提高气体间隙绝缘强度的方法

在高压电气设备中经常遇到气体绝缘间隙，总希望能采用尽量小的间隙距离，以减小设备的尺寸。为此需要采取措施，以提高气体间隙的绝缘强度。从上一节分析气体间隙绝缘强度的各种因素可得，提高气体间隙绝缘强度的方法不外乎两个途径：一个是改善电场分布，使之尽量均匀；另一个是利用其他方法来削弱气体间隙中的游离过程。以下对这两类措施做简单的介绍。

（一）改善电场分布的措施

由前述可知，均匀电场和稍不均匀电场中气体间隙的平均击穿场强比不均匀电场中气体间隙的要高得多。电场分布越均匀，则间隙的平均击穿场强也越高，因此改善电场分布可以有效地提高间隙的击穿电压。改善间隙的电场分布可以采用如下几种办法：

1.改变电极形状

用改变电极形状、增大电极曲率半径的方法来改善间隙中的电场分布，以提高其击穿电压。同时电极表面及其边缘尽量避免毛刺及棱角等，以消除局部电场的增强。近年来随着电场数值计算的应用，在设计电极时常使其具有最佳外形，以提高间隙的击穿电压。

有些绝缘结构无法实现均匀电场，但为了避免在工作电压下出现强烈的电晕放电，也必须增大电极曲率半径，以降低局部场强。高压试验变压器套管端部加屏蔽罩就是一例。

2.利用空间电荷对电场的畸变作用

在不均匀电场中，在远低于间隙的击穿电压时就已发生电晕放电。在一定的条件下，可利用电晕电极所产生的空间电荷来改善不均匀电场中的电场分布，从而提高间隙的击穿电压（即所谓细线效应，可参阅相关资料）。但应指出，细线效应只存在于一定的间隙距离范围内，当间隙距离超过一定数值时，电晕放电将产生刷状放电，从而破坏比较均匀的电晕层，使击穿电压与棒-板或棒-棒间隙的击穿电压相近。此种提高击穿电压的方法仅在持续电压作用下有效，在雷电冲击电压作用下并不适用。

3.不均匀电场中屏障的采用

在不均匀电场的棒-板间隙中，放入薄层固体绝缘材料（如纸或纸板等），在一定条件下，可显著提高间隙的击穿电压。所采用的薄层固体材料称为极屏障，也叫屏障。因屏障极薄，屏障本身的耐电强度无多大意义，而主要是屏障阻止了空间电荷的运动，造成空间电荷改变电场分布，从而使击穿电压提高。

屏障的作用与电压类型及极性有关。当屏障置于正棒-负板之间，如图1.37 （a）所示，在间隙中加入屏障后，屏障机械地阻止了正离子的运动，使正离子聚集在屏障向着棒的一面，且由于同性电荷相互排斥，使其均匀地分布在屏障上。这些正空间电荷削弱了棒极与屏障之间的电场，从而提高了其间的绝缘强度。屏障与负板极之间的电场接近于均匀，均匀电场的击穿场强最大，因而也提高了其间隙的击穿电压，这样就使整个气体间隙的击穿电压提高了。

带有屏障的正棒-负板间隙的击穿电压与屏障的位置有关，在直流电压下，两者的关系曲线如图1.37 （ c）中的虚线所示。屏障离棒极距离越近，均匀电场所占部分越大，击穿电压就越高；当屏障离棒极太近时， 由于空间电荷不能均匀地分布在屏障上，屏障提高击穿电压的作用也就不显著；当屏障与棒极之间的距离约等于间隙距离的15%～20%时，间隙的击穿电压提高得最多，可达无屏障时的2～3倍。

当棒极为负极性时，如图1.37 （b ）所示，电子形成负离子积聚在屏障上，同样在屏障与板极间会形成较均匀的电场，原则上与棒为正极时屏障的作用相同。但当屏障离棒极距离较远时，负极性棒极与屏障间的正空间电荷加强了棒极前面的电场，使棒对屏障之间首先发生击穿，从而导致整个间隙的击穿，使整个间隙的击穿电压反而下降。如图1.37 （ c）中的实线所示。

在工频电压作用下，由于棒为正极时的击穿电压比棒为负极时的击穿电压低得多，故棒-板间隙的击穿总是发生在棒为正极时的半波波尾处。显然，在间隙中加入屏障的作用也与直流电压作用下棒为正极时加入屏障的作用相同。

图1.37　在直流电压下极间屏障位置对间隙击穿电压的影响

虚线为正棒-负板；实线为负棒-正板

在冲击电压作用下，正极性棒对屏障的作用约与持续电压作用下一样；负极性棒对屏障基本上不起作用，这说明屏障对负极性棒的流注的发展过程没有多大影响。

屏障应有一定的机械强度才能起到机械地阻止带电离子运动的作用，但不能太厚，太厚时，同体介质的介电常数ε较大，将引起屏障间的电场强度增加。

（二）削弱游离过程的措施

由前述可知，提高气压可以减小电子的平均自由行程，从而削弱气体中的游离过程。此外，强电负性气体的电子附着过程也会大大削弱碰撞游离过程。采用高真空使电子的平均自由行程远大于间隙距离，因而使极间碰撞游离几乎不可能发生，这是提高气体间隙击穿电压的一种途径。以上几种措施都已在工程上得到了广泛的应用。

1.高气压的采用

由巴申定律知道，提高气体压力可以提高间隙的击穿电压。这是因为气体压力提高后，气体的密度加大，减少了电子的平均自由行程，从而削弱了碰撞游离过程的缘故。某些电气设备（如高压空气断路器和高压标准电容器等）采用压缩空气作为内绝缘。可提高间隙的击穿电压，同时可以减少设备的尺寸。

在均匀电场中，压缩空气气压在10×101.3kPa以下时，隙击穿电压随气压的增加而呈线性增加，但继续增加气压到一定值时，逐渐呈现饱和。不均匀电场中气压提高后，也可提高间隙的击穿电压，但程度不如均匀电场显著。

2.强电负性气体的应用

六氟化硫（SF6）和氟利昂气体属强电负性气体，它们是具有高分子量的含有卤族元素的化合物。在常压下，其绝缘性能约为空气的2.5倍，提高压力，可得到相当于（甚至高于）一般液体或固体绝缘的绝缘强度，采用这些气体代替空气可大大提高间隙的击穿电压。间隙中充以空气与这类气体的混合气体时，也可提高间隙的击穿电压，故将此类气体称为高绝缘强度气体。

这些气体具有高绝缘强度的原因是它们具有很强的电负性，容易吸附电子成为负离子从而削弱了游离过程，同时加强了复合过程。另外，它们的分子量和分子直径比较大，使得电子在其中的平均自由行程缩短。

SF6气体除了具有优良的电气性能外，还是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃的不活泼气体，化学性能非常稳定，对金属及绝缘材料无腐蚀作用，液化温度较低。SF6具有优良的灭弧性能，它的灭弧能力是空气的100倍，故极适用于高压断路器中。近年来SF6已不仅用于单台电气设备，而且还广泛应用于各种组合电气设备中，这些组合设备具有很多优点，可大大节约占地面积，简化运行维护等。

SF6气体本身是无毒的，但其中某些杂质在水分和电弧作用下可以分解出有毒的或有腐蚀性的物质，通常可用适当的吸附剂来消除或减小这个不良后果；另外，当SF6与固体绝缘材料组成组合绝缘时，因其介电系数较小（近似于1），绝缘之间的电压分布比较差，故SF6气体虽然具有很高的绝缘强度，但却呈现出较为复杂的绝缘特性，尤其是对不均匀电场的绝缘，使用时必须予以特别注意。

3.真空的采用

当在气体间隙中压力很低（接近真空）时击穿电压迅速提高，因为此时电子的平均自由行程已增大到在极间空间很难产生碰撞游离的程度，但真空间隙在一定电压下仍然会发生放电现象，这是由不同于电子碰撞游离的其他过程决定的。实验证明，放电时真空中仍有一定的粒子流存在，这被认为是：

（1）强电场下由阴极发射的电子自由飞过间隙，积累起足够的能量撞击阳极，使阳极物质质点受热蒸发或直接引起正离子发射。

（2）正离子运动至阴极，使阴极产生二次电子发射，如此循环进行，放电便得到维持。

（3）电极或器壁吸附的气体在真空时释放出来，也会造成微弱的空间游离。

真空绝缘被用于各种高电压真空器件，如真空电容器、真空避雷器和真空断路器等。