提高气体介质电气强度的方法

第四节 提高气体介质电气强度的方法
➢改进电极形状以改善电场分布 ➢利用空间电荷改善电场分布 ➢采用屏障 ➢采用高气压 ➢采用高电气强度气体 ➢采用高真空
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提高气隙的击穿电压途径： ➢改善气隙中的电场分布，使之均匀； ➢设法削弱和抑制气体介质中的电离过程。
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一、改进电极形状以改善电场分布
电场分布越均匀，气隙的平均击穿场强也就越大。 因此，可以通过改进电极形状的方法来减小气隙中的 最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电 压。如：
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在冲击电压下，屏障的作用要小一些，因为这 时积聚在屏障上的空间电荷较少。
显然，屏障在均匀或稍不均匀电场的场合就难以 发挥作用了。
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四、采用高气压
在常压下空气的电气强度是比较低的，约为30kV/cm。 即使采取上述各种措施来尽可能改善电场，其平均 击穿场强也不可能超越这一极限，常压下空气的电气 强度要比一般固体和液体介质的电气强度低得多。
屏障的作用取决于它所拦住的与电晕电极同 号的空间电荷，这样就能使电晕电极与屏障之 间的空间电场强度减小，从而使整个气隙的电 场分布均匀化。
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如图(2-14)，虽然这时屏障与 另一电极之间的空间电场强度反 而增大了，但其电场形状变得更 象两块平板电极之间的均匀电场， 所以整个气隙的电气强度得到了 提高。
的要求，往往难以实
现。如果用SF6来代
替空气，为了达到同
样的电气强度，只要
采用0．7MPa左右的
1-空气，气压为2.8MPa 5-电瓷 2-SF6，0.7Mpa 6-SF6,0.1Mpa
气压就够了。
3-高真空 4-变压器油
7-空气,0.1Mpa
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五、采用高电气强度气体
有一些含卤族元素的强电负性气体电气强度特别高， 因而可称之为高电气强度气体。
下式选择：
R Ug.max Ec
式中 Ec ：电晕放电起始场强。
超高压输电线路上应用屏蔽原理来改善电场分布 以提高电晕起始电压的实例有：超高压线路绝缘 子串上安装的保护金具(均压环)、超高压线路上采 用的扩径导线等。
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二、利用空间电荷改善电场分布
由于极不均匀电场气隙被击穿前一定先出现电晕放 电，所以在一定条件下，还可以利用放电本身所产生 的空间电荷来调整和改善空间的电场分布，以提高气 隙的击穿电压。
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许多高压电气装置的高压出线端(例如电力设备
高压套管导杆上端)具有尖锐的形状，往往需要加装
屏蔽罩来降低出线端附近空间的最大场强，提高电晕
起始电压。屏蔽罩的形状和尺寸应选得使其电晕起始
电压
U
大于装置的最大对地工作电压
c
U
g
.m
a
x
，即：
Uc U g.max
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最简单的屏蔽罩当然是球形屏蔽极，它的半径R按
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目前高真空仅在真空断路器中得到实际应用， 真空不但绝缘性能较好，而且还具有很强的灭 弧能力，所以用于配电网中的真空断路器还是 很合适的。
的空气和SF6气体、电 瓷、变压器油、高真
空等的电气强度比较。
从图上可以看出：
2．8MPa的压缩空气
具有很高的击穿电压。
1-空气，气压为2.8MPa 5-电瓷 2-SF6，0.7Mpa 6-SF6,0.1Mpa
3-高真空
7-空气,0.1Mpa
4-变压器油
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但采用高气压会对电
气设备外壳的密封性
和机械强度提出很高
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三、采用屏障
由于气隙中的电场分布和气体放电的发展过程都 与带电粒子在气隙空间的产生、运动和分布密切有 关，所以在气隙中放置形状和位置合适、能阻碍带 电粒子运动和调整空间电荷分布的屏障，也是提高 气体介质电气强度的一种有效方法。
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屏障用绝缘材料制成，但它本身的绝缘性能无 关紧要，重要的是它的密封性(拦住带电粒子的能 力)。它一般安装在电晕间隙中，其表面与电力线 垂直。
➢增大电极的曲率半径
➢消除电极表面的毛刺 ➢消除电极表面尖角
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利用屏蔽来增大电极的曲率半径是一种常用 的方法。以电气强度最差的“棒一板”气隙为 例，如果在棒极的端部加装一只直径适当的金 属球，就能有效地提高气隙的击穿电压。
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图2-13表明采用不同 直径屏蔽球时的效果， 例如在极间距离为 100cm时，采用一直径 为75cm的球形屏蔽极 就可使气隙的击穿电 压约提高1倍。
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有屏障气隙的击穿电 压与该屏障的安装位置 有很大的关系。以图 2—15所示的“棒一板” 气隙为例，最有利的屏 障位置在x=(1/5～1/6)d 处，这时该气隙的电气 强度在正极性直流时约 可增加为2～3倍。
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1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
Hale Waihona Puke 16如果把空气加以压缩，使气压大大超过 0.1MPa(1atm)，那么它的电气强度也能得到显著的提 高。这主要是因为提高气压可以大大减小电子的自 由行程长度，从而削弱和抑制了电离过程。
如能在采用高气压的同时，再以某些高电气强 度气体（例如SF6气体）来代替空气，那就能获得 更好的效果。
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图2—16为不同气压
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
但当棒为负极性时， 即使屏障放在最有 利的位置，也只能 略微提高气隙的击 穿电压(例如20％)， 而在大多数位置上， 反而使击穿电压有 不同程度的降低。
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SF6同时满足以上条件，而且还具备优异的灭 弧能力，其他有关的技术性能也相当好，因此 SF6及其混合气体在电力系统中得到了广泛应用。
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六、采用高真空
采用高真空也可以减弱气隙中的碰撞电离过程而显 著提高气隙的击穿电压。
在电力设备中实际采用高真空作为绝缘媒质的情 况还不多，主要因为在各种设备的绝缘结构中大都 还要采用各种固体或液体介质，它们在真空中都会 逐渐释出气体，使高真空难以长期保持。
采用这些气体来替换空气，可以大大提高气隙的击 穿电压，甚至在空气中混入一部分这样的气体也能 显著提高其电气强度。
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但仅仅满足高电气强度是不够的，还必须满 足以下条件：
➢液化温度要低，这样才能同时采用高气压； ➢良好的化学稳定性，出现放电时不易分解、 不燃烧或爆炸、不产生有毒物质； ➢生产不太困难，价格不过于昂贵。