任务六 绝缘介质及放电机理
在电力系统中，气体（主要是空气）是一种使用得相当广泛的绝缘材料，如架空线、母线、变压器的外绝缘，隔离开关的断口处。此外在绝缘材料内部或多或少含有一些气泡，故气体放电研究是高电压技术的一项基本任务。除了空气绝缘外，另一种气体SF6特性在前面已经介绍过了。
一、气体放电的机理
通常情况下，气体中有少量带电离子，是良好的绝缘介质，但当电场较弱时，气体电导极小，可视为绝缘体。在强电场作用下，沿电场方向移动时，在间隙中会有电导电流。当气体间隙上电压提高至一定值后，可在间隙中突然形成一个传导性很高的通道，此时称气体间隙击穿，也就是气体放电，气体由绝缘状态变为导通状态，失去绝缘的性能。使气体击穿的最低电压称为击穿电压。均匀电场中，击穿电压与间隙距离之比叫击穿场强，它反映气体耐受电场作用的能力，即气体之电气强度。不均匀电场小，击穿电压与间隙距离之比称为平均击穿场强。图1-27为击穿电压与击穿场强关系。
图1-27 击穿电压与击穿场强关系
气体放电分非自持放电与自持放电，当电压达到一定程度时，气体需要依靠外界游离因素支持的放电称非自持放电，当外界条件不作用时，放电终止。如果当外界游离因素不存在时，间隙中放电依靠电场作用继续进行下去，这种放电形式为自持放电，自持放电只依靠电场的作用自行维持的放电。外界游离因素是由于带电质点产生，有碰撞游离、光游离、热游离、金属表面游离，而质点的消失有定向运动、扩散、复合。
气体发生击穿时，伴有光、声、热等现象，与电源性质、电极形状、气体压力等有关。气体放电现象存在以下几种主要形式。
1.辉光放电
外加电压增加到一定值时，通过气体的电流明显增加，气体间隙整个空间突然出现发光现象，这种放电形式称为辉光放电。辉光放电的电流密度较小，放电区域通常占据整个电极同的空间。辉光放电是低气压下的放电形式，验电笔中的氖管、广告用霓虹灯管发光就是辉光放电的例子。
2.电晕放电
对于尖电极的极不均匀电场气隙，随外加电压的升高，在电极尖端附近会出现暗蓝色的晕光，并伴有咝咝声，称为电晕放电。发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小。电气设备带电的尖角和输电线路，在运行中时有发生这种电晕放电，会听到哩哩的声音，嗅到臭氧的气味。电晕放电是一种自持放电形式。电晕放电会增加损耗、对线路有干扰和腐蚀，为了限制电晕，可采用分裂导线法或者在电极使用均压罩和均压环。
3.火花或电弧放电
在气体间隙的两极，电压升高到一定值时，气体中突然产生明亮的树枝状放电火花，当电源功率不大时，这种树枝状火花会瞬时熄灭，接着又突然产生，这种现象称为火花放电；当电源功率足够大时，气体发生火花放电以后，树枝状放电火花立即发展至对面电极，出现非常明亮的连续弧光，形成电弧放电。
二、提高气体绝缘措施
在高压电气设备制造时，就会遇到气体绝缘间隙问题。从绝缘角度上说，间隙当然是越大越好，但是从材料和空间来说，希望减小设备尺寸，间隙的距离尽可能缩短。为此需要采取措施，以提高气体间隙的击穿电压。图1-28是长空气间隙不同电场下的交流击穿电压。
提高气体击穿电压可能有两个途径：一是改善电场分布，使其尽量均匀；二是利用其他方法来削弱气体中的游离过程。
图1-28 长空气间隙的交流击穿电压
（一）改善电场分布
1.改进电极形状及表面状态
均匀电场的平均击穿场强比极不均匀电场间隙的要高得多。电场分布越均匀，平均击穿场强也越高。因此，改进电极形状、增大电极曲率半径，电极表面应尽量避免毛刺、棱角等，以消除电场局部增强的现象。
2.在极不均匀电场中采用屏障
屏障靠近尖电极或板电极时，屏障效应消失，正、负极性下出现很大差别。当正尖-负板时，屏障效果显著，靠尖电极一端效果更好。当负尖-正板：屏障靠尖电极一侧可提高击穿电压，若靠板一侧，反而降低击穿电压。图1-29为正尖-负板间隙中屏障的作用。
图1-29 正尖-负板间隙中屏障的作用
屏障当靠近尖电极，使比较均匀的电场区扩大。但离尖电极过近时，屏障上空间电荷的分布将变得不均匀而使屏障效应减弱，因此当屏障与棒极之间的距离约等于间隙的距离的15％～20％时，间隙的击穿电压提高得最多，可达到无屏障时的2～3倍，这是屏障的最佳位置。
值得说明的是，对于直流电压和工频电压，屏障的作用和工频电压下屏障的作用类似，正尖-负板时屏障效果显著，如图1-30所示，对于冲击电压下，正尖电极屏障作用显著，负尖电极屏障作用不明显。
图1-30 直流电压下尖-板空气间隙的击穿电压和屏障位置的关系
（二）削弱游离
1.采用高气压
由巴申定律可知：当提高气体压力时，可以提高间隙的击穿电压，如图1-31所示。
图1-31 均匀电场中几种绝缘介质的击穿电压与距离的关系
1—2.8MPa的空气；2—0.7MPa的SF6；3—高真空；4—变压器油；5—0.1MPa的SF6；6—大气
2.采用高真空
比较典型的应用就是采用真空断路器，真空断路器因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名。其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。真空断路器主要是3～10kV，50Hz三相交流系统中的户内配电装置，广泛用于工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用，特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所，断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。
3.采用高强度气体
现在最常用的就是SF6气体，其绝缘强度比空气高得多，因此用于电气设备时其气压不必太高，设备的制造得以简化。SF6用于断路器时，气压在0.7MPa左右，液化温度不能满足高寒地区要求，在工程应用中有时采用SF6混合气体，最常用是SF6-N2混合气体，通常其混合比在50％∶50％左右，其液化温度能满足高寒地区要求，绝缘强度约为纯SF6的85％左右。
氟里昂（CCl2F2）的绝缘强度与SF6相近，但由于其破坏大气中的臭氧层，国际上已禁用。
4.改善运行条件
在高压设备运行中，注意防潮、尘污，加强散热冷却，例如变压器排风散热，如图1-32所示。
图1-32 变压器强排风扇
三、气体放电试验
利用高压试验变压器产生高压，加在尖电极或者电板上，调节间隙距离，研究交流电压作用下空气间隙的放电特性，观察沿面放电现象、电晕放电现象，同时增加屏障时对击穿电压的影响。
（1）按照图1-33进行接线。
图1-33 空气击穿试验接线图
（2）在试验前，先用合格的带软铜接地线的放电棒对球隙进行放电，检查各试验设备的连线是否完好，调整好放电球隙的距离，并记录间隙距离。
（3）所有设备及接线检查无误后，将接地棒移开，全部人员需要撤至实验室围栏之外。
（4）在试验台中均匀升高间隙之间的电压，当看到保护球隙有放电火花时，记录下电压表的数值，此数据为间隙的起始放电电压。此时继续升压，当看到间隙有持续的放电电弧出现时，说明间隙已被击穿，迅速记下电压表和电流表的数值，即为击穿电压和击穿电流。
（5）迅速将调压器手柄旋至零，关掉高压，拉下刀闸。
（6）用接地棒对球隙进行放电，然后调整球隙间距，再重复（1）～（5）步骤。
四、安全须知
当需要接触实验设备或更换试品时，要先切断电源，用接地棒放电，并将接地棒地线挂在实验设备的高压端后，才能触及设备。
五、特别提示
（1）必须遵照高电压实验安全工作准则；
（2）实验前要仔细检查接地线有无松脱、断线。
复习与思考
1.气体放电有哪些形式？各有什么特征？
2.气体中带电质点是怎么产生和消失？
3.什么是非自持放电和自持放电？有什么区别？
4.什么是极性效应？在尖—板气隙中，为什么尖为正极时的击穿电压比尖为负极时更低？
5.提高气体间隙击穿电压的措施有哪些？这些措施为什么能提高间隙的击穿电压？