摘　要：通過對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，真空開關(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)。對于真空開關(guān)管來說，額定參數(shù)中的電流參數(shù)(如額定電流、額定短路開斷電流)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。　　為了保證開關(guān)管有良好的絕緣性能，要求絕緣外殼能夠保證開關(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)電極間的電場強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，電場能量將使電場中的氣體分子電離并產(chǎn)生雪崩式的電子繁流，使電場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)。　　式(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　電極形狀對氣體擊穿的影響　開關(guān)管兩端的電極形狀決定著電極間的電場分布，擊穿電壓的大小與電極間的電場分布直接相關(guān)。通常，把電極間的平均電場強(qiáng)度EQV與最大電場強(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強(qiáng)度；η表征電場系統(tǒng)相對于均勻場的“低劣度”，其數(shù)值總是小于1.　　對于給定氣壓的絕緣空氣來說，工頻擊穿電壓Vδ=ηEs.d, Es是空氣介質(zhì)擊穿的電場強(qiáng)度，其值約是峰值2.5～3 kV.　　由此可見，空氣間隙承受工頻擊穿電壓的水平取決于η值，均勻場(η=1)時(shí)擊穿電壓值最高，隨著電場不均勻性的增加，擊穿電壓下降。現(xiàn)在真空開關(guān)的設(shè)計(jì)者都在致力于使管子本身的結(jié)構(gòu)對稱，動(dòng)靜端配件對稱，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)做不均勻電場處理，這樣可靠性更高。1.1.2　電壓波形對擊穿特性的影響　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：均勻電場中的空氣擊穿電壓實(shí)際上與所施加的電壓波形無關(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就是使擊穿過程在一定條件下能夠完成所需的時(shí)間。這也說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)的形成過程要求電極上的電壓相對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。　　由此可見：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)。對它們要以不同的方法進(jìn)行處理。一般來說，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)　　真空開關(guān)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切合時(shí)，無論是短路切合還是負(fù)載切合，真空開關(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)，其幅值和頻率相對較低。在開關(guān)管的絕緣試驗(yàn)中，是以短時(shí)工頻耐壓來考核的。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驗(yàn)證開關(guān)管耐受瞬時(shí)過電壓的水平。在以絕緣配合為目的的開關(guān)管絕緣外殼的設(shè)計(jì)中要保證開關(guān)管在這兩類電壓作用下的良好絕緣性能。基本設(shè)計(jì)依據(jù)是開關(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。對于真空開關(guān)的不同使用場合，根據(jù)系統(tǒng)里可能出現(xiàn)的瞬時(shí)過電壓以及過電壓保護(hù)裝置的特性，國家標(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開關(guān)管耐受沖擊電壓的國家標(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)，其中非均勻電場欄中所給出的間隙值可以保證在任何電場條件下間隙都能承受對應(yīng)的沖擊電壓。如果要縮小管子絕緣外