雷电冲击下SF6气体击穿电压分散性的研究游浩洋，张乔根，马径坦，秦逸帆，赵军平，李金忠
（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安710049）
摘 要：一般应用升降法进行冲击下SF6击穿特性实验时，要求击穿电压的分散性小于3%，以保证测得数据的可靠性。但是在实验过程中发现，SF6气体相对于其他气体而言，击穿电压的分散性普遍偏大，一些情况下甚至超过了5%，但国内外针对于SF6气体放电分散性仍缺乏系统的研究。为此，本文在正、负标准雷电（LI）冲击作用下，研究了SF6气体击穿电压分散性随电极尺寸、气压和间隙距离的变化规律。结果表明，当间隙距离d=33mm，电极电极曲率半径r=40、15、8mm时分散性随气压增长均出现减小趋势。正LI下分散性随电场不均匀系数的增大呈现先下降后上升的“U”曲线趋势，负LI下分散性随电场不均匀系数的增大呈现先上升后下降的倒“U”曲线趋势；当电极曲率半径r=8mm，间隙距离d=7、15、33mm时分散性随着气压的增长均呈现下降趋势。正、负LI下分散系数随着间隙距离的增加均出现线性增大的趋势。
关键词：升降法；标准雷电；分散性；分散系数；电极尺寸；间隙距离；
The Follow Phenomenon of SF6 Breakdown Voltage in Quasi-uniform Electric Field
Under Lighting Impul
光圈和景深的关系
YOU Haoyang，ZHANG Qiaogen，MA Jingtan，QIN Yifan，ZHAO Junping，LI Jinzhong (State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,
Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)
Abstract：Generally, as using the up-and-down method to rearch the discharge character of SF6 under impul vol-tage, the requirement of the dispersion of breakdown voltage less than 3% which guarantee the reliability of data. Although during the process of experiment, the dispersion of breakdown voltage comparing with other gas is usually large and even larger than 5%. The rearch of this is still lack of systematic study at home and abroad. For this, the changing law of SF6 breakdown dispersion by electrode size、gas pressure and gap length under positive and negative standard lighting impul(LI) is discusd in this paper. The result shows that when the gap length d=33mm and the radius of electrode r=40、15、8mm, the dispersion is lower as the pressure growths. The change trend of dispersion, as the field nonuniformity factor grows, is “U” curve trend growing at first and then declining under positive impul. And the change trend of dispersion is inver “U” curve trend declining at first and then declining under negative pul; when the radius of the electrode r=8mm and the gap length d=7、15、33mm, the dispersion declines as the pressure grows. The coefficient of dispersion grows linearly as the gap length grows under both positive and n
egative LI.
Key words：the up-and-down method; the standard lighting impul; dispersion; the coefficient of dispersion; the size of electrode; the gap length.
0 引言1
自从升降法在1948年Dixon W.J.及Mood A.M.提出以来，由于实验工作量的可控性和操作流程的便利性，在冲击电压实验中的应用越来越广泛[1]。一般要求在冲击电压下升降法测SF6气体击穿特性时，击穿电压的分散性小于3%。但是
1国家电网公司科技项目资助项目
(合同号SGAH0000KXJS1401753)
Project Supported by State Grid Corporation of China (Contract Number: SGAH0000KXJS1401753).在大量实验中发现，SF6气体相对于其他常规气体而言，击穿电压的分散性更大，尤其是在冲击电压作用下分散性甚至超过了5%[2]。击穿电压的分散性本质为气体放电通道的随机过程，是气体放电的固有特性，分散性的大小决定了每次实验中有效数据的数据量，研究过程当中分散性越大表明所需的数据量越大，实验的耗时越长。因此有必要研究不同电场下的SF6气体放电分散性，为SF6气体特性
实验的数据量提供参考依据，以便获得更为可靠的实验数据。
已有研究表明，稍不均匀电场下SF6气体击穿电压的分散性受电极表面“面积效应”影响较大[3]。电极面积越大时，电极表面严重的突出物和一些影响击穿电压的偶然因素出现的概率也越大，击穿电压稳定性较差导致分散性较大；极不均匀电场下SF6气体击穿电压迅速下降[4]，这是由于SF6气体分子有效电离系数α随电场强度的增加而迅速下降，放电过程中更易产生大量空间电荷。这些空间电荷的屏蔽作用会阻碍流注进一步发展[5]，这些空间电荷产生、运动的随机性会导致击穿电压的分散性进一步增大。以往研究都是从放电过程的定性分析来片面解释分散性大小及其产生原因，但是针对于不同电场、气压下分散性的定量分析还很少，数据之间缺乏系统的比较。
因此本文采取了一系列结构相同、电场不均匀系数不同的黄铜球-板、棒-板电极进行实验。研究了标准雷电冲击下SF6气体击穿电压分散性随着电极尺寸、气压和间隙距离的变化规律。
1 实验装置及研究方法
1.1 实验装置
实验中采用有机玻璃制成的压力容器，其基本结构如图1所示。容器主体为有机玻璃圆筒，上下采用法兰结构以尼龙螺杆密封固定。上下盖均有一黄铜制成的密封旋转调距装置，上部调距装置底端接一球或棒电极，顶端接由脉冲发生装
置产生的标准LI波，LI波的输出波形如图2
所
示。下部调距装置顶端接一直径D为300mm的Rogowski平板电极，底端接地。
图1 有机玻璃容器结构示意图
维护周期1—有机玻璃圆筒；2—上端法兰；3—密封旋转调距装置；
4—旋转盘；5—尼龙螺杆；
6—可拆卸棒电极；7—板电极；8—气压表
Fig.1 The diagram for the structure of the
organic glass vesl
1—the organic glass cylinder; 2—the top flange; 3—the aled screw adjustment device; 4—rotating disk the aled screw adjustment device;5—nylon screw; 6—the detachable electrode; 7—the plate electrode; 8—gas-pressure meter 为了更好地对工程实际和研究提供实验依据，采用球-板电极模拟无缺陷时GIS中稍不均匀电场结构；采用棒-板电极模拟存在缺陷时GIS中极不均匀电场结构。球-板电极
和棒-板电极的结构示意图如图3所示，运用电场不均匀系数计算公式[6]可得不同曲率半径的球、棒电极和间隙距离d所对应的电场不均匀系数f，如表1
所示。腔体内SF6气压选取0.1~0.4MPa。
图2 标准
LI波的输出波形
Fig.2 The output waveform of standard LI
图3 球-板电极和棒-板电极的结构示意图
Fig.3 The diagram for sphere-plane and rod plane elec-
trode
表1 不同曲率半径的球-板、棒-板电极和间隙距离d 所对应的电场不均匀系数f
Table 1 Field nonuniformity factor f of the sphere-plane and rod-plane electrode containing different radius and gap
length d .
参数 球-板电极 棒-板电极 d /mm 33 33 33 15 7 r /mm 40 15 8 8 8 f 1.62
2.66
4.2
2.44
1.59
1.2实验研究方法
为了尽可能减小因多次放电产生SF 6分解产物的影响，每次实验前先抽真空，然后充样气到0.1MPa ，再抽真空。此过程重复两到三次后再充入纯净SF 6气体，静置30min ；电极在每组实验进行之前进行打磨抛光处理，尽可能消除“面积效应”对于放电分散性的影响。研究“升降法”测定SF 6间隙U 50%时，要求每次升降电压变化%5003.0ΔU U ≤。每组数据有效实验次数超过40次，每组数据的间隔时间为10min ，以消除“跟随现象”对于分散性的影响。示波器(Tektronix DPO4104)用来储存电压波形，带宽和采样率分别选取1GHz 和5GHz 。
一般意义上分散性表示为气体放电的固有规律，即每次气体放电初始条件完全相同时放电的随机性，微观表现为气体放电过程中电荷通道发展是随机过程。一般实验中为了消除两次相邻放电之间相互影响，通常选取足够长的绝缘恢复时间。对每组电极在不同气压下的有效数据（拥有足够长的绝缘恢复时间）分别进行统计，由公式（1）计算得到数据的标准偏差，由公式（2）定义的分散系数可以表征当前条件下气体放电分散性。
1
--∑N x x σN
i i 1=2
)(=
（1）
式中：N 为当前条件一组有效数据的数量；x i 为该组当中第i 个有效数据；x 为该组数据的平均值；
σ为该组数据的标准偏差。 %50/=)∞→(U σt ε
（2）
式中：σ为式（1）求得的该组数据标准偏差；)(∞→t ε为气体的分散系数。
使用百分数表示，便于对不同气压、曲率半径下的分散性大小进行相互比较。系统绝缘恢复时间足够长的条件下，分散系数越大，表示该组数据相对标准偏差越大，即放电的分散性越大。
2 实验结果与讨论
2.1 电极尺寸对分散性的影响
SF 6气体击穿电压分散性本质为放电通道的随机性，而放电通道的形成受多种因素的影响，如气压、间隙距离等。为了更好地探究电极尺寸对于放电分散性的影响，固定间隙距离d =33mm
，改变高压电极的曲率半径，得到各个曲率半径下分散系数随气压P 的变化规律如图4所示。
（a ）r =40mm
、d =33mm （f =1.62）
（b ）r =15mm 、d =33mm （f =2.66）
（c）r=8mm、d=33mm（f=4.2）
图4 分散系数随气压的变化曲线
情态动词的用法
Fig.4 the changing curve of coefficient of dispersion as
pressure changes
从图4可以看到，正、负LI下的分散系数随着气压的增加整体呈现减小趋势。在r=40mm、d=33mm（f=1.62）的球-板电极时，正LI下的分散系数大于负LI下的分散系数，并且在气压P>0.2MPa时分散系
数出现饱和趋势；在r=15mm、d=33mm（f=2.66）的棒-板电极时，正极性下的分散系数小于负极性下的分散系数，并且在气压P>0.3MPa时分散系数出现饱和趋势；随着曲率半径的进一步减小，在r=8mm、d=33mm （f=4.2）时，正极性下的分散系数大于负极性下的分散系数，分散系数的饱和趋势出现在更高气压条件下（P>0.4MPa）。
图5 正LI下分散系数随电场不均匀系数的变化曲线Fig.5 the changing curve of coefficient of dispersion as pressure changes under positive LI
图5为正极性LI下间隙距离d=33mm时分散系数随着电场不均匀程度的变化曲线。可以看出，在气压P=0.1~0.4MPa时，分散系数随着电场不均匀系数的增加呈现先下降再上升的“U”型曲线趋势。SF6气体击穿电压的分散性主要受放电通道随机性和空间电荷对于放电发展屏蔽作用影响。随着电场不均匀系数的增加，电极的表面积逐渐减小，电极表面可能存在局部凸起的概率减小，因此放电通道的随机性减小，气体击穿电压的分散性减小；随着电场不均匀系数的进一步增加，气体间隙击穿前出现由空间电荷造成的“电晕稳定化”作用[7]，空间电荷的屏蔽作用使得放电通道发展过程当中的随机性增大，表现为分散性增大。
图6 负LI下分散系数随电场不均匀系数的变化曲线Fig.6 the changing curve of coefficient of dispersion as field nonuniformity factor changes under negative LI
流口水是怎么回事图6为负极性LI下间隙距离d=33mm时分散系数随着电场不均匀程度的变化曲线。相对于正极性而言，负极性LI下分散系数随着电场不均匀程度变化呈现先上升或下降的倒“U”型曲线趋势。原因可能为相比于正离子而言，电子体积小、质量轻，在放电过程当中更易扩散和发展。因此随着电场不均匀系数的增加，空间电荷的屏蔽作用最先出现并且成为影响分散性大小的主导因素；随着电场不均匀系数的进一步增加，棒电极表面积进一步减小，放电通道的随机性减小，气体击穿电压的分散性逐渐减小。
2.2 间隙距离对分散性的影响
语文介词图7为固定棒电极曲率半径r=8mm，选取不同间隙距离d时分散系数随气压的变化规律。
（a）r=8mm、d=7mm（f=1.59）
（b）r=8mm、d=15mm（f=2.44）
（c）r=8mm、d=33mm（f=4.2）
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图7 分散系数随气压的变化曲线
Fig.7 the changing curve of coefficient of dispersion as
pressure changes
赏月的英语从图7可以看到在d=7mm间隙距离较短时，分散性随着气压的增长呈现线性下降趋势，并且正极性下的分散系数小于负极性下的分散系数；随着间隙距离的增加，正极性下分散系数增长速度大于负极性下分散系数，大约在气压P=0.3MPa 时出现了交叉，并且正极性下的分散系数出现下降饱和趋势；随着间隙距离d的进一步增加，正极性下的分散系数大于负极性下的分散系数。
菜怎么做
（a）正LI
（b）负LI
图8 正、负LI下分散系数随间隙距离的变化曲线Fig.8 the changing curve of coefficient of dispersion as pressure changes under positive and negative LI
图8为正、负LI下分散系数随间隙距离d的变化曲线，从图中可以看到，正、负LI下SF6气体放电的分散系数均随间隙距离增加而增大；正LI与负LI下跟随系数随间隙距离增加基本呈现线性的增长趋势（P=0.1~0.4MPa），并且正极性下分散系数随间隙距离d的增长速度比负极性快。
当间隙距离增长时，先导通达的发展更加具有随机性。并且随着间隙距离的增长，影响放电发展的一些随机因素出现的概率增加，例如通道内部残余的一些带电粒子更易影响放电通道的发展等。因此正、负LI下SF6气体放电的分散性随间隙距离增加而增大。
