气体介质的绝缘特性与电气强度研究

气体介质的绝缘特性与电气强度研究

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JR3A15C70556BU4V.html

气体介质作为电力系统中最基础的绝缘材料之一，其电气强度直接影响设备的安全性和可靠性。自然界中的空气、人工合成的六氟化硫（SF₆）等气体凭借其独特的物理特性，在高压设备中扮演着关键角色。本文系统阐述气体放电的基本物理过程、理论模型及其在不均匀电场中的行为特征，为高压绝缘设计提供理论支撑。

一、气体放电的基本物理过程

1. 带电粒子的产生与消失

气体中带电粒子的动态平衡是维持其绝缘特性的基础。外界电离因子（如宇宙射线）使气体分子电离，产生自由电子和正离子。带电粒子的消失途径包括：

• 复合：正负带电粒子相遇中和，释放光子；
• 扩散：粒子从高浓度区域向低浓度区域迁移；
• 电极吸收：带电粒子在电场驱动下到达电极。

电子因其质量小、迁移率高（约比离子高3个数量级），成为放电发展的主导因素。电离过程包括碰撞电离、光电离和热电离，其中碰撞电离是气体放电的核心机制。电子的动能积累需满足

（电离能）

临界距离

决定了电离概率。

2. 电子崩与汤逊理论

在均匀电场中，初始电子通过碰撞电离形成指数增长的电子崩。汤逊理论提出自持放电条件：

其中，α为电子碰撞电离系数，γ为阴极表面二次电子发射系数。当气压与极间距离乘积（pd）较小时，汤逊理论能有效解释低气压短间隙的击穿现象。然而，其局限性在于忽略空间电荷效应和光子电离作用。

二、巴申定律与流注理论

1. 巴申定律的物理意义

巴申定律揭示了击穿电压 Ub与气体状态参数的关系：

实验表明，Ub随 pd 呈U型曲线（图1-7），存在最小值。例如，空气的 Ubmin≈325V，对应巴申定律修正后适用于温度变化场景：

其中 δ为气体相对密度。该定律为气体绝缘设备的设计提供了重要依据。

2. 流注理论的突破

对于高气压（>1atm）或长间隙（pd > 26.6kPa·cm）的情况，流注理论取代汤逊理论成为主导模型。流注的形成机制包括：

• 空间电荷畸变电场：电子崩头部积聚大量正离子，增强前方电场；
• 光子电离：复合过程释放高能光子，引发二次电子崩；
• 流注通道贯通：等离子体通道短接电极，完成击穿。

流注发展的临界条件为 ( eαd≈108)，表明初始电子崩需积累足够空间电荷才能触发自持放电。流注理论解释了高气压下放电的通道化和击穿时间的缩短现象。

三、不均匀电场中的放电特性

1. 稍不均匀电场与极不均匀电场的划分

稍不均匀电场（1 ≤ f < 2）：击穿前无预放电，击穿电压略低于均匀场，如GIS母线筒。
极不均匀电场（f > 4）：击穿前出现电晕放电，如棒-板间隙。
电场不均匀系数

是区分两者的关键参数。

2. 电晕放电与极性效应

电晕起始场强 Ec的经验公式为：

其中，m1为导线粗糙系数， m2为天气修正因子。

极性效应在极不均匀场中显著：

• 正极性棒-板：空间电荷削弱棒端电场，击穿电压较低；
• 负极性棒-板：正离子增强棒端电场，击穿电压较高。

3. 长间隙放电的先导机制

间隙距离超过1m时，流注转化为先导放电。先导通道通过热电离形成高导电路径，最终引发主放电（速度达 109cm/s。长间隙击穿电压的“饱和现象”与先导发展的能量耗散相关。

四、工程应用与挑战

1. 电晕危害与抑制

功率损耗与电磁干扰：输电线路电晕导致能量损失和无线电噪声；
解决方案：采用分裂导线（如500kV线路使用4分裂导线），优化导线半径和分裂间距（D=40~50cm）。

2. 高电气强度气体的应用

SF₆因其强电负性（电子亲合能高）成为GIS的核心绝缘介质。其击穿场强为空气的3倍，但需注意液化温度（-50℃）和环保替代问题。

3. 绝缘设计的关键参数

• 电场均匀化：优化电极形状（如采用均压环）；
• 气压与温度控制：压缩气体需平衡电气强度与密封成本；
• 复合绝缘：气-固或气-液组合提升整体耐压能力。

五、结论

气体介质的绝缘特性研究是高压工程的理论基石。从汤逊理论到流注理论，从不均匀场极性效应到长间隙先导机制，揭示了放电现象的复杂性。未来研究方向包括：

1. 新型环保绝缘气体的开发；
2. 多物理场耦合下的放电模拟；
3. 极端条件（如超高压、低温）下的绝缘性能优化。