第二节 SF₆气体的绝缘特性

一、气体的放电击穿特点

SF₆气体中的击穿过程可用气体放电理论加以分析，所不同者SF₆是卤族元素氟的化合物。卤族元素具有较强的电负性，易于吸附电子形成负离子同时释放出能量，放出的能量叫电子亲合能，亲合能越大则电负性越强。氟原子的亲合能为4.1eV，是卤族元素中电负性最强的，又从SF₆的分子结构可知，它的周围全是氟原子，因此SF₆气体具有很强的电负性，容易和电子结合形成负离子。由于离子的平均自由行程远比电子为短，它在两次碰撞之间的自由行程中获得的动能小，另一方面它和分子发生弹性碰撞时又容易将积累起的动能损失掉。因此和电子相比，离子要积累起足够产生碰撞游离能量的可能性是很小的。因此离子的游离能力远不如电子，电子为分子吸附而形成负离子后，游离能力大减。因此，在气体放电中，负离子的形成起着阻碍放电的形成和发展作用。

其次，SF₆分子直径比空气中氧、氮分子的要大，使得电子在SF₆气体中的平均自由行程缩短，而不易在电场中积累能量，从而减小了它碰撞游离的能力。

再者SF₆的分子量是空气的五倍，因此SF₆离子在电场中的运动速度比空气中氧、氮离子的更小，更容易发生复合使气体中带电质点减少。

因此SF₆是一种高电气强度的气体介质，在均匀电场下SF₆的电气强度约为同一气压下空气的2.5～3倍，3个大气压下SF₆的电气强度约和变压器油相当，如图1-4所示。故在SF₆中电子在电场作用下不仅会由于碰撞游离产生新的电子和离子，而且还会由于SF₆有强烈的电负性，能吸附电子而使这些带电质点消失。

二、SF₆气体绝缘的冲击特性

电气设备在运行中除了受到正常的工频工作电压作用外，还会受到雷电造成的过电压的作用，这是一种幅值高、持续时间短的冲击电压。国家规定的雷电冲击电压的标准波形如图1-5所示，T_f＝1.2±30%；T_t＝50±20%。此外还要指出其极性（不接地电极相对于地而言的极性）。标准雷电冲击波形通常可以用符号±1.2/50μs表示。在这样一个冲击电压作用下气体间隙的击穿就具有一些新的特性。为了模仿变电所避雷器动作时，作用到电气设备的是截断的冲击电压，故还规定了图1-6的截波，图中截断时间T_C＝2～5μs。

（一）放电时延

气体间隙发生击穿不仅需要有足够的电压，而且需

要一定的时间，这就是放电时延t_r。放电时延对于直流和工频这样的持续作用电压是无甚影响的，但对雷电冲击电压就有影响了，也即击穿电压值和电压作用时间有关。放电时延（见图1-7）由统计时延t_s和放电形成时延t_f所组成，即：

t_s是指当间隙上电压升到持续作用电压下击穿电压U（称为静态击穿电压）时刻起，到间隙中出现一个能引起游离过程并最终导致击穿的电子即所谓有效电子为止，即间隙中出现一个有效电子所需要的时间称为统计时延t_s。从出现有效电子，引起强烈的游离过程，到间隙完全击穿所需的时间称为放电形成时延t_f。

短间隙中特别是电场比较均匀时，相比之下放电形成时延甚小，这时统计时延实际就等于全部放电时延。统计时延随间隙外加电压增加而减小，这是因为间隙中出现的自由电子转变为有效电子的概率增加之故。用紫外线等高能射线照射间隙，也能减小统计时延。在极不均匀电场中，由于电场局部增加，出现有效电子的概率增加，所以统计时延较小，且和照射的关系也较小。

较长的间隙中，放电时延主要决定于放电形成时延。在比较均匀的电场中，由于间隙中电场到处都很强，放电发展速度快，所以放电形成时延较短。在极不均匀电场中放电是由强电场区向弱电场区伸展，故放电时延长。显然，间隙上外施电压增加，放电形成时延也会减小。

显然统计时延和放电形成时延的值都具有统计性。

如前所述，充SF₆气体绝缘结构都是稍不均匀电场，一般认为放电时延中主要是统计时延，加以SF₆中由于对电子有强烈的吸附作用而减小了有效电子出现的概率，从而增加了统计时延和放电的分散性。故在进行SF₆冲击放电试验时，用能产生紫外线的石英水银灯照射对减小放电的分散性有较大效果。

某些研究者则认为：SF₆中统计时延长的原因不在于气体的电负性，而在于SF₆的密封容器遮蔽了外来的照射所造成，且随电极面积的增大或气压的升高而减小。对实际工程上所用的大面积的电极结构，则由于表面存在缺陷的概率增多（即所谓“面积效应”），而冲击击穿电压对缺陷的敏感性不如工频电压而使其放电形成时间加长，且这一现象随气压升高而更加显著。

目前对放电时延的分析虽无完全一致的看法，有关的工作也尚需深入进行，但由此得到的结论是一致的，即SF₆气体绝缘总的放电时延一般地至少比同一电场结构的空气要大。

（二）伏秒特性

工程上用间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性，称为伏秒特性。求取伏秒特性的方法是保持标准波形不变，逐渐升高电压U_max。电压较低时击穿发生在波尾，电压较高时放电时间减至很小，击穿可发生在波头，放电时间作为横坐标，击穿时电压作为纵坐标。这样，如每级电压只有一个放电时间，是可绘得伏秒特性如图1-8所示。

由于放电时延有很大的统计性，因此每级电压下可得一系列放电时间，所以伏秒特性不是一条光滑的曲线而是具有上、下包线的一条带子。伏秒特性的曲线形状与电极间电场分布有关，均匀电场、稍不均匀电场下的平均击穿场强较高，放电时延相对较短，故伏秒特性比较平坦，如图1-9中S₁，也即其击穿电压与放电时间的关系不那么明显，而极不均匀电场下平均击穿场强低，放电时延较长，当放电时间还相当大时，伏秒特性已随它的减少而明显地向上翘。如图1-9中S₂，即其击穿电压与放电时间的关系十分显著。

关于充SF₆气体设备的伏秒特性，不同研究者的结论也是不一致的，从上述电场分布来分析，充SF₆气体的绝缘结构都是稍不均匀电场，则其伏秒特性应比较平坦。而常规的空气绝缘结构则是极不均匀电场，它的伏秒特性比较弯曲。故有人在SF₆断路器的绝缘试验中，得出的雷电冲击截波击穿电压与全波击穿电压的比值较常规空气绝缘比值为低，更有的研究者指出，在SF₆中的截波冲击绝缘水平和基准雷电冲击绝缘水平之比基本上是1，而对常规的空气绝缘来说，这个比值为1.15～1.3。

若从放电时延来分析，由于SF₆的放电时延比同一电场结构的空气要大，故其伏秒特性应该比较弯曲。近年来某些研究者在一些充SF₆的全封闭式变电所的实际部件上进行试验的结果表明，其伏秒特性在3.5大气压下是弯曲的。有的研究者对均匀电场下SF₅的伏秒特性进行研究，发现在一个气压下伏秒特性是很平的，而在4个左右的工作气压下则是弯曲的。

故SF₆的伏秒特性和电场结构、气压、电极面积以及有无照射等都有关系，需区别具体情况来加以分析，这和分析放电时延是一致的。不过若和常规变电所的用液体、固体材料为绝缘的电力设备例如变压器相比，则后者的放电时延更长，伏秒特性更为弯曲。

（三）冲击系数

用伏秒特性来说明某间隙的冲击击穿特性虽较完整，但不方便。一般工程上用50%冲击击穿电压即U₅₀来说明耐受冲击电压的能力，即在此幅值的标准冲击波作用下该间隙发生击穿的可能性为50%，即可能击穿也可能不击穿，易知U₅₀相当于该间隙的伏秒特性曲线上已经平坦的那部分所对应的电压。

50%雷电冲击击穿电压和持续作用电压下击穿电压之比称为冲击系数。空气绝缘在均匀、稍不均匀电场下，由于放电时延短，U₅₀下击穿通常发生波头幅值附近，故冲击系数等于1。而极不均匀电场下放电时延长，分散性也大，U₅₀下击穿通常发生波尾，冲击系数大于1，约为1.02～1.1之间。SF₆的放电时延比同一结构的空气大，故其冲击系数一般比空气大。在均匀电场中SF₆的冲击系数为1，而在稍均匀电场中则大于1，具体数值视电极具体结构和气压高低而不同，大体在1.1～1.3之间，SF₆全封闭电器的试验，得到的冲击系数则为1.43，但比之油、纸绝缘的电力设备的冲击系数（例如电力变压器为1.7）要低。

（四）操作冲击特性

电气设备在运行中还会因操作或发生事故而受到操作过电压的作用，为了模拟操作过电压，国标规定了操作冲击的标准波形，波头和波长的定义和雷电冲击相同，规定波头长为T_f＝250±20%ms，波长T_t＝2500±60%ms，幅值的允许偏差和雷电冲击相同为±3%。

在操作冲击电压的作用下气体绝缘的击穿电压也具有分散性，也采用50%击穿电压U₅₀来说明间隙耐受操作冲击电压的能力。考虑绝缘配合时，也应采用伏秒特性。操作冲击电压的作用时间介于工频和雷电冲击之间，所以均匀电场及稍不均匀电场中，空气间隙的操作冲击的U₅₀和雷电冲击U₅₀以及工频击穿电压（幅值）实际上相同，击穿电压分散性也较小，击穿同样发生在幅值。至于在极不均匀电场中，随着操作冲击波波头的增加，U₅₀出现极小值，对应于极小值的波头长度随间隙距离增大而增加，对7m以下的间隙，大致在50～200ms之间，U₅₀的极小值可能比同一间隙的工频击穿电压还要低得多。这种现象认为是由于放电时延和空间电荷这两种不同因素的影响所造成的。如前所述由于放电发展需要一定时延，故击穿电压随波头缩短（相当于放电时间缩短）而上升。随着波头的增长，放电时延这个因素的作用逐渐减少了，但击穿前棒有附近电晕放电产生的空间电荷的影响突出起来T。当电压作用时间较长（相当于波头时间较长），空间电荷向棒电极附近迁移的范围大，故电晕的自屏蔽效应较显著，相应地提高了击穿电压。而电压作用时间较短时，自屏蔽效应差，故导致击穿电压降低。由于上述两种因素的作用，使U₅₀随波头的增加出现极小值。当间隙距离增加，与极小值相应的放电时间显然也应增大。

SF₆的放电时延长，但电晕的自屏蔽效应弱，加以SF₆中采用稍不均匀电场结构，因此它的操作冲击的U₆₀比较接近于工频击穿电压，或者略高于工频击穿电压，其比值根据最近一些研究成果表明约为1.1倍。故一般认为充SF₆的绝缘结构的冲击击穿电压随冲击波波头时间的增加而减小。

归纳以上的分析，若和常规变电所的空气绝缘相比，充SF₆的电气设备（全封闭组合电器或变电所）的冲击击穿特性是放电时延，冲击系数大，击穿电压随冲击波波头时间的增加而减小，负极性击穿电压比正极性低。

若和常规变电所的电气设备如变压器的内部绝缘结构相比，则其伏秒特性比它平稳，冲击系数又低于它们较多，因而一般认为充SF₆的电气设备的绝缘水平主要决定于雷电冲击水平，且是负极性下的雷电冲击。要降低绝缘水平，首先要降低雷电过电压和操作时产生的高频过电压水平。