真空開(kāi)關(guān)管絕緣外殼的設(shè)計(jì)要求分析

摘　要：通過(guò)對(duì)絕緣外殼的空氣擊穿特性、固體介質(zhì)沿面閃絡(luò)特性的分析，給出了真空開(kāi)關(guān)管絕緣外殼的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，即絕緣外殼的最小高度是由沖擊電壓決定的，而爬電距離是由工作電壓及環(huán)境條件決定的。絕緣外殼要同時(shí)滿足這兩方面的要求。關(guān)鍵詞：真空開(kāi)關(guān)管；擊穿；沿面閃絡(luò)；爬電距離中圖分類號(hào)：TN102　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B 　　近年來(lái)，真空開(kāi)關(guān)管朝著高電壓、大容量發(fā)展的同時(shí)，體積的小型化也成了人們刻意追求的目標(biāo)。對(duì)于真空開(kāi)關(guān)管來(lái)說(shuō)，額定參數(shù)中的電流參數(shù)(如額定電流、額定短路開(kāi)斷電流)決定了管子的徑向尺寸，而電壓參數(shù)則決定了管子的高度尺寸。　　為了保證開(kāi)關(guān)管有良好的絕緣性能，要求絕緣外殼能夠保證開(kāi)關(guān)管動(dòng)靜端導(dǎo)電部件之間有足夠的電氣間隙和爬電距離。由于開(kāi)關(guān)管內(nèi)是真空介質(zhì)，而絕緣外殼材料(主要有DM-308玻璃和A-95氧化鋁瓷兩種)本身又有極好的絕緣性能，所以絕緣配合的薄弱環(huán)節(jié)在絕緣外殼與大氣接觸的一側(cè)，即大氣側(cè)動(dòng)靜端之間的空氣擊穿以及沿外殼外表面的閃絡(luò)擊穿。因此，絕緣外殼的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是正確設(shè)計(jì)由絕緣外殼所構(gòu)成的空氣間隙及爬電距離，使之能夠承受國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的絕緣耐壓值，同時(shí)達(dá)到真空密封、支撐的目的。1　管外空氣的擊穿特性以及外殼沿面閃絡(luò)特性1.1　管外的空氣擊穿特性　　標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣在低電壓下是很完善的介質(zhì)，基本不導(dǎo)電。而當(dāng)電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，電場(chǎng)能量將使電場(chǎng)中的氣體分子電離并產(chǎn)生雪崩式的電子繁流，使電場(chǎng)中有大量的電子和離子成為載流子在氣體中導(dǎo)電，導(dǎo)致氣體的擊穿。均勻電場(chǎng)中的空氣擊穿電壓符合巴申定律： (1)式中　p為壓力(Pa); d為間隙距離(m); γ為二次電子發(fā)射系數(shù); A、B為常數(shù)�！　∈�(1)的U-pd曲線如圖1所示。pd值在0.75 Pa.m附近時(shí)，空氣擊穿電壓有一個(gè)最小值，以后U隨pd增加而單調(diào)增加且近似成正比。通常真空開(kāi)關(guān)管管外的空氣滿足pd＞0.75 Pa.m的條件。p不變，所以管外空氣的擊穿電壓與間隙距離成正比。圖1　U-Pd曲線1.1.1　電極形狀對(duì)氣體擊穿的影響　開(kāi)關(guān)管兩端的電極形狀決定著電極間的電場(chǎng)分布，擊穿電壓的大小與電極間的電場(chǎng)分布直接相關(guān)。通常，把電極間的平均電場(chǎng)強(qiáng)度EQV與最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax的比值稱作電極幾何形狀的利用系數(shù)，即η=EQV/Emax.　　式中EQV為外加電壓除以電極間距；Emax是電極間隙中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度；η表征電場(chǎng)系統(tǒng)相對(duì)于均勻場(chǎng)的“低劣度”，其數(shù)值總是小于1.　　對(duì)于給定氣壓的絕緣空氣來(lái)說(shuō)，工頻擊穿電壓Vδ=ηEs.d, Es是空氣介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度，其值約是峰值2.5～3 kV.　　由此可見(jiàn)，空氣間隙承受工頻擊穿電壓的水平取決于η值，均勻場(chǎng)(η=1)時(shí)擊穿電壓值最高，隨著電場(chǎng)不均勻性的增加，擊穿電壓下降�，F(xiàn)在真空開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)者都在致力于使管子本身的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，動(dòng)靜端配件對(duì)稱，這樣會(huì)明顯改善管子的工頻耐壓能力。但在絕緣外殼的設(shè)計(jì)中，仍當(dāng)做不均勻電場(chǎng)處理，這樣可靠性更高。1.1.2　電壓波形對(duì)擊穿特性的影響　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：均勻電場(chǎng)中的空氣擊穿電壓實(shí)際上與所施加的電壓波形無(wú)關(guān)，間隙的沖擊電壓擊穿水平與工頻峰值擊穿電壓相同。而在非均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓的大小與電壓波形有很大關(guān)系。沖擊電壓的擊穿水平要高于工頻電壓的擊穿水平。圖2是空氣間隙的脈沖擊穿示意圖。當(dāng)所加電壓是工頻電壓時(shí)，間隙在電壓U0時(shí)被擊穿，而在一定形狀的脈沖電壓下，間隙的擊穿則在較高的電壓Um處發(fā)生。比值β=Um/U0稱做脈沖系數(shù)。它表征脈沖擊穿電壓高于工頻擊穿電壓的程度。實(shí)質(zhì)上β是由空氣介電性能的變化時(shí)間所決定的。當(dāng)脈沖電壓越過(guò)U0時(shí)，間隙并未擊穿，而在其后延時(shí)τ后才擊穿。時(shí)延τ就是使擊穿過(guò)程在一定條件下能夠完成所需的時(shí)間。這也說(shuō)明氣體的介電性能不能突變，只能以有限的速率發(fā)展。圖2　空氣間隙的脈沖擊穿　　根據(jù)空氣擊穿理論可以導(dǎo)出脈沖系數(shù)β與時(shí)延τ之間的關(guān)系式中，a是一個(gè)由電極和脈沖形狀決定的系數(shù)。擊穿時(shí)延時(shí)τ越小，則脈沖系數(shù)越大。如果施加到間隙上的脈沖電壓的持續(xù)時(shí)間小于擊穿所需時(shí)間τ，則間隙可以承受較高的脈沖電壓而不被擊穿。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)脈沖寬度為10-5秒時(shí)，β就開(kāi)始大于1，當(dāng)脈沖寬度為10-6秒時(shí)，β值可達(dá)1.8左右。這就是國(guó)標(biāo)GB311沖擊耐壓試驗(yàn)的制定根據(jù)，也是絕緣外殼設(shè)計(jì)的原始根據(jù)之一。1.2　外殼沿面閃絡(luò)特性　　電極間加入絕緣外殼后，相當(dāng)于填充了固體介質(zhì)，固體介質(zhì)的表面閃絡(luò)電壓，要比相同電極間距下沒(méi)有固體介質(zhì)時(shí)的空氣擊穿電壓低些。固體介質(zhì)的表面閃絡(luò)是由于介質(zhì)表面的某些缺陷使表面電場(chǎng)畸變所導(dǎo)致的。例如：大氣中的污穢如工業(yè)粉塵等，會(huì)吸收大氣中的水份，形成導(dǎo)電膜，如果空氣中水份附著在臟的固體介質(zhì)表面上，總會(huì)有某些污穢的成分能溶于水而形成電解液。在外加電壓下會(huì)產(chǎn)生流過(guò)污穢層的泄漏電流，由此泄漏電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)驅(qū)使表面水份蒸發(fā)，從而提高了表面膜層的電阻率。由于導(dǎo)電膜的不均勻性，形成了比膜層其它部分具有更高電阻率的小區(qū)域。結(jié)果，施加電壓的大部分加在這些小區(qū)域上，形成了許多小規(guī)模的放電區(qū)，造成周圍的空氣被擊穿，進(jìn)而延伸導(dǎo)致介質(zhì)表面的整體閃絡(luò)。因此，表面閃絡(luò)電壓明顯地受介質(zhì)材料的表面吸潮特性以及環(huán)境污染程度、空氣濕度的影響。表面閃絡(luò)的形成過(guò)程要求電極上的電壓相對(duì)持久地保持同一極性。試驗(yàn)表明：當(dāng)施加電壓的持續(xù)時(shí)間很短時(shí)，表面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓的差距減小。當(dāng)試驗(yàn)電壓的頻率為106 Hz時(shí)，固體介質(zhì)的表面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓相等�！　∮纱丝梢�(jiàn)：導(dǎo)致介質(zhì)表面閃絡(luò)的物理基礎(chǔ)不同于空氣間隙擊穿的物理基礎(chǔ)。對(duì)它們要以不同的方法進(jìn)行處理。一般來(lái)說(shuō)，由表面閃絡(luò)特性所決定的爬電距離不象空氣間隙那樣，表面閃絡(luò)與瞬時(shí)的脈沖電壓無(wú)關(guān)，而只與工作電壓有關(guān)。2　絕緣外殼的設(shè)計(jì)　　真空開(kāi)關(guān)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切合時(shí)，無(wú)論是短路切合還是負(fù)載切合，真空開(kāi)關(guān)管除了要承受與額定工作電壓有關(guān)的工頻恢復(fù)電壓和瞬態(tài)恢復(fù)電壓之外，還要承受切合時(shí)由于電路狀態(tài)突變而造成的瞬時(shí)過(guò)電壓的作用。前一類電壓的幅值和頻率是由負(fù)載電路的不同性質(zhì)決定的，它與額定工作電壓有關(guān)，其幅值和頻率相對(duì)較低。在開(kāi)關(guān)管的絕緣試驗(yàn)中，是以短時(shí)工頻耐壓來(lái)考核的。后一類電壓是由系統(tǒng)操作負(fù)載特性所決定的一種幅值高但持續(xù)時(shí)間短的脈沖電壓，通常以雷電沖擊電壓來(lái)驗(yàn)證開(kāi)關(guān)管耐受瞬時(shí)過(guò)電壓的水平。在以絕緣配合為目的的開(kāi)關(guān)管絕緣外殼的設(shè)計(jì)中要保證開(kāi)關(guān)管在這兩類電壓作用下的良好絕緣性能�；�本設(shè)計(jì)依據(jù)是開(kāi)關(guān)管的額定工作電壓和沖擊電壓水平。2.1　絕緣外殼高度尺寸的確定　　絕緣外殼最小高度是由沖擊電壓值決定的。對(duì)于真空開(kāi)關(guān)的不同使用場(chǎng)合，根據(jù)系統(tǒng)里可能出現(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓以及過(guò)電壓保護(hù)裝置的特性，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311規(guī)定了它所必須承受的沖擊電壓值。表1列出了三種不同電壓等級(jí)開(kāi)關(guān)管耐受沖擊電壓的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這是作為設(shè)計(jì)絕緣外殼高度的原始依據(jù)。根據(jù)1.1的分析，表2給出了在海拔高度1000米處不同電場(chǎng)分布下滿足各種沖擊電壓的最小電氣間隙。這些都是理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的數(shù)據(jù)，其中非均勻電場(chǎng)欄中所給出的間隙值可以保證在任何電場(chǎng)條件下間隙都能承受對(duì)應(yīng)的沖擊電壓。如果要縮小管子絕緣外