2.4六氟化硫和气体绝缘电气设备

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第四节 六氟化硫和气体绝缘电气设备六氟化硫的绝缘性能 六氟化硫理化特性方面的若干问题 六氟化硫混合气体 气体绝缘电气设备

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六氟化硫(SF6)气体：20世纪60年代开始作为绝缘媒质和灭弧 媒质使用于某些电气设备(首先是断路器) 中； 至今已是除空气外应用最广泛的气体介 质。

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SF6的电气强度约为空气的2.5倍，灭弧 能力更高达空气的100倍以上，所以在超 高压和特高压的范畴内，它已完全取代 绝缘油和压缩空气而成为唯一的断路器 灭弧媒质。

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目前SF6不但应用于单一电力设备，如： SF6断路器、气体绝缘变压器等。 也被广泛采用于将多种变电设备集于一 体并密闭充SF6气体的容器之内的封闭式 气体绝缘组合电器(GIS)和充气管输电 线等装置中。

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一、SF6的绝缘性能SF6具有较高的电气强度，主要是因为 其具有很强的电负性，容易俘获自由电 子而形成负离子(电子附着过程),电子 变成负离子后,其引起碰撞电离的能力就 变得很弱，因而削弱了放电发展过程。

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电场的不均匀程度对SF 电场的不均匀程度对SF6电气强度的影 响远比对空气的大。 响远比对空气的大。 与均匀电场中的击穿电压相比， 与均匀电场中的击穿电压相比，SF6在 极不均匀电场中击穿电压下降的程度比 空气要大得多。 空气要大得多。SF6 优异的绝缘性能只 有在电场比较均匀的场合才能得到充分 的发挥。 的发挥。 在设计以 SF6 气体作为绝缘的各种电 气设备时，应尽可能使气隙中的电场均 气设备时，应尽可能使气隙中的电场均 匀化， 匀化，采用屏蔽等措施以消除一切尖角 处的极不均匀电场， 处的极不均匀电场，使 SF6 优异的绝缘 性能得到充分的利用。 性能得到充分的利用。

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(一)均匀和稍不均匀电场中SF6的击穿SF6电负性气体中的碰撞电离和放电过程时， 除了考虑第一章中所说的α 过程外，还应计及 电子附着过程，它可用一个与电子碰撞电离系 数 α 的定义相似的电子附着系数η 来表示，η 的定义是一个电子沿电场方向运动1cm的行程 中所发生的电子附着次数平均值。可见在电负 性气体中的有效碰撞电离系数α应为：

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参照式1-7,可写出均匀电场中的电子崩增 长规律：

式中：n0-阴极表面处的初始电子数； na-到达阳极时的电子数 这时应该注意：在一般气体中，正离子数 这时应该注意 等于新增的电子数；而在电负性气体中，正离 子数等于新增的电子数与负离子数之和。所以 在汤逊理论中不能将式(1—14)中的 α 简单地 用(α-η)来代替而得出电负性气体的自持放电 条件。

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由于强电负性气体在实用中所处条件均属于 流注放电的范畴，所以这里不再讨论其汤逊自持

放电条件，而直接探讨其流注自持放电条件。为 此，可参照式(1—20)写出均匀电场中电负性气 体的流注自持放电条件为： 实验研究证明：对于SF 气体，常数K=10.5 K=10.5, 实验研究证明：对于SF6气体，常数K=10.5, 相应的击穿电压为： 相应的击穿电压为：

式中： 气压，Mpa, 极间距离， 式中：p-气压，Mpa,d-极间距离，mm

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在工程应用中，通常pd<1MPa mm,所以上式 可近似地写成：

式(2—16)和式(2—17)均表明，在均匀电场中 SF6气体的击穿也遵循巴申定律。它在0.1MPa (1atm)下的击穿场强 ，几乎 是空气的3倍。 前面已经提到，在气体绝缘电气设备中最常见 的是稍不均匀电场气隙，例如同轴圆筒间的气 隙。

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图2—17给出 R/r=1.67~4.06 的同轴圆筒中SF6 的击穿场强Eb与气 压p的关系曲线， 由图中可见击穿场 强并不与气压成正 比，而是增加得少 一些。

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在稍不均匀电场中，极性对于气隙击穿 电压的影响与极不均匀电场中的情况是 相反的，此时负极性下的击穿电压反而 比正极性时低10%左右。冲击系数很小， 雷电冲击时约为1.25,操作冲击时更小， 只有1.05~1.1。

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(二) 极不均匀电场中SF6的击穿在极不均匀电场中， SF6气体的击穿有 异常现象，主要表 现在以下两个方面： 如图所示，首先是 工频击穿电压随气 压的变化曲线存在 “驼峰”;

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其次是驼峰区段内 的雷电冲击击穿电 压明显低于静态击 穿电压，其冲击系 数可低至0.6左右， 如图2—18所示。

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虽然驼峰曲线在压缩空气中也存在， 但一般要在气压高达1MPa左右才开始出 现，而在SF6气体中，驼峰常出现在 0.1~0.2MPa的气压下，即在工作气压以 下。因此，在进行绝缘设计时应尽可能 设法避免极不均匀电场的情况。

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极不均匀电场中SF6气体击穿的异常现象 与空间电荷的运动有关。 我们知道，空间电荷对棒极的屏蔽作用 会使击穿电压提高，但在雷电冲击电压 的作用下，空间电荷来不及移动到有利 的位置，故其击穿电压低于静态击穿电 压；气压提高时空间电荷扩散得较慢， 因此在气压超过0.1~0.2MPa时，屏蔽作 用减弱，工频击穿电压会下降。