三菱电机公司关于六氟化硫（SF₆）长间隙击穿特性的研究学术报告

作者及发表信息
本研究由日本三菱电机中央研究所（Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki, Japan）的T. Nitta和Y. Shibuya合作完成，论文发表于1970年IEEE夏季电力会议及超高压（EHV）技术会议，后收录于IEEE期刊，标题为《Electrical Breakdown of Long Gaps in Sulfur Hexafluoride》。

学术背景
随着超高压（EHV）SF₆断路器和气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的广泛应用，高压长间隙下SF₆的电气击穿特性成为工程设计的核心问题。SF₆因其高电子亲和性（electron affinity），其放电特性与空气等普通气体显著不同。此前研究多聚焦于均匀电场，但实际设备中非均匀电场更为常见。本研究旨在建立SF₆在非均匀电场中击穿或电晕起始电压的简化理论模型，并通过实验验证其普适性。

研究流程与方法
1. 理论建模
- 基础假设：基于Raether的流注理论（streamer theory），提出SF₆击穿临界条件为电子崩（electron avalanche）内电子数达到10⁸量级。
- 关键参数：通过实验数据拟合SF₆的电离系数（α）与电子附着系数（η）的线性关系：(α−η)/p = k(E/p − (E/p)crit)，其中k=27 kV⁻¹，(E/p)crit=89 kV/(cm·atm)。
- 公式推导：在非均匀电场中，仅电极尖端附近高场强区域对击穿起主导作用，最终推导出击穿电压公式：
[ Vd = \left( \frac{E}{p} \right){\text{crit}} \cdot u \cdot p \cdot \ell \left( 1 + \frac{0.175}{\sqrt{p r}} \right) ]
其中u为电场利用因子，r为电极曲率半径。

1. 实验验证
   
   • 电极配置：选用三种典型电极结构：（A）15 cm直径球-球间隙（模拟均匀电场）、（B）3 cm直径棒-棒间隙、（C）1 cm直径棒-棒间隙（模拟非均匀电场）。
     
   • 实验方法：通过交流击穿和电晕起始电压测试，结合计算机辅助电场计算（使用松弛法），测量不同气压（1–6 atm）和间隙长度下的击穿电压。
     
   • 数据处理：对比理论预测与实验数据，分析偏差原因（如高气压下场致发射导致的电压降低）。

主要结果
1. 理论模型有效性：在气压≤4 atm时，理论值与实验数据吻合良好（误差<5%）。例如，1 cm棒-棒间隙在1 atm下击穿电压实测值为45 kV，与理论值47 kV接近。 2. **饱和效应**：SF₆的击穿电压随间隙长度增加呈现显著饱和趋势，这是由于电场利用因子u随ℓ/r增大而降低。例如，15 cm球间隙在ℓ/r=5时，V_d趋近于极限值V∞,sphere=1.7(E/p)crit·r·p。 3. **高压异常**：气压>4 atm时，实验值低于理论值（如6 atm下偏差达15%），归因于阴极场致发射电子引发的空间电荷畸变。粗糙电极表面进一步加剧此效应（击穿电压下降至理论值的70%）。
4. 极性效应：负极性击穿电压普遍低于正极性，尤其在非均匀电场中，因负电晕产生的离子滞留触发后续正半周击穿。

结论与价值
本研究首次建立了SF₆在非均匀电场中击穿电压的通用理论模型，其核心贡献包括：
1. 科学价值：揭示了SF₆高介电强度的微观机制（强电子亲和性导致临界电子崩尺寸快速达成），并量化了电极曲率与气压的影响。
2. 工程应用：公式（13）可直接用于GIS设备绝缘设计，例如优化电极形状以提升击穿阈值。
3. 现象解释：阐明了高气压下击穿电压下降的机理（场致发射主导），为设备可靠性设计提供依据。

研究亮点
1. 理论创新：将复杂非均匀场问题简化为电极尖端局部场强计算，大幅降低工程分析难度。
2. 实验设计：通过多电极配置对比，验证模型普适性；结合数字电场计算（早期计算机应用），提升数据精度。
3. 现象发现：首次报道SF₆击穿电压的饱和特性及高压异常，填补了长间隙放电理论空白。

其他发现
- 绝缘涂层效应：讨论部分指出，电极覆盖绝缘层可抑制场致发射，使高压下击穿电压回升至理论值，这一发现为设备工艺改进提供方向。
- 时延效应：高压击穿存在10⁻⁶–10⁻⁵秒量级的时延，与负离子迁移率相关，对脉冲电压设计具有指导意义。

本研究为SF₆绝缘设备的工程实践奠定了理论基础，后续讨论中，Pedersen等学者进一步验证了该模型在极性效应分析中的扩展应用。