影响气体中气固绝缘特性的因素

绝缘子沿面闪络进程可分为闪络的起始、闪络的步进发展和最终闪络三个阶段。在闪络的起始阶段，由于绝缘子表面缺陷、金属微粒附着、气体-金属-绝缘子三重连接点处的局部电场集中、绝缘子与金属电极间存在小气隙等原因，会引起绝缘子表面在气体侧的微观放电。放电产生的大量带电粒子在电场的作用下漂移到绝缘子表面，引起绝缘子表面电荷积聚，这些表面电荷对于绝缘子表面的闪络起始是有影响的。

GIS中有局部放电及固体绝缘子与气体界面上电场存在法向分量时，都会造成绝缘子表面电荷积聚。特别是GIS中不可避免存在的各种金属微粒在电场作用下运动并附着于绝缘子表面，导致大量表面电荷的形成，改变了表面电场分布并大大降低沿面闪络电压。影响沿面放电的因素有很多，如绝缘材料的性能、电极的形状及布置、工作的环境、所加电压的种类等。气固交界处发生沿面放电主要是由于绝缘子表面的电场集中引起的，沿面放电的发展进程与绝缘子的切向场强有关。由于绝缘子表面积聚电荷引起局部电场增强，从而进一步影响表面放电的发展。

气压对气固绝缘特性有影响。对实际中所用的环氧树脂的支撑绝缘子所进行的研究结果表明，沿面闪络电压并不随气压正比例增加。由固体 气体绝缘组合的复合绝缘与单独气体绝缘相比，其绝缘强度随气体增加而增加得较少。它有这样的规律，在较高气压下的绝缘强度受绝缘子的影响比受气体的影响要大得多；而在低气压下，绝缘强度受绝缘子的影响较小。这表明，在低气压下，闪络路径更多地在气体中进行。支撑绝缘子侧面表面上的缺陷及存在的尘埃和水汽都会引起闪络电压明显下降，气压增加会使下降的程度增加。

嵌件间隙对气固绝缘特性有影响。绝缘件两端有电极，电极有可能直接被浇注在绝缘件上，更多的是在绝缘件两端浇注金属嵌件，通过嵌件再与电极相连。电极或嵌件与绝缘件接触部位，可能由于尺寸配合关系，或两种材料热膨胀系数不同，或浇注工艺控制不当都可能出现间隙（或空穴），如图4-12中的试件B。间隙中进入SF6、空气（也可能是真空），形成介电常数比固体绝缘材料小的气隙，导致气隙中电场强度增高，降低了电晕起始电压，随电晕的发展，闪络电压也下降。从图4-12还可看出，嵌件间隙的存在，提高SF6气压对提高闪络电压的效果也降低了（随间隙的出现和间隙占值的增大，曲线斜率渐低，且有饱和趋势）。消除气隙的措施主要有两种：①电极形状尺寸设计合理，保证在两种材料接触处不存在间隙；②在嵌件外表面涂一层半导电液体橡胶，利用其弹性来避免在接触处因热胀冷缩而出现空穴。

绝缘件表面浇注质量对气 固绝缘特性有影响。绝缘件表面状况的缺陷一是表面粗糙度，二是气孔。环氧树脂浇注件的模具表面是很光洁的，因此绝缘件表面粗糙度不可能出现影响表面闪络电压的严重缺陷。绝缘件制造者和使用者所关心的是表面气孔，气孔的存在不仅会使绝缘件表面局部场强增大，而且会藏污纳垢，破坏表面清洁度，诱导碰撞游离，形成局部放电而发展成沿面闪络。绝缘件表面浇注缺陷如果存在于电极附近，其降低闪络电压的影响最大；存在于其他承受高电压的部位时，其影响较小；存在于屏蔽罩内和其他不承受高压的部位时，无影响。

图4-12 嵌件间隙、SF6气压对绝缘件沿面工频闪络电压的影响

表面污染及水分对气固绝缘特性有影响。绝缘件表面装配时附着污物油迹，运行时附着金属粉粒都会使沿面闪络电压显著下降，严重污染时可下降50%左右，如果导电粉粒或金属线条、电镀层沿绝缘件电场方向分布成线，其对沿面绝缘的破坏作用更严重。SF6被电弧分解出的SF4，将和含Si O2填充剂的绝缘材料产生化学反应，使Si O2变成粉状的Si F4；如果SF6中有水分，SF4与水反应生成腐蚀性更强的HF，HF与Si O2反应不仅强烈地侵蚀了绝缘材料，而且又析出水分，形成一个“酸—腐蚀—水”的恶性循环。

由于GIS大多安置在户外，长期受到日晒雨淋，夏季温升增高，冬季冰雪严寒；对GIS绝缘性能造成一定影响，所以研究SF6气体在气温、湿度变化下气体沿面闪络电压的变化，对于了解绝缘子沿面放电特性，降低GIS沿面闪络事故，保证GIS绝缘性能具有重要意义。

从图4-13中可以看出，在温度极低时，绝缘子表面挂水已凝结成冰，气体的闪络电压与干燥情况下相同，与绝缘子所处湿度无关；但随着温度的升高，冰凌开始融化，气体闪络电压开始降低，湿度越大，闪络电压降低也越严重；随着温度的进一步升高，当温度到达0℃以上，随着水分的蒸发，气体沿面闪络电压开始升高。并且，我们可以对比图（a）和图（b），也可以清楚地看出，气体沿面闪络电压增长会更加迅速。

图4-13 不同湿度下SF6闪络电压随温度的变化曲线

（a）交流电压随温度的变化曲线；（b）冲击电压随温度的变化曲线

导电微粒对气固绝缘特性有影响。充SF6气体的同轴电极系统的支撑绝缘子的闪络特性常常由于绝缘子表面上存在导电微粒而下降。在高气压下，微粒的影响会更大。微粒陷阱和覆盖层等方式是减小微粒影响的有效方法。通过改善支撑绝缘子设计（即选择较低的介电常数和合适的绝缘子形状）亦可减小微粒的影响，而且更为经济。减小绝缘子的介电系数不仅对不带导电微粒的绝缘子闪络特性有利，而且对带导电微粒的绝缘子闪络特性的改善效果亦很明显。

表面电荷对沿面放电起始有影响。图4-14为气-固交界面处电场示意简图。其中ε0、εd分别是气体及绝缘子的介电常数；γ0、γd分别是气体及绝缘子的电导率；假定L是电极系统中与绝缘子表面相交于P1点的任意一条电力线。通过分析可知当绝缘子沿面放电起始时，气体 金属 绝缘子三重连接点的气体侧出现电场集中，引起局部放电，使绝缘子表面积聚大量电荷。

图4-14 气固交界面处的电场示意图

表面电荷的积聚可分为三个阶段：

（1）气体侧有一定的微弱放电，但不强烈。由于电压作用时间较短，因此微观放电产生的正电荷来不及在外界电场的作用下运动到绝缘子的整个表面被绝缘子所吸附，因此在绝缘子局部区域产生了少量的负电荷。

（2）随着电压作用时间的增加，正电荷逐渐增多。正电荷产生的电场削弱了上电极气体金属绝缘子三重连接点处的电场，使负电荷减少。

（3）电压持续作用，负电荷逐渐增加，并扩散到绝缘子表面的大部分区域。

逐渐增加的负电荷增强了上电极气体 金属 绝缘子三重连接点处的电场，使已减弱的微放电又重新增强，绝缘子表面的正电荷又逐渐增加，回到（1），开始了新的循环。

由此可知，绝缘子表面电荷可以使绝缘子沿面放电的起始电压降低，使得有效初始电子的产生概率增加。

绝缘子沿面放电与初始电子崩的形成有很大关系，而初始电子崩的形成过程可通过对预放电电流的测量进行研究分析。有表面电荷积聚时，其产生的电场会影响电晕内部正负电荷的分离速度，并且该电场会影响空间电荷束末端的电场，进而影响下一步放电的发展。尖端电极产生的电荷主要分布在电极与对面电极之间连线的附近。当尖端电极与对面电极之间连线上的电荷极性与外施电压的极性相反时，表面电荷产生的电场与外施电压产生的电场方向相同，空间电荷束末端电场增大，绝缘子沿面放电由流注向先导的转变速度变快，其闪络电压降低。反之，空间电荷束末端电场减小，由流注向先导的转变速度减慢，闪络电压增加。