绝缘气体的固有特性

对于使用气体绝缘的高压电气设备，气体所具备的固有特性必不可缺。气体的固有特性是指从气体原子或分子物理结构而言，气体所呈现的内在性质。这些性质独立于气体所处的环境，不受气体应用范围的影响。

1）基本的物理特性

气体电介质的理想特性之一就是高绝缘强度。高绝缘强度气体是因为在气体中呈现静电应力，从而减少气体中电子的数量。为有效降低电子数密度，要求气体具备如下特性：

（1）气体具有电负性（在尽可能宽的能级范围内，通过附着去除电子）。因为电子有宽广的能级，在许多应用中，气体温度高于周围环境温度，所以，随着电子能级和气体温度的升高，气体更容易增加电子附着数量。

（2）具有良好减缓电子速度的特性（降低电子速度，以便在较低的能级捕获电子，通过电子碰撞电离来阻止产生更多的电子）。

（3）具有较小的电离横截面和较高的电离起始值（通过电子碰撞来防止电离）。

这些参数中，电子附着系数尤为重要。表1-1提供了不同气体介质决定的绝缘强度中具有代表性的数据。很明显，表1-1中，有些气体的绝缘强度超过SF6气体。尽管这些气体呈现电负性，由于其他特性不理想，故在实际设计的系统中很少用作绝缘气体。

表1-1 一些绝缘气体在直流均匀电场下的相对击穿强度

一些与气体绝缘强度相关的物理特性，如电子碰撞、电子附着、电离和扩散，对于表征气体的绝缘性能非常重要。高绝缘强度气体介质最关键的特性是在宽广的电子能级范围内有较大的电子附着横截面。第二个最重要的特性是在较低的电子能级下，气体具有较大的扩散横截面来减缓电子运动速度，以有效捕获电子，所以在电子和气体介质分子碰撞过程中，能够阻止产生更多的电子。

此外，气体绝缘特性可能在负离子分离的电子运动中受到阻碍，因为触发气体击穿的电子源来自电子分离。形成的负离子要尽可能稳定（负离子是通过电子附着形成的）。从负离子分离的电子是经过一系列过程后产生的，电子最初发生的过程是自动分离、碰撞分离和光电分离，特别是产生电子较前的过程是关于气体温度的函数。

对气体介质绝缘固有特性进行量化的物理量包括：电子附着横截面，电子扩散横截面，电子碰撞电离横截面，电子分解横截面（光电分解、碰撞分解、分子电解反应及相关的聚类过程），电子附着系数，电离系数，有效电离系数及迁移系数。

实际上，除了上述特性外，其他基本物理量对于完全表征气体介质特性也必不可少。这些物理量包括：二次电离过程（如通过电离和光子碰撞，电子从表面发射），光电离辐射吸收（在非均匀电场中，这是气体放电发展的控制系数），在电子碰撞作用下的气体分子分解，分子电离反应。

2）基本的化学特性

绝缘气体必须具备以下化学性能：较高的蒸气压；高热传导率，以利于气体冷却；温度超过400K时，气体能够长期保持热稳定性。

对于导电和绝缘材料而言，气体化学性质稳定且不活泼，不易燃烧，无毒并且不易爆炸。当使用混合绝缘气体时，必须具有合适的热力学特性（包括混合气体的成分、均匀性）。

3）绝缘气体外部特性

绝缘气体外部特性是指如何表征气体与周围环境的作用，或者气体对于外部影响的反应。例如，气体绝缘电击穿和气体放电，不会产生较多的分解物，不产生聚合物，气体具有非腐蚀性，且不会同金属、固体绝缘材料和垫圈发生化学反应，尤其是对灭弧而言，气体具有较高的复合率。最后，气体必须是对环境友好，如气体不会影响全球变暖、不会破坏大气臭氧层、在大气中存在的生命周期短。

4）气体放电和击穿特性

具体的气体放电和击穿特性包括：在均匀电场和非均匀电场中，气体具有较高的击穿电压，气体特性不受电极表面粗糙度或缺陷影响，导电颗粒能够自由移动。

在实际工作条件下，气体应具有良好的绝缘和灭弧性能，良好的绝缘闪络特性，良好的传热性能，良好的自恢复性能，且气体不会同杂质和潮湿空气发生不利化学反应，同时气体放电的分解产物无毒性等内容也是必须关注的。