极性对击穿电压的影响

在SF6均匀电场中，因两电极电场分布完全对称而无极性效应，即施加正极性或负极性电压时其击穿电压相同。

图4-20 不同电场不均匀度时工频和冲击击穿电压随气压变化曲线

在不均匀和极不均匀电场中，负极性击穿电压高于正极性。

在我们所关注的稍不均匀电场中，负极性击穿电压一般低于正极性击穿电压，如图4-21所示，因此SF6电器中冲击绝缘水平通常都决定于负极性实验电压值。

图4-21 稍不均匀电场的极性效应(1.5/40μs冲击波)

图4-22 极性效应与空间电荷的运动

放电间隙空间电荷的运动造成了SF6放电的极性效应，如图4-22所示。当上电极为负极性、上球表面附近电场达到一定值时，上球最低点附近空间最先电离，电子将远离上电极向下运动，运动过程中将使间隙的SF6气体游离放出电子；而上电极附近留下来的空间正电荷在上球表面产生更高的电位梯度，导致上球表面发射更多的电子，从而加速了间隙的游离，降低了负极性击穿电压。当上球为正极性时，最先游离的电子直接进入上电极，不会进入球隙空间去诱发空间SF6释放电子；而上球附近留下的正电荷也只能进一步削弱正极性上电极附近的电场，抑制上球发射电子，而使间隙的游离比负极性时小，因此正极性击穿电压高于负极性。

再如，采用同轴圆柱电极进行SF6稍不均匀场放电实验。选择参数内圆直径d=60mm，外圆直径D=163mm，柱高L=320mm的同轴圆柱实验电极，不均匀度为f=1.72，实验时先将气体压力充至0.1MPa，然后进行负极性直流击穿电压实验，重复5次，对于击穿电压离散性较大的击穿点，重复5～10次；同一气压下负极性击穿电压实验完毕后再进行正极性击穿电压实验。分别在0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa的气体压力下进行正负极性的直流击穿电压实验，实验所得的正、负极性直流击穿电压值与理论击穿电压值如图4-23所示，理论击穿电压值为同轴圆柱电极基于经典流注放电理论的推导值。

图4-23 击穿电压随气体压力的关系曲线

由图4-23可以看出：在0.1～0.5MPa的气体压力范围，正负极性击穿电压随着气体压力的增大而增大，且在0.4MPa后开始出现饱和趋势；负极性直流击穿电压在气体压力大于0.1MPa时开始偏离理论击穿电压值；正极性直流击穿电压在气体压力大于0.2MPa时开始偏离理论击穿电压值；在气体压力大于0.1MPa时具有明显的极性效应；在0.4～0.5MPa气体压力范围内，负极性击穿电压值（平均值）约为正极性击穿电压值（平均值）的70%～80%，为理论击穿电压值的50%。

对于同轴圆柱这种典型的稍不均匀电场，负极性击穿电压明显低于正极性击穿电压的原因是放电间隙中空间电荷运动造成的，类似于球球稍不均匀电极不同极性直流电压下空间电荷的运动规律，同轴圆柱电极直流电压下空间电荷运动如图4-24所示。

图4-24 同轴圆柱电极直流极性效应和空间电荷移动

当中间导体电极为负极性时，其表面附近电场达到一定值时，中间导体表面附近空间最先电离，电子将远离中间导体向外壳电极附近运动，运动过程中将使间隙的SF6气体电离释放出电子，而中间导体电极附近留下来的空间电荷将加强中间导体表面的电场，导致发射更多的电子，加速了间隙的电离速度，从而降低了负极性击穿电压。当中间导体电极为正极性时，最先电离的电子直接进入中间导体电极，不会进入间隙空间去诱发空间中SF6释放电子；而中间导体附近留下的正电荷也只能进一步削弱正极性上球附近的电场，抑制上球发射电子，使间隙的电离作用比负极性时小，因此正极性击穿电压高于负极性。

在直流输变电系统中，直流SF6气体绝缘设备存在正极性或负极性的运行状态，而设备一般运行压力为0.4～0.5MPa，此时负极性直流击穿电压仅为正极性击穿电压的70%～80%，约为理论击穿电压值的一半。因此进行绝缘设计和绝缘性能研究时，主要考虑施加负极性直流电压的条件，理论击穿电压值的指导意义不大。