高电压技术3.5 SF6气体间隙中的击穿

稍不均匀电场中SF6气体的冲击系数很小，雷电波时冲击系数约 为1.25，操作波时约为1.051.11。所以GIS等气体绝缘设备的绝缘尺 寸是由雷电冲击试验电压决定的。
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稍不均匀电场中的极性效应。 一般情况下负极性击穿电压比 正极性低10％左右。 GIS或充气管道电缆的转角处的 电极结构与同心球的情况相近 ，这种情况下的击穿强度可参
球-板间隙中SF6气体击穿电压与气压的关系 考球-板间隙击穿的数据。 实线为正极性，虚线为负极性 1-d=20mm，2-d=15mm，3-d=10mm，4-d=7.5mm， 5-d=5mm，6-d=3mm，7-d=2mm，8-d=1mm，
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3.5.2 极不均匀电场中的击穿
SF6气体在极不均匀电场中击穿有两个异常现象。 一是：在极不均匀电场中，随气压升高击穿
SF6气体的化学稳定性很好，因此已广泛用于高压断路、GIS、充气管 道电缆等，近年来气体绝缘的电力变压器和充SF6气体的开关柜也发展很 快。
与空气绝缘相比， SF6气体绝缘可使电气设备减小占地面积和体积， 例如500kV GIS的体积只有敞开式配电装置的1/50左右。另一方面，SF6气 体绝缘与变压器油相比则具有防火、防爆的优点。
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快速暂态过电压下发生的绝缘事故，曾使人们认为SF6气体在 VFTO波形下绝缘强度可能特别低，但研究表明事实并非如此。
目前对幅值并不高的VFTO作用下的事故有两种解释：
一种观点认为，当操作隔离开关引起触头间发生放电时，由于击 穿通道具有分枝，使放电通道与外壳间电场分布发生畸变，因而在 随后出现的过电压作用下引起触头间击穿通道与外壳之间发生击穿。 另一种观点认为，VFTO引起击穿是因为电极表面有缺陷的缘故。 当电极表面完好时，GIS具有典型的稍不均匀电场间隙的伏-秒特 性，即冲击波的波前越陡或波前时间越短，则击穿电压越高，且负 极性的击穿电压略低于正极性时，当电极表面有针状突起物时，电 场分布已变为极不均匀，因而出现异常击穿现象。 即冲击波的波前时间越短，电晕稳定化作用越差，因而击穿电压 越低，所以在VFTO作用下有可能发生击穿事故。在有针状突起物时， 击穿的极性效应与电极完好时相反，正极性的击穿电压比负极性时 低得多。
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小 结
1 电场的不均匀程度对SF6电气强度的影响远比对空气的大. 2 极不均匀场中SF6气体击穿的两个异常现象。 3 影响SF6气体击穿场强的因素：电极表面的缺陷、导电微粒、 固体介质。 4 快速暂态过电压的击穿。
这一气压<空气中偏离巴申曲线的气压。
平行板电极中SF6气体击穿时 E/p值与pd值关系
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对于每一间隙距离d，击穿电压先随 pd值按巴申曲线增大，但当p增大至约
0.2MPa时就开始偏离巴申曲线。间隙d越
大，则偏离巴申曲线的pd值越大。 偏离巴申曲线的现象与电极表面状
态有关，如电极表面粗糙度极小且气体极
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3.5.1 均匀和稍不均匀电场中的击穿
强电负性气体在均匀电场中的自持放电条件为(-)d=K。研究表明， SF6气体的K=10.5，且其(-)可用下式表示:
(-)/p =c[E/p- (E/p)0] 式中c=28(kV)-1;(E/p)0=88.5kV/(mm Pa)
击穿电压Ub的表达式为：
《高电压工程基础》
华南理工大学电力学院 郝艳捧
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3.5 SF6气体间隙的击穿
3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 均匀和稍不均匀电场中的击穿 极不均匀电场中的击穿 影响击穿场强的因素 快速暂态过电压下的击穿
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概述
SF6是理想的气体绝缘介质和灭弧介质，在均匀电场中SF6气体的绝缘 强度约为空气的2.5倍，其灭弧能力则为空气的100倍。 SF6的液化温度较低，可以满足工程应用条件，例如充气压力为 0.75Mpa时液化温度不高于-25，充气压力为0.45MPa时液化温度不高于40。
Ub= (E/ p)0pd+K/c 工程应用中pd>1MPa mm，此时可写为; Ub= (E/ p)0pd=88.5pd
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SF6气压不高时，其击穿服从巴申定律。
当pd不是太小时，Eb/p=(E/p)0=88.5 kV/(mm Pa)。 当pd很小时， Eb/p>(E/p)0 SF6气体，一般当p>0.2MPa时，出现击 穿偏离巴申曲线的现象，
为洁净，则偏离巴申曲线的气压要高。
SF6气体在气压较高时 偏离巴申曲线的情况
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SF6设备中经常遇到的是稍不均匀电场间隙，如同轴圆柱电极。
同轴圆柱电极中SF6气体的击穿场强与气压的关系曲线
在工程应用的情况下， SF6气体的击穿场强与气压p不成正比关 系，即击穿场强的增大比气压增加的程度要小一些。
电压并不总是增大，出现驼峰。
驼峰曲线在压缩空气中也会出现，但
空气中一般在1MPa左右，而SF6气体则出现 在0.1~0.2Mpa的范围，在气体绝缘设备正常
工作气压范围内，需要特别注意。
棒端曲率半径越小，即电场越不均匀 时，驼峰现象越明显。
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二是：在出现击穿驼峰的气 压范围内，雷电冲击击穿电
压明显低于稳态击穿电压。
雷电过电压冲击系数可低到 0.6左右，这种异常击穿现象 在空气中未见过有报道。
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极不均匀电场间隙中SF6气体击穿出现异常现象的原因是很复杂的，已 有的研究结果只能说明异常现象与间隙中空间电荷的运动有关。
出现击穿驼峰前，尖电极处的电晕具有辉光放电形式；这种情况下电晕 空间电荷对尖电极有很好的屏蔽作用。 当气压升高到击穿驼峰区，实验观察到除稳定电晕外还有一些明亮的线 状放电。这种线状放电形式与长间隙放电时记录到的相似，因而被称为先导 放电。驼峰区由于稳定电晕和先导放电同时存在，因此电晕仍对击穿起一定 稳定化作用。 气压进一步升高时，空间电荷不易扩散到最佳位置，因此对尖电极的屏 蔽作用大大削弱。如外施电压是雷电冲击波，则由于电晕空间电荷来不及移 动到稳态电压作用时的位置，因而电晕对击穿的稳定化作用很弱，在驼峰区 气压范围内冲击击穿电压几乎完全由先导放电所决定，所以冲击击穿电压明 显低于稳态击穿电压。
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面积效应：除表面粗糙度外， 电极表面还有其他零星的随机 缺陷，这类缺陷出现的概率与 电极表面积有关，电极表面积 越大，击穿场强越低。
电极表面越光滑和气压越高，面积效应越显著。
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2.导电微粒的影响
固定导电微粒和自由导电微粒 固定导电微粒与电极表面缺陷的影响相似。线状微粒-稍不均匀电场极不均匀电场。 法拉第笼-消除自由微粒 “老练”-固定微粒
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3.5.3 影响击穿场强的因素
（1）电极表面缺陷的影响
（2）导电微粒的影响
（3）固体介质的影响
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1.电极表面缺陷的影响
与间隙宏观的电场不均匀程度有
关。也与电极表面缺陷引起的微 观电场不均匀度十分敏感。
电极表面粗糙度系数：实际击穿
场强与理论击穿场强的比值。
电极表面粗糙度系数 与电极表面粗糙度R的关系
3.固体介质的影响
沿面放电。
线状自由导电微粒 击穿电压与气压的关系
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3.5.4 快速暂态过电压下的击穿
GIS中开关操作会产生快速暂态过电压（VFTO）可能导致GIS和临近 设备的绝缘事故。VFTO有以下特点： （1）波前很陡，其上升时间常在5-20ns范围。这一特点是由于SF6 气体击穿特性决定的，因为压缩的强电负性气体的击穿场强很高， 所以击穿瞬间气体间隙由绝缘状态向导通状态的跃迁时间极短， 形成极陡的波前。 （2）由高频电压分量，这是因为GIS的尺寸较常规的敞开式配电装 置小得多，因而过电压行波在GIS中折、反射所需的时间很短， 一般情况下振荡频率在0.1-10MHz范围内。 （3）幅值通常并不高，其值与开关触头间电弧重燃特性有关，也与 被开断母线上残余电荷产生的电压值有关。现场实测和模拟试验 表明，其幅值很少超过最大相电压的2倍。