第三节 电极表面状态对SF₆气体击穿的影响

常规的高压变电所的绝缘结构上所用的空气间隙多为极不均匀电场，为了提高其击穿电压，一般可以通过适当增加间隙距离的方法来达到。而SF₆气体的击穿电压则与电极间的最大电场强度密切有关。故在设计SF₆绝缘结构时，为提高间隙的绝缘强度，不能采取如同空气绝缘那样单纯加大绝缘距离的方式，而是在加大尺寸的同时，应尽可能使电极间的电场均匀。因此在设计SF₆全封闭式变电所等设备的绝缘结构时，带电体和壳体之间常采用同轴圆柱体这样一种稍不均匀电场结构。

极性对SF₆气体击穿电压的影响和空气相似，也和电场均匀程度有关。在均匀电场中由于电极间电场强度处处相等，故无极性效应。在极不均匀电场中则由于棒电极电晕放电产生的空间电荷的影响，使正极性击穿电压比负极性的低。而稍不均匀电场则相反，负极性击穿电压比正极性的低。

由于充SF₆气体的绝缘结构都是稍不均匀电场，因此它的负极性击穿电压比正极性的低，所以SF₆气体绝缘的电气设备的绝缘水平常决定于负极性。

为提高SF₆气体的电气强度，除改善电场分布外，提高SF₆的气压也是一个有效途径，但要注意压力不能过高以防止液化。提高气体的气压可以减小电子的平均自由行程，使电子在二次碰撞之间所积累的动能减小，以致不足以引起碰撞游离，从而提高了气体的击穿电压。SF₆和空气一样，当压力增加到一定程度后，击穿电压增加的陡度逐渐减小而出现饱和现象。由此可见，只有保证电场相当均匀的条件下提高气压才最为有效。

在均匀或稍不均匀电场中，大气压下空气的击穿电压和电极的表面状态及材料关系不大。而在高气压下，实验表明，击穿电压和电极（主要是阴极）的表面状态有很大关系。电极表面比较粗糙，实验时因充放气带进脏物，或静止时间不够气体还有扰动等，击穿电压都将出现下降现象，分散性也增大。对于刚加工过的电极，在最初若干次击穿中，击穿电压值都比较低，且分散性很大。经过多次击穿后，击穿电压可显著提高，分散性也可大为减小。这一过程称为电极的击穿处理或净化效应。气压越高，击穿处理所需要的次数也越多。高气压下，电极的材料也有影响，如不锈钢电极的击穿电压较铝制电极要高。

这些现象一般认为可能和阴极上发生强场放射这一因素有关。若在阴极附近加以很强的外电场，则它也能给阴极中的自由电子以一定的能量，使之逸出阴极表面，这种因电场的作用从金属表面释放出电子的现象称为强场放射。高气压下，击穿场强很高，所以从电极上电场局部增强的地方（例如电极的粗糙不平、毛刺或脏物）可以发生强烈的强场放射，进而发展碰撞游离，从而导致击穿。多次击穿可烧去电极上毛刺及尘埃杂物，所以可显著提高击穿电压，并减小其数值的分散性。

SF₆气体绝缘的击穿强度也很高，因此同样具有高气压下空气绝缘的特性，现介绍如下。

一、表面粗糙度的影响

电极表面越粗糙，则击穿电压越低，一是由于粗糙电极表面的微小突出处发生强场放射所造成。二是由于电极表面突出处微现区域的场强大大高于间隙中宏观的平均电场强度，使得该处的碰撞游离系数大大增加，从而自持放电条件容易达到，造成宏观击穿强度降低。

电极表面的粗糙程度常以表面最大的凹凸之差来表示称为最大粗糙度R_max。粗糙度引起击穿电压的降低常以表面粗糙度系数ξ来表示，它是粗糙电极的击穿电压对同一结构下光滑电极的击穿电压之比。显然，当SF₆气压越高时击穿场强也越高，此时粗糙度的影响也越大，即表面粗糙度系数也越小。试验结果表明，在内电极表面粗糙度小于50μm时击穿电压无甚降低，而增至150μm时，会使击穿电压下降最大达20%，分散性也更大。而当在内电极上附加高度为1800μm的尖端时则降低更多。并且电压波形不同时表面粗糙度系数也不同。在表面粗糙度增加或气压增加的情况下正极性击穿电压的降低比负极性要多。SF₆全封闭电器在雷电操作冲击、交流、直流电压下进行试验，压力为3.5大气压，试验结果表明当高压电极表面粗糙度R_max为100μm时对各种波形的击穿电压无明显影响。

综上所述，电极表面粗糙度对击穿电压的影响和气压、电压波形、极性等因素有关，具体数值由于试验条件等的不同，各个研究者的结果也不尽相同。

二、面积效应

电极面积越大，电极表面上和间隙中引起击穿电压降低的一些偶然因素（例如比较粗糙的部位）出现的概率就越多，故表面积增大时击穿电压也会降低，这就是面积效应。这在设计SF₆气体绝缘的电力设备特别是表面积较大的输电管道时应予注意。雷电冲击电压下面积效应要比工频下低。电极表面越光滑，气压越高，则面积效应越大，这是由于此时表面上偶然因素的影响更显著的关系，因此面积越大，表面粗糙度对击穿电压的影响越小。同时随着面积增加，击穿场强E_B减小并逐渐稳定于某一数值E_min。而E_min随气压增加而增加，但存在饱和趋势，如图1-10所示。

三、电极材料

根据P＝1～4大气压范围，内导体直径为38mm、外壳直径为2000mm的同轴圆柱体电极，内电极用铜、铝、不锈钢等不同材料（外壳均为不锈钢）进行工频、雷电和操作冲击试验，试验结果表明电极材料对SF₆击穿电压无明显影响。

四、导电粒子的影响

在SF₆气体中导电粒子的存在会显著地降低击穿电压，同时也是充SF₆气体绝缘的电气设备的一个故障因素。当导电粒子固定在电极上时，它相当于电极上有突出物即增加了表面的粗糙度，因而引起击穿电压的降低。当电极间存在自由的导电粒子时，由于受电极间电场力的作用而发生移动，在同轴圆柱电极系统中，则粒子将从低场强区即外壳附近往内电极附近的高场强区移动。当导电粒子较多时，还可能在电极间进行排列，其结果均将使击穿电压下降。

显然在冲击电压下由于作用时间短，粒子还停留在低场强区来不及移动，故对击穿电压影响很小。当气压大于2个大气压时，交直流击穿电压近似地和粒子长度成反比，而击穿电压和粒子的材料无显著的关系，例如铝线作为导电粒子时击穿电压仅低于铜线的百分之几。粒子的形状也有影响，具有伸长的尖端的粒子其对击穿电压的影响远大于球状粒子。有了导电粒子后击穿电压和气压已无明显关系，即气压越高，击穿电压的降低越严重。此外，直流击穿电压的分散性远比交流的大。试验时还观察到不论是直流或交流击穿时，导电粒子都是在内电极附近或附着在内电极上。

可见导电粒子对击穿电压影响与其尺寸、形状、气压和所加电压波形有关。在设计和装配SF₆气体绝缘的电气设备时必须考虑到导电粒子的影响，装配和维修时要注意清洁。但在设备的加工、装配和开关电器的运行过程中总会存在一些金属微粒，特别是SF₆输电管道，长度较长，较难避免，为此有时在实际结构中采取措施捕捉和收集导电粒子，使之不能影响SF₆的耐电强度。

五、净化效应

对于刚经过加工装配后的充SF₆气体的电气设备或试验装置，电极表面上可能带有一些加工中的毛刺或脏物，从而增加了表面粗糙度，而在电极间也可能带进一些加工金属屑或粉末等导电粒子，它们都将使击穿电压降低，但在多次击穿后可逐渐将这些杂质烧掉从而使击穿电压提高，这就是净化效应。

一般讲净化效应与电极的面积、表面粗糙度、气压有关。气压越高、面积越大则电极表面粗糙度和导电粒子的影响越大，那么净化效应也越显著，净化效应所需的击穿数目越多。粗糙度大的电极净化所需的击穿数目显然也要比相同面积的光滑电极大许多倍。

净化效应在工程上有其实用意义，当对充SF₆的电气设备或研究装置正式进行试验以前可先逐级加一交流或直流电压，使之发生多次放电以消除电极表面的一些击穿弱点和间隙中的导电粒子，这样可提高试验的可靠性。

综上所述，SF₆气体绝缘与通常的空气绝缘相比较，从放电机理来讲有它相似之处，但由于SF₆气体本身所具有的特点又有不少不同之处，实际上它更接近于高气压下空气绝缘的特性。现将选用SF₆绝缘和空气绝缘的设备的绝缘特性的比较归纳于表1-6。

六、SF₆气体中沿固体介质表面的放电

充SF₆气体的电气设备中还需一些固体绝缘作为支持绝缘或引线绝缘，因此存在一个沿固体和SF₆气体交界面上放电的问题叫做沿面放电。充SF₆气体的绝缘结构为稍不均匀电场，故一旦形成自持放电，电极间沿介质表面立即发生贯穿性的放电，称之为沿面闪络，相应的外加电压称之为闪络电压。沿面闪络电压一般低于同一电场结构下纯SF₆气体间隙的击穿电压，这是由于介质表面或多或少吸附一些导电杂质而使电场发生畸变所造成。和空气绝缘类似，影响闪络电压的主要因素有电场分布、绝缘表面状况。

（一）电场分布

和纯SF₆气体绝缘一样，要求电极间电场分布尽量均匀，否则即使增加沿面距离，闪络电压也很少提高。此外还要注意消除固体绝缘和电极端部接触部分可能存在的气隙，该处常因材料的温度膨胀系数不同或工艺配合不当而存在小气隙。由于气隙中介电系数远比固体介质小，故场强较大，会大大降低该处的电晕起始电压，从而也就降低闪络电压。因此在实际绝缘结构中，不仅要使接触部分电极形状圆滑、电场均匀，而且为了消除气隙，常在固体介质内部装上一个均压环。

对于作引线绝缘用的套管更要注意其根部的电场，此外电场不仅很不均匀，而且有强的垂直于介质表面的径向分量，是一种具有强垂直分量的不均匀电场沿面放电。当所加电压达到自持放电条件后，首先在法兰边缘处发生电晕放电，形成一紫色光圈。随着电压的上升，电晕向前延伸，形成了由许多伸向另一电极的平行细火花线条组成的光带。继续升高电压，细线增长逐步变为不均匀的更为明亮的树枝状放电，称为滑闪放电。这是由于放电产生的带电质点不仅沿水平方向即介质表面运动，而且受电场垂直分量的作用在运行中不断和介质表面撞击，引起局部温度升高而使气体发生热游离，从而加剧了局部地方的游离，使该处放电发展加快。因此这是一种不均匀的放电，时隐时现地向前伸展，滑闪放电一旦出现，很快就会引起闪络，故这种电场结构的闪络电压最低。为改善电场和消除滑闪放电，常在套管内部装上屏蔽电极。

（二）绝缘表面状况

绝缘介质表面污染和受潮，均会明显降低闪络电压。表面污染的来源可能是设备组装时遗留的杂质和开关操作时所产生的金属微粒，它们会使闪络电压降低和分散性增加。是绝缘强度随操作次数增加（表面污染也增加）而显著降低情况，而当采取清洁措施后，虽经一万次操作和反复进行绝缘试验，发现绝缘强度基本不降低。此外在运行中可能产生电弧放电和电晕放电，均会使SF₆分解而产生低氟化物SF₄、SOF₂、SO₂F₂等，它们对绝缘材料中的填充剂特别是SiO会起化学反应变成气体状SiF₄使绝缘材料受侵蚀而劣化，绝缘电阻降低。当含有水分时和SF₄作用产生HF，其对SiO₂的腐蚀作用更为严重，且还会产生水而形成恶性循环。电弧放电时由于高温作用会使电极材料挥发而生成金属氟化物CuF₂等的粉末，它们在干燥状态下是绝缘体，但当和水分作用后附在固体介质表面而降低绝缘强度。电晕放电能量远比电弧放电小。因此只是在电晕发生在绝缘材料表面才会引起SF₆分解并和材料直接进行反应，若不是这样，那么可认为它对绝缘材料几乎没有什么影响。

SF₆本身有一定的含水量，设备密封处空气中的水分也可能侵入设备。水分除了上述的会和SF₆的分解物作用而使绝缘劣化之外，当含水量增加或设备骤冷骤热（特别是在高气压下）时，水分会凝结在绝缘表面而大大降低闪络电压。

为了防止表面污染和受潮，应选用抗腐蚀性能良好的绝缘材料，特别是要避免选用含SiO₂的材料，例如开关的灭弧喷口宜选用抗电弧抗酸性能好的聚四氟乙烯。工艺上应注意清洁，加强密封，严格控制SF₆气体初期（充SF₆气体时）的含水量，此外还应在充SF₆气体的电气设备内放置吸附剂，以吸附所产生的氟化物和水分。