（电气工程专业论文）cClt4gtFlt8gt及其混合气体绝缘性能的研究.pdf

上海交通大学博士学位论文 i n 2 ，c 0 2 和c f 。混合气体的有效电离系数和临界击穿场强，从气体微观 方面研究其均匀电场下的绝缘性能，同时计算其要达到s f 6 绝缘强度需 要增加的压强比率和对应的温室效应g w p ，并与相应的s f 6 混合气体 进行了比较。结果表明，c c 4 f 8 及其和n 2 ，c 0 2 和c f 4 混合气体均匀电 场下的绝缘强度随c - - c , i f 8 含量几乎线性增长，尽管在低c - c , , f 8 含量时稍 低，当c - c 4 f s 含量增加时，开始越来越大于相应的s f 6 混合气体。要达 到纯净s f 6 气体的绝缘强度，c c 腰8 及其和n 2 ，c 0 2 和c f 4 混合气体需 要增加的压强率和相应的s f 6 混合气体差不多，但温室效应却大大降低， 甚至为s f 6 气体的十分之一，大大降低了绝缘气体对环境的影响。 对于不均匀电场，由于击穿过程复杂，用仿真法不容易求出气体的 绝缘强度。本文用实验方法，在不同压强、不同电极间距及不同混合比 下，测量c c 4 f 8 及其和n 2 ，c 0 2 和c f 4 混合气体在不均匀电场下的工频 交流和雷电冲击电压，进而分别与s f 6 n 2 混合气体和纯净s f 6 气体的绝 缘强度进行比较。为了用尽量少的c - c 4 f 8 气体，获得高绝缘性能，在交 流击穿实验中，考虑在n ：2 ，c 0 2 中加入i c - c 4 f 8 ，测试微量c - c , f 8 对 n 2 ，c 0 2 绝缘强度的影响。同时也对三元1 0 c c 4 f d n 2 c 0 2 混合气体的 交流绝缘强度进行研究，探索c 0 2 气体对1 0 c c 4 f s m ：混合气体绝缘 强度的影响。寻找c - c , f 。混合气体耐电强度更高的最佳混合比以及耐电 强度与压力的关系等，为未来c c 4 f 8 混合气体可能用作绝缘介质提供理 论和实验基础。 实验结果表明，对于工频交流绝缘强度来说，c c 4 f s n 2 和s f 6 n 2 混合气体差不多；c - c 4 f 8 和c 0 2 ，c f 4 混合气体高压时大于s f 6 n 2 很多； c c 4 f d n 2 和c - c 4 f d c 0 2 两种混合气体都存在最优混合比；在 1 0 c c 4 f s n 2 混合气体中加入1 c 0 2 ，只要提高压强，就可使其绝缘强 度最大值大大增加，极大的改善了1 0 c - - c 4 f 加电混合气体的绝缘特性。 第u 页 上海交通大学博士学位论文 三种c - c , f 。混合气体的负、正雷电冲击绝缘强度在低压时都低于 s f 6 很多，但随着压强的增加，除c c 4 f 加电混合气体的正极性雷电冲击 低外，都大于s f 6 气体，尤其是c c 4 f d n 2 混合气体负极性和c - c 4 f dc 0 2 混合气体的正极性雷电冲击电压。 关键词：c - c 4 f 8 混合气体，绝缘性能，三元混合气体、改进蒙特卡罗方法， 实验测量 上海交通大学博士学位论文 r e s e a r c h e so ni n s u l a t i o nc h a r a c t e i u s t i c s o fc - c 4 f 8a n di t sm i x t u r e s a b s t r a c t i ti s u r g e n tt of r e dn e wa l t e r n a t i v ed i e l e c t r i cg a s e st op u r es f 6f o r p o s s i b l e i m m e d i a t eo rf u t u r eu s ei n e x i s t i n g o rm o d i f i e de l e c t r i c a l e q u i p m e n t d u et oi t sh i g hg w p c - c 4 f 8g a sm x t u l - e sh a v eb e e nl i s t e da st h e m o s tp o t e n t i a lf o ru s ea sag a s e o u sd i e l e c t r i ci nn s tt e c h n i c a ln o t e1 4 2 5 i n1 9 9 7 h o w e v e r , t h e r eh a sf e wr e s e a r c h e s0 nt h i sg a sm i x t u r es i n c ea c i n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc - c 4 f 8g a sm i x t u r e si ns h o r tg a pd i s t a n c ew a s i n v e s t i g a t e db yk y o t ou n i v e r s i t y i n2 0 0 1 啦p a p e rw i l li n v e s t i g a t e c o m p r e h e n s i v e l yt h ea ca n dl i g h t i n gi m p u l s ei n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c - c o g a sm i x t u r e sw i t hn 2 ，c 0 2a n dc f 4i nu n i f o r ma n dn o n - u n i f o r m f i e l d b e c a u s eg a sb r e a k d o w np r o c e s si nu n i f o r mf i l e di s s i m p l e ，t h e d i e l e c t r i cs t r e n g t ho fg a sc a na p p r o x i m a t e l yb ee x p r e s s e da sl i m i t i n gf i e n w h i c hc a nb eo b t a i n e db ym o n t ec a r l os i m u l a t i o no fg a sd i s c h a r g e i nt h i s p a p e r , a l li m p r o v e dm e t h o di sa d v a n c e dt oa c c e l e r a t et h es i m u l a t i o no f m o n t ec a r l oi nw h i c ha nu p p e rb o u n di ss e tf o re a c hc o l l i s i o nr a t ei n a d v a n c e w h e m e rt h ec o l l i s i o ni sr e a lo rn u l li sd e c i d e da f t e rc h o o s i n ga c o l l i s i o np r o c e s st h a tm i g h th a v eo c c u r r e da c c o r d i n gt ot h e s eu p p e rb o u n d s b yt h i sw a y , o n l yo n ec o l l i s i o nc t o s ss e c t i o nn e e d st ob ec o m p u t e da te a c h t i m es t e pt oc o n t i n u et h es i m u l a t i o n , w h i c hi m p r o v e sg r e a t l yt h er u n n i n g s p e e d , e s p e c i a l l yf o rs i m u l a t i o no fg a sm i x t u r e a tt h es a m et i m e , t h e i m p r o v e dm e t h o di sv e r i f i e db y a v a i l a b l ed a t ao fs f 6a n dc 0 2 g a s m i x t u r e s 上海交通大学博士学位论文 a f t e ras o to fi s o t r o p i cc o l l i s i o nc r o s ss e c t i o n si sc h o s e dw h i c hi s c o n s i s t e n tw i t hg a sd i s c h a r g e s p a r a m e t e r sm e a s u r e di np u r eg a s ，t h e i m p r o v e dm o n t ec a r l oi su s e dt os i m u l a t et h em o t i o no fe l e c t r o n si nc - c 4 f 8 g a s m i x t u r em o l e c u l ew i t h n 2 ，c 0 2a n dc f 4 e f f e c t i v e i o n i z a t i o n c o e f f i c i e n t sa n dl i m i t i n g 矗e l da r eo b t a i n e dt oa n a l y s i st h ei n s u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s eg a sm i x t u r e si nu n i f o r mf i e l d a tt h es a m et i m e 。 r e q u i r e dg a sp r e s s u r er a t i oc o m p a r a b l ew i t hi n s u l a t i o np r o p e r t yo fs f 6a n d g w po fg a sm i x t u r e sr e l a t i v et op u r es f 6 a r ea l s oc a l c u l a t e d ，a n da l et h e n c o m p a r e dw i t ht h o s eo fc o r r e s p o n d i n gs f 6g a sm i x t u r e 1 1 1 er e s u l t ss h o w t h a ti n s u l a t i o ns t r e n g t ho fc - c 4 f sg a sm i x t u r e sw i t hn 2 ，c 0 2a n dc f 4i n u n i f o r m1 l db e c o m em o r ea n dm o r el a r g e rt h a nt h a to f c o r r e s p o n d i n gs f 6 g a sm i x t u r e sw h e nc - c , f sg a s c o n t e n ti n c r e a s e t h e i rr e q u i r e dp r e s s u r er a t i o c o m p a r e dw i t hi n s u l a t i o ns t r e n g t ho fs f 6 9 a sa r ea l m o s tt h es a m e ，b u tg w p o f t h ef o r m e ri sf a rl e s st h a nt h a to f t h el a t t e r f o rn o n - a n i f o r mf i e l d , i ti sn o te a s yt oo b t a i nd i e l e c t r i cs t r e n g t ho n l y b ys i m u l a t i o nb e c a u s ep r o c e s so fg a sb r e a k d o w ni sv e r yc o m p l e x s ow e m e a s u r e d e x p e r i m e n t a l l ya ca n dl i g h t i n gi m p u l s eb r e a k d o w nv o l t a g ei n d i f f e r e n t p r e s s u r e ，d i s t a n c e a n d m i x i n g r a t i ot o a n a l y s i s i n s u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f c - c 4 f sg a sm i x t u r e sw 曲n 2 ，c 0 2a n dc f 4i nn o n - u n i f o r m f i e l d ，w h i c ha r et h e nc o m p a r e dw i t ht h a to fs f 6 n 2g a sm i x t u r ea n ds f 6g a s r e s p e c t i v e l y w ea l s om e a s u r e da cb r e a k d o w nv o l t a g e so f1 c - g f sg a s m i x t u r ea n d1 0 c - c , f dn 2 c 0 2t e r n a r yg a sm i x t u r ei no r d e rt oo b t a i nt h e b e s td i e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c sb ya sp o s s i b l ea sl o wc - c 4 f sg a sc o n t e n t b e s t m i x i n gr a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i po fi n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i t hp r e s s u r e a r ef o u n d ，w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o r a p p l i c a t i o no f c - c 腰8g a sm i x t u r ei nh i g l lv o l t a g ea p p a r a t u s f o ra cb r e a k d o w n t h ei n s u l a t i o ns t r e n g t ho fc - g f ：2i sa l m o s tt h e s a m ea st h a to fs f 6 n 2 ，w h i l et h a to fc - g f 8g a sm i x t u r ew i t hc 0 2 ，c f 4a r c l a r g e rt h a nt h a to fs f 6 n 2 t h e r ee x i s t st h eb e s tm i x t u r er a t i of o rc - c 4 f s n j a n dc - g f d c 0 2 g a sm i x t u r e s 1 1 1 ei n s u l a t i o ns t r e n g t ho fi o c - c 4 f s n 2g a s m i x t u r e sw i l lb ei n c r e a s e dg r e a t l ya f t e rm i x e dw i t hl c 0 2g a s ，w h i c h 第v 页 上海交通大学博士学位论文 i m p r o v eg r e a t l yt h ei n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f1 0 c - c 4 f s n 2g a sm i x t u r e s a tl o wp r e s s u r e ，l i g h t i n gi m p u l s eb r e a k d o w nv o l t a g e so fc - c 4 f 8g a s m i x t u r e s 、析mn 2 ，c 0 2a n dc f 4a r ea l l l o w e l t h a nt h a to fs f 6g a s h o w e v e r , a sp r e s s u r ei n c r e a s e ，i n s u l a t i o ns t r e n g t ho fa l lc - c a f sg a sm i x t u r e sa r el a r g e r t h a nt h a to fs f 6g a se x c e p tp o s i t i v ep o l i a r i t yf o rc - c 4 f d n 2g a sm i x t u r e s ， e s p e c i a l l yf o rn e g a t i v ep o l i a r i t yo fc - c 4 f d n 2a n dp o s i t i v ep o l i a r i t yo f c - c a f dc 0 2g a sm i x t u r e s k e y w o r i d s ：c - c 4 f sg a sm i x t u r e ，d i e l e c t r i cs t r e n g t h ，t e r n a r yg a sm i x t u r e s , m o n t ec a r l o ，e x p e r i m e n t 第v l 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 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 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：关重挑 日期：2 州年斗月i o 日 上海交通大学 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，同慈学校保留并向国冢有 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。本人授权上海交通大 学可以将本学位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 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：关重匆k 指导教师鐾喜彳双 f t 舞l - 抽0 1 年4 月l 口日 日期： 司年 伽( o h 、 第一章绪论 1 1 现有气体绝缘介质的缺点 气体有着其它绝缘介质无法比拟的特性：不会老化，使用寿命几乎没有限制【l l ； 气体绝缘设备体积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、配置灵活和维护简单、 检修周期长等，加之在技术上的先进性和经济上的优越性，已广泛应用于城市供电、 发电厂、大型工矿企业、石油化工、冶金和铁道电气化等高压输变电系统中，如气 体绝缘变压器、输电线路、断路器、电缆、气体组合电器等，工作电压包括从3 5 k v 到1 2 0 0 k v 的所有等级。s f 6 气体具有良好的物理化学性能：遁常情况下，化学稳定性 好，不容易和其它物质发生反应；不燃不爆，具有很高的安全性和可靠性；尤其是 具有极高的绝缘强度和灭弧性能，所以现有电力系统中的气体绝缘设备绝大多数都 采用纯净s f 6 气体作为绝缘介质。从发现s f 6 气体至今大约百年的历史，它的广泛 应用促进了高电压绝缘及输变电技术的迅猛发展 2 1 。 s f 6 气体在应用中也存在一些不足之处：s f 6 气体价格昂贵，不适用于用气量 大的电气设备：在实际电力设备中，电极间导电微粒和电极表面粗糙度引起的不均 匀电场不可避免存在，s f 6 气体的耐电强度在这神情况下急剧下降；s f 6 气体的液 化温度较一般普通气体高，不适用于严寒地区1 3 - 4 1 。许多研究结果表明，添加适当的 缓冲气体到s f 6 气体中，可以改变s f 6 气体的放电特性和绝缘性能，国内外研究的比 较多的是s f 6 n 2 、s f d c 0 2 、s f d 空气以及s f d c f 4 混合气体。其中4 0 - 5 0 s f d n 2 ， 5 0 - 5 0 s f d c f 4 的绝缘设备现在已经在某些电力系统投入使用，主要原因是s f 6 n 2 能有效地克服s f 6 气体的弱点；首先f d n 2 能有效地解决s f 6 在严寒地区的液化问题 1 5 1 ，如一般的s f 6 开关在3 0 c 时气体已经液化，而混合比为6 0 1 4 0 的s f d n 2 的液化温 度一般在枷以下；其次s f 6 i 町2 对于用气量大的c g i t 能带来可观的经济效益，如 混合比为5 0 5 0 的s f 6 n 2 可使c g i t 的气体费用减少4 0 t 6 1 ；此外s f 卵屯对电极表 面粗糙度和导电微粒的敏感性 比s f 6 谢堋，说i i j s f d n 2 能提高电力设备的可靠性。而 s f 6 n 2 与s f 6 的耐电强度相比下降甚少，如混合比为5 0 的s f 6 n 2 的耐电强度仅比s f 6 的酎电强度下降1 1 左右【l 田。5 0 s f d c f 4 主要是考虑到c f 4 气体沸点极低，适合子 i i i 第i 页 上海交通大学博士学位论文 高寒地区绝缘设备的使用【l l l 。 然而，s f 6 作为绝缘气体的一个最严重的问题就是1 9 9 7 年京都协定书上提 出的温室效应【1 2 】。它的g w p 为c 0 2 气体的2 3 9 0 0 倍，在该会议上已明确把该气体列 为未来减少甚至杜绝使用的高环境污染气体，减轻温室效应气体对环境的影响已经 成为最近几年的研究热点。上面提到的s f 6 n 2 等混合气体在实际应用中，为了保证 高的绝缘强度，s f 6 混合比一般不小于5 0 ，g w p 仍然是s f 6 气体的二分之一，不 能从根本上解决s f 6 的温室效应。如果能找到一种比s f 6 气体温室效应低很多的强绝 缘气体，并且它的混合气体的绝缘强度能够达到甚至超过s f 6 或s f 6 ，n 2 混合气体， 则绝缘介质对环境的影响则可大大降低。因此寻找新的绝缘s f 6 替代气体成为未来 发展的必然。 s f 6 高的绝缘特性是由其分子结构决定的：s f 6 分子结构是对称的八面体，硫( s ) 原子居其中，六个角上是氟原子，s 与f 原子键以共价键连接。六个顶向上的f 原 子是非常活泼的原子，在原子核外，内层电子数为2 ，外层电子数为7 ，仅缺一个 电子便达到稳定的电子层分布。原子核最外层电子数超过4 时，便有吸附外部电子 的能力，随外层电子数增加，其吸附电子的能力也增加，外层电子数为7 的氟原子 在卤族元素中具有最大的电子亲合能，因此具有较强的吸附电子的能力。s f 6 特有 的强力吸附电子的能力，称为负电性。s f 6 的负电性比空气高几十倍，极强的负电 性使s f 6 气体具有优良的绝缘性能，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，大大阻碍了碰撞电离过程的发展，使极间电离度下降， 而耐受电压能力增强。 正如从s f 6 气体分子结构分析，s f 6 气体具有高的绝缘能力是因为它是一种强电 负性气体。电负性气体的击穿场强都很高，其主要原因是其在低能范围内的附着截 面比较大，易于附着电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和 正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。其次 是这些气体的分子量和分子直径都较大，使电子在其中的自由程缩短，不易积聚能量， 因而减少了电子碰撞电离的能力。所以新的绝缘气体应该是电负性气体或卤化气体， 实现高的绝缘能力 绝缘气体的基本要求是无毒、无臭氧破坏能力，先排除了虽然有高绝缘强度但 有毒有臭氧影响的电负性气体，然后从附着截面入手，查找在低能范围内具有大附 着截面的气体，最后找到了具有较高附着截面且无毒无臭氧影响的三种气体：c c 4 f s 、 c 3 f o 和c 2 f 6 ，通过对这三种气体文献的查找，发现日本名古屋大学电气工程系和名 古屋电力公司2 0 0 2 年研究了c 3 f o 、c 2 f 6 和n 2 混合气体在极不均匀电场下的局部放电 第2 页 上海交通大学博士学位论文 1 和击穿机理，得出c 3 f s 、c 2 f 6 和n 2 混合气体电气绝缘方面的协同效应小于s f ；和n 2 混合气体，当c 3 f 8 和c 2 f 6 气体混合比不大时，混合气体的绝缘强度几乎不随它们的 量增加，甚至在电极间距为5 0 m m 时，它们的击穿电压远小于s f 6 和n 2 混合气体，这主 要是由于这两种气体的电负性低于s f 6 气体的缘故i l 习。 1 2c _ c 4 f 8 气体特性及其混合气体绝缘性能研究进展 目前c - c t f 8 气体是重要的有机化工原料之一。在等离子体的作用下发生聚合反 应，可在一些制件上生成薄膜。主要用于等离子体刻蚀和视网膜脱离外科手术、食 品工业的喷射剂、制冷剂，含氟化合物聚合时的介质。 从化学结构上看，电子衍射和红外线研究都显示c c 4 f 8 气体中的碳原子并不在一 个面上，它有一个折叠结构，属于d 2 d 对称点群。碳一碳键是弯曲的，但弯曲程度不 大。相邻两个碳原子的s p 3 杂化轨道也没有同一条直线上进行重迭，但其重迭程度稍 微大些，四个碳原子不在同一平面内，为一种蝶式构象，而“翼”上下摆动，与平 面约成3 0 。角，使键角张力有所降低。它的化学结构如图1 1 所示。所以c c 4 f i 气体 化学稳定性比较好。 o ， c 图1 1c c 4 f 8 气体的化学结构示意图 f i g u r el ，1t h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo f c - - c 4 f ag a s 另外，s f 6 气体具有高的绝缘强度主要是因为其在低能范围内有极高的附着截 面，c - c 4 f s 气体附着截面在低能范围内也很高( 这在后面的截面介绍里可以看出) ， 纯净c c 4 f 3 气体在均匀电场下的绝缘强度是s f 6 气体的1 3 倍左右。并且c - c a 。s 是一种 无色、无味，不可燃的气体；温室效应g w p 为8 7 0 0 ，是s f 6 的三分之一，对环境的影 响远远小于s f 6 ；而且这种气体完全无毒，无臭氧影响，有很大潜力作为绝缘介质 用于高压电力设备。 纯净c - c 4 f s 气体用作绝缘介质的一个缺点就是价格比较昂贵，目前它的价格差 不多是s f 6 气体的十倍左右。另外c - c 4 f s 气体分子结构中存在碳原子，有可能分解 产生导电微粒，降低气体绝缘设备的绝缘性能。最后一个缺点就是液化温度比较高， 第3 页 上海交通大学博士学位论文 它的沸点为8 c ，比较容易液化，不适合在高寒地区使用。然而随着c c l f s 气体在 绝缘设备和半导体刻蚀中的广泛使用，价格的下降是完全有可能的；如果o - c 4 f 3 气 体仅用作没有电流中断能力的开关设备，则不存在或者说很少有机会发生分解的放 电。并且正如日本东京大学指出的一样，这些缺点都可以通过添加价格便宜的、液 化温度比较低且不存在碳分解的n 2 。c 0 2 等缓冲气体到c - c , f ：气体中缓解甚至解 决。缓冲气体通过散射把电子能量降低到电负性气体可以附着的能量范围内，阻 止电子崩增长| 1 6 1 5 l ，使得混合气体的耐电强度不会比纯净c c 4 f 。气体降低很多。 c - c 4 f 8 混合气体作为绝缘介质的应用已引起了国内外电力和环境相关专家的 重视：1 9 9 7 年美国国家标准和技术协会技术会议上把c - c 4 f 3 混合气体列为未来应 该长期研究有潜力的绝缘气体【1 6 1 ；2 0 0 1 年日本东京电力工业中心研究机构和东京 大学提出了应用c - - c 4 f 8 气体混合物作为绝缘介质【1 7 1 作为绝缘介质，一个最重要 的特性就是要和s f 6 气体一样具有很高的绝缘强度，另外气体激光的迅速发展， 也使得研究c - c 4 f s 混合气体的绝缘强度受到很大重视。日本东京大学研究了 2 - l o m m 间隙下的交流击穿电压，然而实际电力设备电极距离一般很大，此外再没 有c - c 4 f , 气体混合物的击穿研究。所以本文将比较全面的研究c - c 4 f , 及其和n 2 ， c 0 2 和c f 4 混合气体绝缘强度。 1 3 电场作用下气体介质击穿过程 气体击穿是由于电子或光子与气体分子碰撞的结果，这些碰撞过程可能产生电 子和离子的增殖，从而形成电子崩，导致自持放电的建立，当电子崩发展强烈时， 便可以使气体击穿。电子和离子的产生和消失，正是由这些碰撞过程和电子与离子 的输运特性所决定。气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影响因素为作用电 压、电极形状、气体的性质及状态等。气体介质击穿常见的有工频交流电压击穿和 雷电冲击电压击穿。下面将分别介绍均匀和不均匀电场下气体的击穿过程。 气体中流通电流的各种形式统称为气体放电。处于正常状态并隔绝外电离因素 的气体是完全不导电的。由于来自空中的紫外线、宇宙射线及来自地球内部辐射线 的作用，通常气体中总存在少量带电质点。例如大气中每立方厘米就总是存在约 1 0 0 0 对，厘米3 正、负离子( 气体分子带电后称为正离子或负离子) 。在电场作用下， 这些带电质点沿电场方向运动造成电导电流，所以气体通常并不是理想绝缘介质， 但当电场较弱时，由于带电质点极少，气体的电导也较小，仍为优良的绝缘体。 在外加电场强度尚不能使气隙中产生撞击游离时，气隙中的电流是由外来游离 第4 页 上海交通大学博士学位论文 因素引起的电子和离子所形成的，其数量极微，故电流也极微，气体的电导也较小。 仍为优良的绝缘体。在电压的最初升高以后，外界因素所造成的电子和离子接近全 部被吸向电极时，再增高电压，并不能使电流随着增大，电流趋向饱和。饱和电流 的值仍极微小，只能看作是微小的泄漏。但随着气隙中场强的增大，电子和离子在 与气体分子相邻两次碰撞间所积累的动能也增大了，场强高达某一定值，使这种能 量的积累达到撞击游离所需值时，气体中即发生撞击游离，游离出来的电子又参与 到撞击游离的过程中去。于是游离过程就像雪崩似地增长起来，称为电子崩，电流 也相应地有较大的增长。但在场强小于某临界值时，这种电子崩还必须有赖于外界 游离因素所造成的原始游离才能持续存在；如外界游离因素消失，则这种电子崩也 随之逐渐衰减以至消失，而不能自己维持下去，这种放电称为非自持放电。当场强 达到或超过临界值时，这种电子崩已可仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再 依赖于外界游离因素了，这种性质的放电称为自持放电。由非自持放电转入自持放 电的场强称为临界场强，相应的电压称为临界电压。 游离放电的迸一步发展和转变到气隙击穿的最后过程将随电场情况而不同，可 分为均匀或大体均匀电场和不均匀电场两大类 ! s - 2 “。 在均匀和大体均匀的电场中，各处场强差异不大，任意某处形成自持放电时， 电子崩所形成的空间电荷将促使其它部分局部放电增强，自持放电会很快地发展到 整个间隙，当外施加电压上升到间隙内气体的击穿场强时，气隙即被击穿了。所以， 在均匀、稍不均匀电场中，击穿与电压源类型没有关系，直流放电、工频交流和冲 击放电电压是一致的。气隙的击穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。气 体中发生击穿及闪络时除电导突增外，通常还伴随有发光及发声等现象。发生击穿 或闪络的最低临界电压称为击穿电压或闪络电压( 击穿电压和闪络电压有时也笼统 地称为放电) 。均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称为击穿场强，它反映了气体 耐受电场作用的能力，也就是气体的电气强度。 不均匀电场与均匀电场的差别就是在气体间隙内，各点的电场强度不一样，放 电发展过程就不弼了。在电力线集中的电极附近，电场强度最大：而电力线巯的地 方，电场强度很小，在棒板间隙，在棒电极附近电场强度最大，当加上高压后，会 在电极附近首先产生气体的局部放电，也就是电晕放电，电压继续升高时，电晕放 电将更加强烈，间隙中将产生刷状放电，最后间隙将产生电弧放电，也就是击穿了。 不均匀电场会有电晕放电、刷状放电、火花放电，直至电弧放电的过程。均匀电场 放电没有这些过程，这就是不均匀电场与均匀电场放电之间的差别。例如在尖端电 极的情况。在电压还较低时，尖极处的场强就已可能超过临界值，尖极处即出现白 第5 页 上海交通大学博士学位论文 持放电。由于离尖极稍远处场强已大为减小，故游离放电只能局限在尖极附近的空 间而不能扩散出去。该区内所形成的离子在复合时( 或被激励的气体分子在回到常 态时) 将辐射出光子，其中有一部分在可见的频谱范围内( 其它大部分为紫外光) ， 人们看见有均匀稳定的发光层笼罩在电极周围，这就是电晕。当电压再提高时，如 电极闽距离不大，则可能从电晕放电直接转变成整个间隙的火花击穿；如电极间距 离大时，则从电晕到击穿之间还有刷形放电的过渡阶段，此时放电集中成为个别的 光束，从一个电极出发，向另一个电极方向延伸，但达不到另一个电极，这种刷形 放电在空间还不断交更位置。刷形放电是气隙的不完全击穿。当电压再增高时，刷 形放电增长到达对面的电极，就转变为火花击穿。当电源功率足够大时，火花击穿 迅速即转变为电弧。在不均匀电场下，当电压加在棒板间隙时，其放电过程就经历 上述的过程。 1 4 不同场强下气体绝缘强度分析方法 众所周知，电力系统的工作电压为5 0 i - i z 交流，另外，自然界中的雷电活动频繁， 自从工业电网出现以后，成为威胁电两安全供电、用电的重要因素。雷电活动是大 范围、大功率的放电现象。气体绝缘设备必须在各种波形电压下都具有较强的绝缘 强度。因此有必要研究c - c 4 f 8 混合气体在工频交流和雷电冲击下的耐电强度。 由于气体在均匀电场下的绝缘强度比较强，电极一般尽可能设计使得电极问为 均匀电场，所以研究均匀电场下的绝缘特性极为重要。从以上的均匀电场气体击穿 过程可以看出，由于各点电场强度都是一样的，所以，当施加稳态电压( 工频交流 电压、雷电冲击电压) ，电场强度达到气体的击穿场强时，间隙就击穿了。击穿形 式比较简单。尽管可以通过击穿实验测量击穿电压，或通过脉冲或稳态汤逊实验测 电子碰撞电离系数与电子附着系数算得；但这些实验过程复杂，花费时间和投资都 很大。实际上用蒙特卡罗或玻尔兹曼仿真混合气体放电过程，就可以求出临界击穿 场强，进而预测气体绝缘强度 - 2 4 1 。所以本文用蒙特卡罗法仿真气体放电过程，分 析均匀电场下气体的绝缘强度。气体介质一般可以分为强电负性气体，如s f 6 、e c , f s 等、弱电负性如c 0 2 等和中性如n 2 等气体三种类型。当这些类型的气体组成二元混合 气体后，其均匀电场下的耐电强度与其混合比之闻呈现一定的变化规律，由变化规 律可以把二元混合气体分为正协同效应型，协同效应型、线性关系型和负协同效应 型。混合气体的耐电强度并非简单地将各种成份的耐电强度按比例相加，即使两种 强电负性气体混合后不一定呈现正协同效应，有可能出现负协同效应现象 2 5 j ，本文 第6 页 上搏变通大学博士掌位论文 也分析c - c 4 f s 及其和n 2 ，c 0 2 和c f 4 混合气体的协同效应。 由于制造加工过程中不可避免存在瑕疵，如气体不纯净、有悬浮杂质微粒、电 极表面粗糙、凸凹不平、支撑绝缘子表面污秽、表面划痕或绝缘子内部含有气泡或 者杂质等，都可能引起气体绝缘高压电器局部电场畸变。当局部电场强度畸变达到 或超过气体的耐压强度时，将发生局部放电乃至整个绝缘击穿，因此绝缘气体除了 保证均匀电场下具有高绝缘强度外，在电场强度畸变下的不均匀电场下也应该具有 比较高的绝缘强度。从以上的分析可以看出，不均匀电场下气体击穿过程比较复杂， 从局部放电到击穿，需要经过电晕放电、先导放电等复杂过程，尽管已经有许多学 者提出了流注理论，先导击穿等数学模型，然而模型复杂。另外混合气体的绝缘强 度与混合比、电极间距和气体压强并不是有规律变化的，这些都不易通过仿真实现 2 6 - 3 。因此用实验方法研究不均匀电场下c - c 4 f 3 及其和n 2 ，c 0 2 和c f 4 混合气体的交 流和雷电冲击击穿规律，充分利用气体介质的电特性，对进一步开发新型气体绝缘 高压电器设备并保证其安全可靠运行具有现实意义。 这些气体绝缘强度的理论研究和实验成果不仅为高电压绝缘技术领域提供坚实 的理论和实验依据，也促进其它学科领域的技术进步和发展，包括加速器、气体激 光器、磁流体发电、等离子体推进及等离予刻蚀等新兴技术领域。 1 5 蒙特卡罗法研究混合气体均匀电场绝缘强度 气体的绝缘强度是指使气体不发生击穿的能力，具有高绝缘强度的一个重要因 素是气体能够在宽的能量范围内附着电子形成稳定负离子，阻止由电子分子碰撞引 起的电子增长的能力。在电负性气体中，只有电场与分子密度比值( e n ) 大于临 界击穿场( e n ) l j 。( 也就是电子电离和附着相平衡时对应的场) ，击穿才有可能发 生。大多数电负性气体在均匀电场中的击穿电压，根据p a s c h e n 定律，仅是气体压 力和电极之间的距离的函数。在p d 值足够大的范围内，即在p a s c h e n l 曲线的最小值 之右侧，击穿电压与p d 的关系可以看作是线性关系，即可表示为 ( ，p 弦= ( e 力 ( 1 1 ) 圪= ( e n ) u n d ( 1 2 ) 其中( e ，p ) 。为( e 力的临界值，圪为击穿电压。换言之，在p a h e n 曲线的 这一直线范围内，其斜率就是该气体的( e ，西。值。对于n d 值比较大的均匀电场 第7 页 上j 母燹通大学博士学位论文 来说，击穿电压仅仅稍微大于( e ，n ) n i 。n d ，因此临界击穿场强是一个衡量电负性 气体或其混合物在均匀电场下绝缘强度很好的标准。 临界击穿场强也就是气体有效电离系数等于零对应的场强，所以可以用微观模 型仿真气体放电过程，得到有效电离系数随场强变化的关系曲线，求出气体的临界 击穿场强，来预测均匀电场下气体的绝缘强度。采用微观模型分析气体放电过程， 主要是研究气体放电中电子的各种碰撞过程，以及这些碰撞过程最终造成的电子的 数量、速度和位置变化，对这些参数进行统计确定电子崩放电参数，一般采用玻尔 兹曼方程解析法和蒙特卡罗模拟方法。 虽然气体放电可以用玻尔兹曼微分方程描述。但在计及碰撞项下，玻尔兹曼方 程是一个含有7 个独立变量的偏导数和积分算符的积分一微分方程。此外。在一般情 况下放电气体中不同组元之间的动力学方程不是独立无关的。它们之间的联系，起 因于两种粒子的分布函数同时进入了双体相互作用碰撞项的被积式中。因为碰撞时 粒子进行能量和动量交换，在考虑到电离和附着、去附着的条件下，情况更为复杂， 致使它们的速度分布相互影响，所以这个联系是很自然的。在一般情况下，解这个 环环相扣的微分积分方程组是非常困难的，故求解只能是在简化方程的基础上进 行，与面临的实际问题可能相差甚远，以致解答根本无法应用。只适用于仿真比较 简单的气体放电过程【3 2 1 。 蒙特卡罗方法【3 3 1 ，就是根据待求随机数变化规律，根据物理现象本身的规律， 或者人为地构造出一个合适的概率模型，依据该模型进行大量的统计实验，使它的 某些统计规律正好是待求问题的解，这就是蒙特卡罗方法的基本思想。然后通过模 拟一统计试验，即对其随机抽样试验，统计出某事件发生的百分比。只要试验次数 很大，该百分比便近似于事件发生的概率。这实际上就是概率的统计定义，利用建 立的概率模型，求出要估计的参数。蒙特卡罗方法属于试验数学的一个分支，又称 随机抽样法或统计试验法。蒙特卡罗方法适用范围很广泛，它既能求解确定性的问 题，也能求解随机性的问题，以及科学研究中的理论问题例如利用蒙特卡罗方法 可以近似地计算定积分 蒙特卡罗方法通过抓住事物运动几何数量和几何特征，利用数学方法来加以模 拟，即进行一种数字模拟实验，它以一个概率模型为基础，按照这个模型所描绘的 过程，通过模拟实验的结果，作为问题的近似解。可以把蒙特卡罗解题归结为三个 主要步骤：构造或描述概率过程；实现从己知概率分布抽样；建立各种估计量。 ( 1 ) 构造或描述概率过程 对于本身就具有随机性质的问题，如粒子输运问题，主要是正确描述和模拟这 第8 页 上海交通大学博士学位论文 个概率过程；对于本来是确定性问题，比如计算定积分，就必须事先构造一个人为 的概率过程，它的某些参量正好是所求问题的解，即要将不具有随机性质的问题转 化为随机性质的问题 ( 2 ) 实现从己知概率分布抽样 构造了概率模型以后，由于各种概率模型都可以看作是由各种各样的概率分布 构成的，因此产生己知概率分布的随机变量或随机向量就成为实现蒙特卡罗方法模 拟实验的基本手段