（电力系统及其自动化专业论文）直流gil绝缘特性及其绝缘优化的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t g a si n s u l a t e dm e t a le n c l o s e dt r a n s m i s s i o nl i n e ( g i l ) w i t ht h em e r i to fl a r g e c a p a b i l i t y , f l e x i b l el a y o u t ，l o wi m p a c to no ro fe n v i r o n m e n t ，c a nb eu s e di nt h o s e s i t u a t i o n sw h i c ht h ec l i m a t i ce n v i r o n m e n t a l i sf o r m i d a b l eo rt h ec o r r i d o ri sl i m i t e d h o w e v e r , t h ed i e l e c t r i cs t r e n g t ho fs f 6i se x t r e m e l ys e n s i t i v et ot h en o n u n i f o r m i t y o ft h ee l e c t r i cf i e l d ，a n dt h ep o l a r i t yo fd cn o n u n i f o r me l e c t r i cf i e l di so b v i o u s a f t e rt h ed cv o l t a g ea p p l i e do ni n s u l a t o r ，t h es u r f a c ed i s c h a r g ea n dt h em e t a l c o n d u c t i n gp a r t i c l ea c c u m u l a t e do ra t t a c h e do nt h ei n s u l a t o rc a nb o t hr e d u c et h e f l a s h o v e rv o l t a g e a sar e s u l t ，a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fd cg i li sl i m i t e db y t h e s er e a s o n s s oh a v i n gs t u d i e so fs f 6g a sg a p sb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c sa n d i n s u l a t o rf l a s h o v e rc h a r a c t e r i s t i c s w h i c ha reu s e di nd cg i l ，c a nd oh e l p sf o r u n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s mo fd cg a sg a pd i s c h a r g ea n d d ci n s u l a t o rf l a s h o v e r ， a n dc a ns o l v et h ek e yt e c h n o l o g i e so fg i li n s u l a t i o nd e s i g n t h i st h e s i sw o r k so nt h ei n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n di n s u l a t i o no p t i m i z a t i o n m e t h o do fd cg i l f i r s t ，s f 6g a sd i s c h a r g et h e o r ya n di t sb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c s i nv a r i o u se l e c t r i cf i e l d sa r ei n t r o d u c e d n e x t ad cg i li n s u l a t i o nt e s t e r i s d e v e l o p e df o rs f 6g a sg a p i n s u l a t i o nt e s t ，i n s u l a t o rf l a s h o v e rt e s ta n dm e t a l c o n d u c t i n gp a r t i c l et e s t s f 6g a sg a pi n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe c c e n t r i cc y l i n d e r i np o s i t i v ea n dn e g a t i v ed cv o l t a g ea r ea l s os t u d i e db yu s i n gt h i s i n s u l a t i o nt e s t e r t h e n ，b a s e do nt h ei n t e r n a t i o n a lt e s tr e s u l t so fs m a l l s c a l ee l e c t r o d ea n dc o n s i d e r i n g t h es u r f a c er o u g h n e s s ，t h ee q u a t i o nw h i c hc a nb eu s e df o re s t i m a t i n gt h ec r i t i c a l b r e a k d o w nf i e l di sd e d u c e db yu s i n gl e v e n b e r g m a r q u a r tm e t h o d a n db ym e a n so f a n a l y z i n gt h ei m p a c to fs u r f a c ec h a r g ea c c u m u l a t i o na n df r e em e t a l l i cc o n d u c t i n g p a r t i c l e so ns u r f a c ed i s c h a r g eo fi n s u l a t o r s ，i ti sp o i n t e do u tt h a tt h es u r f a c ec h a r g e a c c u m u l a t i o na n dt h ea d h e s i o no ff r e em e t a l l i cc o n d u c t i n gp a r t i c l ea r ek e yr e a s o n s c a u s i n gi n s u l a t i o np e r f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o no fd cg i l a t1 a s t ，t h e d cg i l e l e c t r o d ew h i c hi n c l u d e sp a r t i c l et r a p ，p a r t i c l ed r i v e ra n df i e l d w e l lr i n gi sd e s i g n e d e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no ft h i se l e c t r o d ei sa l s oe m u l a t e d a 1 lt h ew o r kt h i st h e s i si n t r o d u c e dp r o v i d e se x p e r i m e n t a lf u n d a t i o nf o rv a r i o u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 i n s u l a t i o nt e s t i n v e s t i g a t e s o fd cg i li n s u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s s u p p r e s s i o n m e t h o d sf o rs u r f a c ec h a r g ea n dm e t a lc o n d u c t i n gp a r t i c l eo fd cg i li sb r o u g h t f o r w a r d a n di ti sa l s oc a nb et o o k e na st h eb a s i so fi n s u l a t i o n d e s i g na n d a p p l i c a t i o nf o rd c g i l k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ：g a si n s u l a t e dm e t a le n c l o s e dt r a n s m i s s i o nl i n e ；s f 6 ； i n s u l a t i o no p t i m i z a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名： 移砖 日期：钞d g s 们 指导老师签名：关牙 日期：加墨fz 7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本论文创新点如下： 1 - 研制了具备s f 6 气体间隙绝缘试验、绝缘子沿面闪络特性试验、 以及金属导电微粒试验能力的直流g i l 绝缘试验系统。系统试验电极部 分设计了圆柱平板电极，其外形和结构与同轴圆柱电极相似，并可以替 代后者用于直流g i l 绝缘子外形结构优化和金属导电微粒相关试验。 2 结合国外同轴圆柱电极s f 6 气体间隙直流绝缘特性的研究成果， 利用麦夸特法拟合得到了正、负极性同轴圆柱电极s f 6 气体间隙的直流 击穿电压估算公式。 3 利用偏心圆柱电极通过试验研究了s f 6 稍不均匀电场下的正、负 极性击穿特性和击穿前的最大电流变化规律，试验结果表明直流g i l 同 轴圆柱结构在偏心布置时，s f 6 间隙绝缘强度会很大程度的下降。 4 通过电场分布的仿真研究得出，将微粒陷阱、微粒驱赶电极和屏 蔽环三种结构同时布置在直流g i l 同轴圆柱电极上，形成的低电场区能 起到捕获金属导电微粒并抑制其运动的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 开展直流g il 绝缘特性研究的意义 在国际高压输电技术领域，高压输电线路作为整个电力系统的脉络，起着 将电能从能源区域传送至负荷中心和将区域电力系统实现并网运行的重要作 用。高压输电线的绝大多数段落采用架空线路形式，但由于变电站( 包括换流站) 位置、线路沿途地形、线路用地等方面的原因，对输电线路走廊选取、设计也 提出了更高的要求。近年来，由于西电东送、电网互联等需要，直流输电在我 国得到了迅速发展。但我国直流输电线路大都处于高海拔或气象条件复杂的山 区，输电走廊的选取更加复杂，线路的维护或维修非常困难。而且这些地区气 象条件非常复杂，对输电线路安全输电造成极大的威胁，如在2 0 0 8 年初的冰雪 灾害中出现严重覆冰、冰闪及倒塔事故，造成电力系统严重停电事故。如特高 压直流输电线路在西电东送要途经垂直落差大、高海拔覆冰严重，电磁干扰需 严格限制、自然或人文景观要求受到保护的区域，传统的架空线路和高压直流 电缆很难解决路径选择问题【l ，2 】。因此，在复杂地区重要直流输电线路寻求新的 输电技术成为当前电力系统设计和规划的一个迫切需要解决的问题。 气体绝缘金属封闭输电线路( g i l ：g a si n s u l a t e dm e t a l e n c l o s e d t r a n s m i s s i o nl i n e ) 作为一种采用s f 6 气体或s f 6 和n 2 混合气体绝缘、外壳与导 体同轴布置的新型输电线路，具有输电容量大、占地少、可靠性高、免维护、 寿命长、与环境相互影响小等优点【3 。5 】。 与易受大气环境影响、对外产生有害电磁环境、占地空间大、绝缘安全距 离长的架空线相比，采用全封闭金属屏蔽的直流g i l 占用的廊道空间小，对外 不产生有害的电磁环境，同时运行不受环境污秽、雨雪和覆冰的影响；采用隧 道或直埋安装方式的直流g i l 不会受到大气环境的影响，同时也能使自然或人 文景区的地上景观保持原貌；户外直接架设的直流g i l 能使换流站与架空输电 线路的连接变得简单且安全可靠。与电压等级低、易老化的交联聚乙烯( x l p e ) 电缆( 目前最先进的x l p e 制造技术仅达到交流5 0 0 k v ) ，以及易爆、易老化、 不适用于垂直落差大的聚丙烯薄膜复合木纤维纸( p p l p ) 绝缘充油电缆相比， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 直流g i l 具有输送电压等级高、输送容量大、适用于线路垂直落差大的场合、 无绝缘老化问题等优点f 6 。直流g i l 具有的技术优势，为恶劣气象环境地区、 线路布置困难地段、电磁环境有要求的多种场合下大容量直流输电提供了一种 新的解决方案瞵j j 。 然而，目前全世界范围内7 3 1 2 0 0 k v 电压等级的g i l 都为交流g i l ，尚未 见直流g i l 的应用报道。直流g i l 与交流g i l 在生产制备、现场安装和运行维 护等环节上区别不大，其差别主要体现在绝缘设计环节，包括同轴圆柱电极气 体间隙绝缘尺寸的选择和绝缘子外形的设计。 在直流电压下，g i l 同轴圆柱电极气体间隙中电场大小和方向恒定，这与 交流电压下的交变电场不同，因此同轴圆柱电极s f 6 气体间隙直流电压和交流 电压下的击穿机理和影响因素也有所不同。例如，在恒定的直流电场下金属导 电微粒带电后表现得比交流电压下更为活跃、跃迁得更高，在高压导体电极施 加负极性的直流电压时，甚至会在高压导体表面附近出现“f i r e f l y p h e n o m e n o n ( 荧火现象) 1 0 - 1 2 】。在直流电压下绝缘子表面电压按电阻分布，这 也与交流电压下绝缘子表面电压按电容分布不同【l3 1 。因此，直流电压下绝缘子 表面电场的初始电场分布与交流情况下不同。此外由于电场恒定，长时间的电 压作用会使绝缘子的表面积聚电荷的同时使运动的金属导电微粒附着在绝缘子 表面，这些表面电荷和金属导电微粒能使绝缘子表面电场发生畸变，进而降低 绝缘子表面的闪络电压【1 4 以引。 由此可见，直流g i l 同轴圆柱s f 6 气体间隙和绝缘子的绝缘特性规律与交 流g i l 不同，设计结构紧凑、绝缘性能优异的直流g i l ，进而为直流输电规划 和安全运行提供新的解决方案，仍需要对s f 6 气体绝缘间隙直流放电特性和绝 缘子沿面直流闪络特性及其相关影响因素进行深入的研究。 1 2 国内外研究现状 g i l 源于s f 6 绝缘的金属封闭母线，是一种采用s f 6 气体或s f 6 和n 2 混合 气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流电力传输设备。其电气特性 与架空输电线路相似，无绝缘老化问题、损耗低、安全防护性好、占地空间小， 在大容量长距离输电方面具有优势。国际上关于交流g i l 的研究始于2 0 世纪 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 6 0 年代，并于7 0 年代在全世界范围内得到应用【l ，1 。 美国c g i ts y s t e m s i n c 公司( 简称c g i t ) 的前身h i g hv o l t a g ep o w e r c o r p o r a t i o n 公司，于1 9 7 2 年在美国新泽西州h u d s o n 电厂安装了世界上第一条 交流g i l 线路，该线路电压等级2 4 2 k v 额定电流1 6 0 0 a ，采取直埋敷设的方 式，用以连接空气绝缘变电站设备和变电站远端的变压器，迄今这条线路仍在 安全地运行。该公司在研究金属导电微粒对交流g i l 绝缘性能影响的基础上， 首次在绝缘子附近设计了带微粒陷阱的绝缘结构。 交流g i l 技术在欧洲首次应用于德国s c h u c h s e e 的w e h r 抽水蓄能电站， 1 9 7 5 年投运，电压等级4 0 0 k v ，全长7 0 0 m ，敷设在山体隧道内，用以连接发 电机与洞顶架空线，目前仍是该电压等级中最长的g i l 线路。该交流g i l 线路 为德国s i e m e n s 公司设计和安装的第1 条g i l 线路。为降低气体绝缘设备的经 济成本，2 0 世纪7 0 年代，n h m a l i k 和a h q u r e s h i 等人通过对s f 6 混合气 体绝缘特性进行了深入的研究，得出5 0 6 0 的s f 6 和4 0 一5 0 的n 2 组成的 混合气体的绝缘强度能达到纯s f 6 气体的8 5 - 9 0 ，而且s f 6 和n 2 的混合气体 不像纯s f 6 气体那样对电场不均匀性非常敏感，因此电极表面粗糙度和金属导 电微粒对s f 6 和n 2 混合气体间隙绝缘特性的影响比纯s f 6 气体间隙小【2 0 。2 2 】。 s i e m e n s 公司h k o c h 和t h i l l e r s 等人利用这一理论研究成果，设计出充有s f 6 和n 2 混合气体的g i l 绝缘结构，并于2 0 0 1 年首次应用于瑞士日内瓦p a l e x p o 机场，该g i l 为隧道敷设，长4 2 0 m 。s f 6 与n 2 比例为1 ：4 ，s f 6 含量的减少 使成本明显降低，通过适当增大气压，可使混合气体能达到与纯s f 6 相同的绝 缘悼i l t 台i 扎匕【2 3 1 。 ， 日本东京电力公司与古河电气工业株式会社从2 0 世纪7 0 年代初开始合作 研究5 0 0 k v 交流g i l ，第一条电压等级1 5 4 k v 的交流g i l 线路于1 9 7 9 年投运； 为保证g i l 在正常运行情况下、由于温度变化导致收缩膨胀时、以及地震等异 常条件下都能持续正常运行，日本电力公司设计的交流g i l 通过4 个1 4 m 长的 模块单元组成一个5 6 m 的热膨胀和震动补偿单元段，可以吸收由于温度变化引 起的g i l 线段的膨胀和收缩、以及地震带来的加速度【1 9 ，2 4 1 。 经过3 0 余年的发展，交流g i l 技术日益成熟、结构更加紧凑、电压等级和 输送容量更高、线段更长、成本更低。据i e e e p e s 变电站委员会g i s ( 气体 绝缘金属封闭组合电器) 分委会2 0 0 4 年的统计，全世界7 3 1 2 0 0k v 交流气体 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 绝缘金属封闭输电线路总长1 9 8 k m 。 然而长期以来，受直流输电技术发展缓慢的影响，国内外专门针对直流g i l 的研究甚少，没有形成直流g i l 产品。直流g i l 与交流g i l 在生产制备、现场 安装和运行维护等环节上没有什么不同，其差别主要体现在绝缘设计环节上， 包括三个方面：直流电压下s f 6 气体间隙的绝缘特性及其影响因素，直流电压 下绝缘子表面电荷积聚机理及其对绝缘子电场分布和闪络的影响，直流电压下 金属导电微粒运动特性及其对气体间隙放电和绝缘子闪络的影响。国内外研究 人员为研究直流g i l 的类似高压电器直流g i s ，在这三方面做了一些研究 工作。 1 直流电压下s f 。气体间隙绝缘特性规律及其影响因素 美国麻省理工学院的c m c o o k e 教授和日本s m e n j u ，k t a k a h a s h i 于2 0 世 纪7 0 年代对同轴圆柱电极在不同s f 6 气体压力下的直流击穿特性进行了研究， 研究表明，在电场梯度不超过1 5 0 2 0 0k w c m 时或气压压力较小的情况下( 低 于o 1 o ，1 5 m p a ) ，直流击穿电压的极性效应不是很明显且与s f 6 气体压力呈线 性关系，利用理论公式可以较好的地预测s f 6 同轴圆柱气体间隙的击穿场强， 在电极覆膜、电极缠绕聚对苯二甲酸乙二醇酯膜( p e t ) 和将外壳电极内表面 涂上粘性物质时，气体间隙的直流绝缘强度能有效地得到提高【2 5 2 6 。然而在较 大气体压力和大尺寸电极尺寸下击穿电压分散性很大，原有的理论模型模型只 能推导出最大击穿电压，对于最低击穿电压没有建立有效的理论推导公式。 2 直流电压下绝缘子表面电荷积聚机理及其对电场分布和闪络的影响 即便是在绝缘子很洁净的条件下，施加一段时间( 数分钟至数天) 的直流 电压后，在绝缘子的表面会积聚起一定量的电荷，积聚的电荷使初始电场发生 畸变。因此，绝缘子可能在直流电压施加一定长的时间后由于电场畸变才发生 沿面放叫2 7 j 。在电压极性发生改变时，电荷积聚对绝缘子表面放电的影响更加 明显。日本三菱公司k n a k a n i s h i ，a y o s h i o k a 等人利用直径为4 0 m m 、高为 4 0 m m 的圆柱环氧树脂绝缘子模型( 端内嵌了屏蔽电极) ，在施加直流序列电压 后，得到的绝缘子表面击穿电压随电荷密度的关系。研究表明当表面电荷密度 达到4 0 0 9 c m 2 ，反极性直流表面击穿电压下降到初始值的一半【2 8 】。c m c o o k e 等人的研究也表明原先在0 4 4 m p a 的s f 6 的气压下能承受6 0 0 k v 的绝缘子，经 过几小时直流电压作用后，其放电电压降低到仅3 0 0 k v 2 9 】。直流电压下绝缘子 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表面电荷的积聚是必然的，但通过减小绝缘子表面的法向分量，可以有效抑制绝 缘子表面电荷的积聚，这给绝缘子外型设计提供了一种思路【3 0 1 。国内西安交通 大学邱毓昌通过对直流电压下绝缘子表面电荷密度分布的测量，指出可以通过 在绝缘子表面覆盖涂层来提高表面电荷的消散速度，从而使绝缘子表面聚不起 来电荷【3 1 1 。尽管国内外对表面电荷积聚机理、分布特性进行了研究，但至今没 有掌握不同绝缘子表面电荷的积聚规律及其抑制措施，这也制约了直流气体绝 缘设备( 包括直流g i s 和直流g i l ) 的应用与发展【3 引。 3 直流电压下金属导电微粒运动特性及其对气体间隙放电和绝缘子闪络的 影响 为研究金属导电微粒对同轴圆柱气体间隙绝缘特性的影响，a d i e s s n e r 等 人在研究金属导电微粒对同轴圆柱电极s f 6 气体间隙负极直流绝缘特性影响 时，在高压导体电极的表面发现由于所带电荷极性发生变化在高压导体表面来 回运动金属导电微粒，这种现象被称为“f i r e f l yp h e n o m e n o n ( 荧火现象) 。研 究表明，负极性直流电压下高压导体表面出现的“荧火现象”能降低气体间隙 的绝缘强度，因此在直流气体绝缘设备绝缘设计时需要对“萤火现象 加以抑 制”1 。 而绝缘子作为气体绝缘设备不可缺少的重要部分，是绝缘的最薄弱环节。 如果绝缘子附近存在自由导电微粒，微粒很容易在电场作用下发生运动并附着 到绝缘子表面，导致绝缘子表面闪络电压进一步下降【l 引。h a n i s 等人研究了不 均匀电场下球状金属导电微粒的运动规律，根据微粒的受力情况，推导出了其 临界浮起电压【3 引。日本关西电力公司t h a s e g a w a 等人使用0 2 5 m m 线状的铝 制微粒和1 7 5 p m 大小的铝颗粒，在直流运行电压叠加雷电冲击电压下研究了金 属导电微粒对盆式绝缘子和盘式绝缘子沿面闪络的影响，该小组的研究表明在 绝缘子附近的外壳电极撒放铝制颗粒的情况下，使绝缘子凹面的发生闪络需要 叠加的雷电冲击电压比绝缘子凸面低3 0 ，盆式绝缘子的闪络雷电冲击电压比 盘式绝缘子低5 t 2 7 】。然而这些研究还存在一些不足之处：首先，未能研究绝 缘子对微粒运动规律的影响，因而不能掌握影响微粒运动的主要因素；其次， 没有考虑微粒动态运动特性与闪络电压的关系。因此，掌握微粒在绝缘子附件 的运动规律及其对闪络特性的影响规律是今后研究的一个重要方向。 。 近年来，直流输电突破了技术瓶颈，发展迅速，我国作为直流输电大国， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 先后建设了葛洲坝一上海、天生桥一广州、三峡一常州、三峡一广州、贵州一 广东、三峡一上海等多个+ 5 0 0 k v 直流输电工程，+ 8 0 0 k v 特高压直流输电示范 工程也已开工建设。直流输电工程的大规模建设，给直流g i l 的应用提供了较 大的应用空间，同时也将促进直流g i l 绝缘特性和绝缘结构设计研究的发展。 1 3 本文的研究内容 本文以直流s f 6 气体间隙及直流g i l 绝缘子为研究对象。首先综述s f 6 气 体放电理论和不同场下s f 6 气体的放电规律；接着研制用于直流g i l 绝缘特性 研究的试验系统；然后推导同轴圆柱电极s f 6 气体间隙的直流击穿场强估算公 式，并通过试验研究直流g i l 同轴圆柱电极偏心时的绝缘特性；最后探讨直流 g i l 绝缘结构设计和优化方法。主要包括以下研究内容： 1 阐述s f 6 气体碰撞电离、电子附着和放电判据理，对均匀电场、稍不均 匀电场和极不均匀电场下s f 6 的击穿特性和规律进行综述。 2 研制同时具备s f 6 气体间隙绝缘试验、绝缘子沿面闪络特性试验、以及 金属导电微粒试验能力的直流g i l 试验装置，并搭建可用于直流叠加冲击电压 的试验系统，为后续研究提供实验基础。 3 推导同轴圆柱电极s f 6 气体间隙正、负极性直流电压的击穿电压估算公 式；利用直流g i l 试验装置对偏心圆柱电极s f 6 气体间隙的直流绝缘特性进行 试验研究，并根据试验结果分析直流g i l 圆柱电极偏心时对绝缘强度的影响。 4 分析金属导电微粒和绝缘子表面电荷对直流g i l 绝缘性能的影响，并提 出直流g i l 绝缘子优化方法和金属导电微粒的有效抑制结构，为直流g i l 的绝 缘设计提供理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章sf 6 气体放电基本理论 六氟化硫( s f 6 ) 气体是目前世界上最优良的绝缘介质和灭弧介质。它无色、 无味、无毒、不燃烧，在常温常压下，化学性能稳定。因其优异的绝缘和理化 性能，s f 6 气体在高压电器领域得到了广泛的应用【3 5 】。在均匀电场中，s f 6 气体 的绝缘性能十分优良，气体间隙的增大和气体压力的增加都能显著地提高间隙 的绝缘能力。在一定的气压范围内，s f 6 气体间隙的放电特性符合巴申定律， 且均匀电场下s f 6 气体间隙的击穿场强大约是同等空气间隙的三倍。由于分子 量大，s f 6 自屏蔽效应不明显，绝缘强度随电场不均匀程度的增加下降很快。 为降低电场不均匀程度对设备绝缘性能的影响，在g i l 等气体绝缘设备中，大 多采用同轴圆柱形或同心球形结构设计【3 引，这类典型稍不均匀电场下s f 6 绝缘 特性也就成为s f 。气体绝缘设备设计者最为关注的问题。本章在介绍s f 6 气体放 电基本理论的基础上，对s f 6 在稍不均匀电场下的绝缘特性及其影响因素进行 了总结和分析。 2 1s f 。气体中的碰撞电离和电子附着 s f 6 放电理论同其它气体的放电理论一样，不论是汤逊( j s t o w n s e n d ) 理论 还是流柱理论，都是以碰撞电离引起的电子崩作为基础的。 2 1 1s f 6 气体的自由行程和碰撞截面 自由行程是一个质点在每两次碰撞间自由通过的距离，它是气体放电理论 的一个重要参数。电子质量很小，在和气体分子发生弹性碰撞( 未发生电离) 时， 几乎不损失其动能。离子则一方面自由形行程较短，在两次碰撞间获得的动能 少；另一方面一旦和分子碰撞，不管电离与否均将损失其动能。因此，和电子 相比，离子积累起足够造成碰撞电离能量的可能性8 e 4 , ，在研究气体放电时可 将其忽略。 s f 6 气体中电子与分子的碰撞可以用图2 1 说明。因为电子的速度远大于分 子速度，在图2 1 中将分子看作是不动的，。表示电子的半径，表示分子的 半径，d 。表示电子运动的- - 4 , 段路径。两种质点的碰撞在万( ，。+ r s ) 2 的面积内 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 图2 1 阴影部分) 才有可能，s f 6 电子的自由行程允可表示为： 11 拈瓦丽币 q 1 式中单位体积内的分子数。 图2 1s f 。电子的自由行程概念示意图 由于s f 6 气体中电子与分子碰撞可以有弹性碰撞、激励、电离等过程，在 负电性气体中还会发生电子附着。对于不同的碰撞，均可引入相应的碰撞截面 概念，即： q = q “+ q “+ q f + q 4 ( 2 - 2 ) 式中 g d 弹性碰撞截面； g 。，碰撞激励截面； q ；碰撞电离截面； g 。电子附着截面。 可见公式( 2 2 ) 实际上表明碰撞的各种过程的发生概率，而非几何尺寸的 截面。q 酣、q 。、q ，和g 。都是电子能量的函数，可以用单一能级的电子束进行 实验，得出各种碰撞截面数据。 图2 2 为s f 6 气体的碰撞电离截面q ，和电子附着截面g 。与电子能量的关系， 由图2 2 可以看出，当电子能量大于0 4 e v 时，s f 6 的电子附着截面已变得很 小，这说明高能电子很难附着于分子而形成负离子。当电子能量等于气体的第 一电离能时，就开始有碰撞电离截面 3 7 , 3 8 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 f 吼( 曦) j u 厂 f g 。or j 图2 2s f 。碰撞电离截面和电子附着截面与电子能量的关系 2 。1 2s f 6 气体的碰撞电离和电子附着系数 碰撞电离与电子附着均与电子能量即电子速度有关，而电子速度具有统计 特性。质点做热运动时，其速度符合波尔兹曼一麦克斯韦速度分布规律。对电场 中电子来说，其速度分布还受电场作用力的影响，与波尔兹曼一麦克斯韦分布有 一定差别。 对于一个质点来说，速度分布函数厂p ) 就是其速度的概率函数。质点的平 均速度y 为： 一v - - - - - fv ：( v p v ( 2 3 ) 质点的碰撞频率厂可由下式表示： f = 、) | 九 = v n q = n r q v f ( v ) d v ( 2 4 ) 在一定电场强度作用下，s f 6 气体中的电子群体向阳极方向做定向运动的 迁移速度将达到某个稳定值1 ，d ，因此碰撞电离频率可表示为： = 口1 ，d ( 2 - 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 式中o t s f 6 气体中的碰撞电离系数。 由公式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 可得口为： 口= 竺h v i ( v ) d v t v ) d v ( 2 6 ) 口= 一【g j ( 2 一) 1 ，d ” 同理可写得出s f 6 气体的电子附着系数刁为： 刁= 旦h v r ( v ) d v ( 2 7 ) y d ” s f 6 分子结构是对称的八面体，硫( s ) 原子居其中，六个角上的是氟( f ) 原子。外层电子数为7 的f 原子在卤族元素中具有最大的电子亲合能( 4 1 e v ) ， 这使s f 6 成为具有很强吸附电子能力的负电性气体，其负电性比空气高几十倍。 电极间在一定的场强下发生电子发射时，极间自由电子很快被s f 6 吸附。因此， 较大的电子附着系数刁是s f 6 具有优良的绝缘性能的重要原因。s f 6 气体的汤逊 电离系数口虽然与空气相近，但电子附着系数r 则比空气大得多。对比空气而 言，因为口远大于7 7 ，所以可以不考虑叩的影响 3 9 1 。 2 2s f 。气体放电判据 2 2 1 汤逊放电判据 2 2 1 1 电子崩过程及其电流增长规律 假设s f 6 气体由于外电离因素先在阴极表面出现一个自由电子，此电子在 电场的作用下加速，造成有效碰撞电离，于是出现一个正离子和两个自由电子。 两个自由电子在电场中运动又造成新的有效碰撞电离，电子数目将以指数的规 律呈雪崩状增加，这一现象称为电子崩。 由于负电性气体中有效电离系数口= 口一1 ，s f 6 电子的增殖规律应为： o 。) ，= o 。) o e 土p 唧胁 ( 2 8 ) 式中x 间隙中某处到阴极的距离； ( n 。) ，距阴极x 处的电子数； ( 刀。) 。由外电离因素在阴极产生的初始电子数。 可见，负电性s f 6 气体中电子增殖规律与非负电性气体相同，只是要用口来 取代非负电性气体中的口。电子在x 与x + d x 之间发生的碰撞电离数d n 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 柳= o 。) ，a d x ：( n e ) o a e 肛枷d x ( 2 9 ) 由此可得出，一个电子从阴极出发，到达阳极时所发生的碰撞电离总数是： ：f 伽肛枇出 ( 2 1 0 ) 因此，放电回路中的电流为： h 0 ( 1 + ) - 厶l1 + r 船肛们凼d xi ( 2 - 对于均匀电场，公式( 2 1 1 ) 可简化为： 三：j l e ( 州p 一7 _ ( 2 1 2 ) 一= 一、”一- = 一 k z - l z j i o 口一r l口一r l 用汤逊静态法测口、r l 时，就是根据公式( 2 1 2 ) ，即在实验中保持e p 不 变( 也就是口、r ) 的条件下改变d ，测得i = f ( d ) 曲线，然后用曲线拟合法求 出口、r l 值。 s f 6 气体的有效电离系数口= 口一1 1 如图2 3 所示。s f 6 气体的汤逊电离系数 口虽然与空气相近，但其电子附着系数，7 则比空气大得多。对比空气而言，因 为口远大于7 7 ，所以可以不考虑7 7 的影响。 2 2 1 2y 过程及自持放电条件 上述过程仅讨论了电极空间的碰撞电离，实际上s f 6 气体中正离子及光子 在阴极表面均可激发出电子，统称y 过程。仍然假定外电离因素在阴极产生的 初始电子数为1 。考虑y 过程情况下放电回路电流的表达式是： i = ，o ( 1 + n x l + m + m2 + ) ( 2 1 3 ) 式中m 个正离子从阴极表面释放出的电子数，m = 。 公式( 2 1 3 ) 在m 1 时收敛，此时可写出： i i o ( 1 + n ) ( 1 一m ) ( 2 1 4 ) 将公式( 2 1 0 ) 代入公式( 2 1 4 ) 得出考虑y 过程的电流增长规律为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 + a e i ( ) 出 卜高赢d x 厶 q 。5 1 一，广口e 恤一町) 出 。 由公式( 2 1 4 ) 可知，自持放电条件是： 1 一m = 0 或 r n = 1 ( 2 - 1 6 ) 对于均匀电场，上述条件为： y k 仁一叩一l j = 1 一，7 口 ( 2 1 7 ) 公式( 2 1 0 ) 表明：只要口一r l 0 ，则一个电子的碰撞电离总数随口与d 值的增大而不断增加。因为a p = 厂陋p ) ，当e p 值一定时，口值随p 的增 大而增大。这就是说，当口一刀0 时，只要卅值足够大，值总可以满足式 ( 2 1 6 ) 所示的自持放电条件。再分析口一r l 0 的情况：因为f l ip = g ( e ip ) ， 所以当e p 值一定时，l 口一叩i 随p 的则增加而增加。在p d 值很大时，p ( 扣叩p 一 0 。这种情况下，公式( 2 1 7 ) 趋于一渐近值，即： 口= r ( 1 + 厂) ( 2 - 18 ) 因为通常y r l 。7 左p d 值较大的条件下通过实验测得s f 6 的陋i p ) 。- 8 8 5 k v m m m p a ，这与口、r i 测量结果所得是吻合的【4 0 ，4 。 2 2 2 流柱放电判据 汤逊放电判据是用电子碰撞电离及阴极表面电离( y 过程) 来说明p d 较小 时的放电现象的。而工程中遇到的实际s f 6 气体间隙的p d 比较大，此时电子崩 的大量空间电荷对原电场的畸变以及空间光电离产生二次电子崩，因此用用流 柱放电判据来分析放电现象比较合理。流柱理论中，自持放电的条件是初始的 电子数必须到达一个临界值以，即： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 f k 一叩协= i n n o r = k ( 2 2 0 ) 式中，x 。为临界电子崩长度。对于均匀电场，x 。= d ；而对于不均匀电场， x ，是口= r 处的x 值。 通常认为，。要达到1 0 8 才会发生自持放电，即k = 1 8 。但对于s f 6 气体， 从实验结果导出的值为k = 1 0 5 。 1 均匀电场情况 对于均匀电场，公式( 2 2 0 ) 可写为： 仁一刁p = k ( 2 - 2 1 ) s f 6 的口、r 测量表明，t r 1 ) l p = 仁p ) 的函数关系在仁p ) 。附近为 一直线，即： k r 1 ) l p = c e p 一仁p ) 。 ( 2 2 2 ) 式中，c = 2 8k v ，陋p ) o = 8 8 5k v m m m p a ，将公式( 2 - 2 2 ) 代入公式 ( 2 2 1 ) ，得n - u 6 = 仁p ) op d + k c = 8 8 5 p d + o 3 8 ( 2 2 3 ) 式中，u 。为击穿电压，单位为k v 。 当p d 1m v a 仰m 时，公式( 2 2 3 ) 可近似地写为： u 6 = ( e p ) op d = 8 8 5 p d ( 2 2 4 ) 或 e b = ( e p ) o p ( 2 - 2 5 ) 公式( 2 2 5 ) 与上节汤逊放电判据公式( 2 1 9 ) 相同。 2 不均匀电场情况 将公式( 2 2 2 ) 代入公式( 2 2 0 ) ，即得不均匀电场中自持放电的判据： f 【e 一( e p ) 。p k = k c ( 2 2 6 ) 图2 3 画出间隙中电场分布曲线，图中阴影线表示的面积4 就是公式( 2 - 2 6 ) 左边的积分项。因此当这一面积等于k c 时，即满足自持放电条件( 在稍不均 匀电场中是击穿条件，在极不均匀电场中是电晕起始条件) 。不均匀电场中放电 时，间隙的最大场强e 啪。大于陋p ) 。p ，且电场越不均匀，则e 一【= t ( e p ) 。p 高 得越多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 3 不均匀电场中自持放电的条件 图2 3 还表明，当电场分布一定时，e 一一陋p ) o p 的值还和k c 有关。 所以当e = 厂g ) 和陋夕) o 一定时，k c 值越大则发生自持放电时e 一值越大， 也就是说平均放电场强越大，因为平均放电场强e 与e 一有如下关系： e 。= e 一厂 ( 2 - 2 7 ) 式中，厂为电场不均匀系数。 包括s w 6 在内的各种负电性气体的( e p ) 。和ki c 值是不同的。在均匀电场 中，当p d 1m p a m m 时，e 。只与气体的( e p ) 。有关；而在不均匀电场中，e 。 与伍p ) 。和k c 均有关。为了说明气体在不均匀电场中的优越程度，引入气体 优异值m ( 其量纲为m p a - r a m ) 。 m = k c ( g l p ) o ( 2 2 8 ) 在选择绝缘气体时，希望其( e p ) 。和ki c 值均较大，因为在工程应用中， 多数情况是不均匀电场( 指宏观的不均匀电场或由于电极表面缺陷引起的微观 不均匀电场) 3 8 , 4 2 】。 2 3s f 。在不同电场下的击穿特性 2 3 1s f 6 均匀电场中的击穿 在均匀电场中，s f 6 气体的绝缘强度远远高于空气。图2 4 所示为均匀电场 中s f 6 气体、空气、高真空和变压器油的直流击穿电压的比较。 量 “ p 口 kp 嚣 ，i 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 6 0 0 k 越 b 4 0 0 ： sj |? | ， 3 ，一一 | 。 夕 。 珍 夕 。 。 | | ， 6 ，一一 _ 一一_ ，_ 一 =，一一 s ( m m ) 1 一空气2 8 m p a ；2 一s f 60 7 m p a ；3 一高真空； 4 一变压器