絕緣子傘裙突出主下直徑的寬度與傘間距離之比通常為1：2，即使傘裙寬度進一步增大，濕閃電壓也不會有顯著提高，因為這種情況下放電已離開瓷表面而在傘邊緣的空氣間隙中發(fā)生。

由于在淋雨狀態(tài)下沿絕緣子串的電壓分布(主要按電導分布)比較均勻，所以絕緣子串的濕閃電壓基本上按絕緣子串的長度呈線性增加。此外，由于干燥情況下絕緣子串電壓分布不均勻，絕緣子串的干閃電壓梯度將隨絕緣子串長度增加而下降。因此，隨著絕緣子串長度的增加，其濕閃電壓將會逐漸接近甚至超過其干閃電壓。

3.8.3 污穢閃絡(luò)的過程

戶外絕緣子常會受到工業(yè)污穢或自然界的鹽堿、粉塵及鳥糞的污染。在干燥情況下，這種污穢塵埃電阻一般都很大，對運行沒有什么大的危害。但當大氣濕度較高，尤其在毛毛雨、霧、露、雪等不利的天氣條件下(大雨會沖洗掉積污)，絕緣子表面污穢塵埃被濕潤，表面電導劇增，使絕緣子在工頻和操作沖擊電壓下的閃絡(luò)電壓大大降低，甚至可以在其工作電壓下發(fā)生絕緣閃絡(luò)，稱為污穢閃絡(luò)(簡稱污閃)。

污閃事故往往造成大面積停電，檢修恢復(fù)時間長，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全運行。污穢閃絡(luò)過程與清潔表面的閃絡(luò)過程有很大不同，下面以常用的懸式絕緣子為例予以分析。

污穢絕緣子被濕潤后，污穢層中的可溶性物質(zhì)便溶解于水分中，成為電解質(zhì)，在絕緣子表面形成一層薄薄的導電膜，使污層的表面電阻大大下降，絕緣子的泄漏電流劇增。如圖3-31 所示，在金屬帽附近，因直徑最小，電流密度最大，發(fā)熱最甚，該處表面被逐漸烘干。由于烘干，使該區(qū)域的表面電阻率大增，迫使原來流經(jīng)該區(qū)域表面的電流轉(zhuǎn)移到與該區(qū)域相并聯(lián)的兩側(cè)濕膜上，使流經(jīng)這些濕膜的電流密度增大，加快了濕膜的烘干過程。如果繼續(xù)發(fā)展下去，在鐵帽周圍便很快會形成一個環(huán)形烘干帶。烘干帶具有很大的電阻，使整個絕緣子上的電壓幾乎都集中到烘干帶上，加上烘干帶本身范圍并不大，所以其電場強度可達到相當大的數(shù)值，以致引起表面的空氣發(fā)生電離，在鐵帽周圍開始電暈放電或局部沿面放電。由于這種局部沿面放電具有不穩(wěn)定且時斷時續(xù)的性質(zhì)，所以也稱之為閃爍放電。于是，大部分泄漏電流經(jīng)閃爍放電的通道流過，很容易使之形成局部電弧。隨后局部電弧處及附近的濕污層被很快烘干，使得干區(qū)擴大，電弧被拉長。若此時電壓尚不足以維持局部電弧的燃燒，局部電弧即熄滅。加之交流電流每一周波都有兩次過零，更促使局部電弧呈現(xiàn)“熄滅一重燃"或“延伸一收縮"的交替變化現(xiàn)象。一圈烘干帶意味著多條并聯(lián)的放電路徑，當一條電弧因拉長而熄滅時，又會在另一條距離較短的旁路上出現(xiàn)，所以就外觀而言，好像電弧在絕緣子的表面上不斷旋轉(zhuǎn)，這樣的過程在霧中可能持續(xù)幾個小時，還不會造成整個絕緣子的沿面閃絡(luò)。絕緣子表面這種不斷延伸發(fā)展的局部電弧現(xiàn)象俗稱爬電。一旦局部電弧達到某一臨界長度時，電弧通道溫度已很高，弧道的進一步伸長就不再需要更高的電壓，而由熱電離予以維持，直到延伸到貫通兩極，完成污穢狀態(tài)下的沿面閃絡(luò)。

由此可見，在污穢閃絡(luò)過程中，局部電弧不斷延伸直至貫通兩極所必需的外加電壓值，只要能維持弧道就夠了，而不必像干凈表面的閃絡(luò)需要很高的電場強度來使空氣發(fā)生激烈的碰撞電離才能出現(xiàn)。這就是為什么有些已經(jīng)通過干閃和濕閃試驗，沿面放電電壓梯度可達每米數(shù)百千伏的戶外絕緣，一旦污穢受潮后，在工作電壓梯度只有每米數(shù)十千伏的情況下卻會發(fā)生污穢閃絡(luò)的原因。

絕緣污穢度不僅與積污量有關(guān)，而且還與污穢的化學成分有關(guān)。通常采用“等值附鹽密度"(簡稱等值鹽密)來表征絕緣子表面的污穢度，它指的是每平方厘米表面上沉積的等效氯化鈉(NaCl)毫克數(shù)。等值的方法是：除鐵腳和鐵帽的黏合水泥面上的污穢外，將所有表面上沉積的污穢收集起來，然后將其溶于300ml的蒸餾水中，測出在20℃水溫時的電導率；再在另一杯20℃、300ml的蒸餾水中加入NaCI，直到其電導率等于污穢溶液的電導率時，所加入的NaCl毫克數(shù)，即為等值鹽量，再除以絕緣子的表面積即可得到等值鹽密(mg/cm²)。我國國家標準(GB/T 26218—2010)將污區(qū)按照污穢嚴重程度分為a、b、c、d、e五個等級，各級對應(yīng)的等值鹽密范圍列于表3-4中。

表3-4                 五級污穢分級的各級等值鹽密范圍

3.8.4防止絕緣子污閃的措施

1.增加爬電比距

污穢等級越重的地區(qū)，需配置的絕緣子中總爬電距離就越大。為了便于對不同參數(shù)的絕緣子進行選取，通常采用“統(tǒng)一爬電比距"這一參數(shù)。統(tǒng)一爬電比距為絕緣子串的爬電距離與絕緣子串承受的最高工作電壓的均方根值之比，單位為mm/kV。各級污區(qū)使用的陶瓷和玻璃絕緣子最小統(tǒng)一爬電比距列于表3-4中。"所謂爬電比距是指絕緣的“相對地"之間的爬電距離(cm)與系統(tǒng)最高工作(線)電壓(kV，有效值)之比。

由于爬電比距值是以大量的實際運行經(jīng)驗為基礎(chǔ)而規(guī)定出來的，所以一般只要遵循規(guī)定的爬電比距值來選擇絕緣子中的總爬距和片數(shù)，即可保證必要的運行可靠性。

2.選用新型的合成絕緣子

合成絕緣子出現(xiàn)于20世紀60年代末期，我國在70年代研制出110kV合成絕緣子，接著又研制成功220kV及500kV交、直流合成絕緣子。圖3-32為合成絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖?？v向玻璃鋼芯是用玻璃纖維束沿其縱向經(jīng)樹指浸潰后通過引拔模加熱固化而成，具有很高的抗拉、抗磨強度。其傘裙和護套是由硅橡膠材料一次注塑而成，具有很高的電氣強度、很強的增水性和很好的耐電弧性能。由于其憎水性強，所以其耐污性能好，已成為抗污穢絕緣子的產(chǎn)品，此外，合成絕緣子的質(zhì)量僅為同等級瓷絕緣子的1/10，所以又稱為輕型絕緣子，目前合成絕緣子已得到了廣泛的應(yīng)用

3.清洗

定期對絕緣子進行清掃，或采取帶電水沖洗的方法清洗。

4.涂覆防污涂料

在絕緣子表而涂憎水性的防污涂料，如有機硅脂、地蠟涂料和室溫硫化硅橡膠等，使絕緣子表面不易形成連續(xù)的水膜。

5.采用半導體釉絕緣子

半導體釉層的表面電阻率為10⁶～10⁸Ω·m，在運行中因通過電流而發(fā)熱，使表面保持干燥，同時使表面電壓分布較為均勻，從而能保持較高的閃絡(luò)電壓。

6.增大爬電距離

加強絕緣(如增加絕緣子片數(shù))或使用大爬電距離的所謂防污絕緣子。在增加絕緣子片數(shù)時會增加整個絕緣子串長度，從而減小了風偏時的空氣間距，為此可采用V形串來固定導線。

小 結(jié)

(1)氣體介質(zhì)的擊穿特性不僅與電場形式有關(guān)，而且與所加電壓的類型有關(guān)。均勻電場氣隙的擊穿電壓高于不均勻電場中相同氣隙的擊穿電壓。氣隙的沖擊擊穿電壓高于其靜態(tài)擊穿電壓。

(2)均勻電場中氣隙的擊穿電壓穩(wěn)定，既不存在極性效應(yīng)，又不存在電暈現(xiàn)象。球間隙當滿足d/D≤0.5時，可視為稍不均勻電場，其擊穿特性與均勻電場相似。極不均勻電場的棒一板間隙的擊穿具有明顯的極性效應(yīng)。不均勻電場長間隙的擊穿電壓隨間隙距離的增大存在“飽和"現(xiàn)象。

(3)標準雷電沖擊電壓的波形參數(shù)為T₁/T₂=±1.2/50μs。

(4)雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性與電壓作用時間有關(guān)。氣隙的沖擊擊穿電壓通常用U_50%表示。描述氣隙沖擊擊穿電壓與擊穿時間的關(guān)系通常用的是伏秒特性。均勻電場氣隙的伏秒特性曲線比較平坦，而不均勻電場氣隙的伏秒特性曲線比較陡峭。在絕緣配合中必須考慮保護設(shè)備與被保護設(shè)備之間伏秒特性的配合。

(5)操作沖擊電壓下氣隙的擊穿存在臨界波頭時間；極不均勻電場長間隙的操作沖擊擊穿特性具有顯著的“飽和"效應(yīng)。

(6)大氣條件對氣隙擊穿電壓的影響可以通過校正公式統(tǒng)一換算到標準大氣條件下氣隙的擊穿電壓來反映，以便對不同大氣條件下氣隙的擊穿電壓作出一致性評價。

(7)SF₆氣體以其具有強烈的吸附效應(yīng)而成為高電氣強度氣體。SF₆氣體的優(yōu)良絕緣性能只有在比較均勻的電場中才能得到充分發(fā)揮。SF₆氣隙的極性效應(yīng)與空氣相同。

(8)電暈放電是一種局部放電。減少輸電線路電暈的有效途徑是增大導線間距和增大導線半徑，后者通常是通過采用分裂導線的方法來達到。

(9)固體介質(zhì)的沿面閃絡(luò)電壓低于相同距離的氣隙的擊穿電壓。高壓套管的沿面閃絡(luò)常常是由“滑閃放電"引起。防止滑閃放電的有效方法不是增加套管的長度，而是增大套管在法蘭附近的直徑。

(10)懸式絕緣子串由于桿塔及導線之間雜散電容的影響，使得在工頻交流電壓作用下沿絕緣子串的電壓分布不均勻，呈U形分布曲線?？拷鼘Ь€的絕緣子承受的電壓最高。

(11)絕緣子的閃絡(luò)電壓區(qū)分為干閃電壓、濕閃電壓和污閃電壓，通常U_干＞U_濕＞U_污 。

(12)污閃具有與干閃不同的過程和機理。污閃不僅與積污量有關(guān)，而且與污穢的化學成分及氣候條件有關(guān)。