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)計要點，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：TN102 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B
近年來，真空開關(guān)管朝著高電壓、大容量發(fā)展的同時，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，實際上就是正確設(shè)計由絕緣外殼所構(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)電極間的電場強度增強時，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)�！ ∈�(1)的U-pd曲線如圖1所示。pd值在0.75 Pa.m附近時，空氣擊穿電壓有一個最小值，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度EQV與最大電場強度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)時擊穿電壓值最高，隨著電場不均勻性的增加，擊穿電壓下降�，F(xiàn)在真空開關(guān)的設(shè)計者都在致力于使管子本身的結(jié)構(gòu)對稱，動靜端配件對稱，這樣會明顯改善管子的工頻耐壓能力。但在絕緣外殼的設(shè)計中，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 實驗發(fā)現(xiàn)：均勻電場中的空氣擊穿電壓實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，間隙在電壓U0時被擊穿，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。實質(zhì)上β是由空氣介電性能的變化時間所決定的。當(dāng)脈沖電壓越過U0時，間隙并未擊穿，而在其后延時τ后才擊穿。時延τ就是使擊穿過程在一定條件下能夠完成所需的時間。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。
根據(jù)空氣擊穿理論可以導(dǎo)出脈沖系數(shù)β與時延τ之間的關(guān)系式中，a是一個由電極和脈沖形狀決定的系數(shù)。擊穿時延時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)時間小于擊穿所需時間τ，則間隙可以承受較高的脈沖電壓而不被擊穿。實驗數(shù)據(jù)表明：當(dāng)脈沖寬度為10-5秒時，β就開始大于1，當(dāng)脈沖寬度為10-6秒時，β值可達(dá)1.8左右。這就是國標(biāo)GB311沖擊耐壓試驗的制定根據(jù)，也是絕緣外殼設(shè)計的原始根據(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。試驗表明：當(dāng)施加電壓的持續(xù)時間很短時，表面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓的差距減小。當(dāng)試驗電壓的頻率為106 Hz時，固體介質(zhì)的表面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿電壓相等�！ ∮纱丝梢姡簩�(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 真空開關(guān)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切合時，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，還要承受切合時由于電路狀態(tài)突變而造成的瞬時過電壓的作用。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)管的絕緣試驗中，是以短時工頻耐壓來考核的。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)時間短的脈沖電壓，通常以雷電沖擊電壓來驗證開關(guān)管耐受瞬時過電壓的水平。在以絕緣配合為目的的開關(guān)管絕緣外殼的設(shè)計中要保證開關(guān)管在這兩類電壓作用下的良好絕緣性能�；驹O(shè)計依據(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。這些都是理論與實驗相結(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殼的高度，則必須精心設(shè)計電極形狀或加以適當(dāng)?shù)钠帘蝸砀纳苿屿o端之間的電場分布狀態(tài)，使電場趨于均勻，即電氣間隙的極限值是表2均勻電場欄給出的數(shù)值。此時高度減少了60%～70%. 表1 沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn) 額定工作電壓 (kV)(有效值) 額定沖擊電壓 (kV)(1.5/40μs) 3 42 6 57 10 75 表2 海拔1000米處電氣間隙值 額定沖擊電壓(kV) 4 6 8 12 20 40 60 80 100 非均勻電場時(mm) 3 5.5 8 14 25 60 90 130 170 均勻電場時(mm) 1.2 2 3 4.5 8 17 27 35 45 還應(yīng)注意，當(dāng)海拔高度超過1000米時，電氣間隙值還要乘以修正系數(shù)Z，Z=1/(k-), 式中常數(shù)k=1.1, H是海拔高度值，單位是米。 2.2 絕緣外殼爬電距離的確定，爬電距離是指開關(guān)動靜端之間沿絕緣外殼表面的最短距高。它與瞬時過電壓無關(guān)，是由開關(guān)管的額定工作電壓所決定的，同時要考慮環(huán)境的污染條件和介質(zhì)材料種類的影響。通常環(huán)境的污染條件是根據(jù)環(huán)境的潮濕情況和塵埃物質(zhì)的導(dǎo)電情況而加以區(qū)別的。對于玻璃和陶瓷材料，由于玻璃的吸潮性較強，且其體內(nèi)的堿離子在電場作用下的定向遷移而產(chǎn)生的電解現(xiàn)象，都加重了玻璃表面的電場畸變。所以其表面閃絡(luò)特性不如陶瓷材料，而上釉陶瓷的介電性能又優(yōu)于未上釉陶瓷。表3給出了不同工作電壓所需的爬電距離。 表3 不同工作電壓下所需爬電距離 額定工作電壓(V) 絕緣外殼的爬電距離(mm) Ⅰ Ⅱ Ⅲ 250 3.6 4 5 400 5.6 6.3 8 630 9 10 12.5 1000 14 16 20 1250 18 20 25 1600 22 25 32 2500 36 40 50 3200 45 50 63 6300 80 90 100 10000 125 140 160 在絕緣外殼爬電距離設(shè)計時，根據(jù)開關(guān)管的額定工作電壓按表3選取。其中上釉的陶瓷材料按第Ⅰ檔選取，不上釉的陶瓷材料按第Ⅱ檔選取，玻璃材料按第Ⅲ檔選取。如果所選擇的爬電距離值與絕緣外殼高度值不等時，應(yīng)遵循爬電距離不能小于高度尺寸，以致最小的爬電距離可能等于高度尺寸的原則。 2.3 設(shè)計舉例 需要設(shè)計的某開關(guān)管的額定工作電壓為6 kV,額定雷電沖擊耐壓是40 kV，絕緣外殼采用不上釉陶瓷材料，設(shè)計其絕緣外殼尺寸�！ 〔楸�2可知，在非均勻電場條件下，滿足40 kV沖擊耐壓的最小電氣間隙為60 mm; 由表3可知，額定工作電壓6 kV時爬電距離有80 mm, 90 mm, 100 mm三檔，采用不上釉的陶瓷材料，故爬電距離選第Ⅱ檔，為90 mm. 以上數(shù)據(jù)中，爬電距離尺寸大于絕緣外殼高度，在確定外殼實際尺寸時，可以把外殼的高度尺寸延長至爬電距離的數(shù)值，同為90 mm; 也可以把絕緣外殼外表面設(shè)計成帶有橫向筋槽的“裙邊”(波紋瓷殼)來滿足90 mm爬電距離的要求，而實際高度取60 mm.這時波紋延長了導(dǎo)電表面連續(xù)爬電距離，從而縮短了管子的高度。但要注意，波紋的高度(深度)只有大于2 mm時才能有效地改善表面的閃絡(luò)特性。此外，當(dāng)爬電距離被一個金屬件分為兩段時，則兩段距離之和至少應(yīng)是規(guī)定最小值的1.25倍。 從這個設(shè)計實例還可以看出，陶瓷外殼與玻璃外殼相比，要求的爬電距離較小，上釉后更小，而且還可以設(shè)計成波紋瓷殼來滿足爬電距離的要求，這點正適應(yīng)真空開關(guān)小型化的需要。另外，陶瓷真空開關(guān)管還具有可以使用一次封排工藝，去氣徹底等一系列優(yōu)點。所以陶瓷外殼真空開關(guān)管是今后的發(fā)展方向。作者簡介：趙智忠（1965－），男，遼寧葫蘆島市人，遼寧工學(xué)院信息工程系副教授。 作者單位：遼寧工學(xué)院 信息工程系，遼寧 錦州 121001 參考文獻(xiàn) [1] 陳季丹等.電介質(zhì)物理學(xué)〔M〕.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992. [2] GB 311.高壓電氣設(shè)備絕緣試驗電壓和試驗方法〔S〕.