真空开关管绝缘外壳的设计要点浅析

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真空开关管绝缘外壳的设计要点浅析

爱之箭

赵智忠 摘　要： 通过对绝缘外壳的空气击穿特性、固体介质沿面闪络特性的分析，给出了真空开关管绝缘外壳的设计要点，即绝缘外壳的最小高度是由冲击电压决定的，而爬电距离是由工作电压及环境条件决定的。绝缘外壳要同时满足这两方面的要求。 关键词： 真空开关管；击穿；沿面闪络；爬电距离 中图分类号： TN102　　　文献标识码： B A Humble Analysis of the Points on Injulating Outer-Hard of Vacuum Switch to Be Designed ZHAO Zhi-zhong (Information Engineering Dept. in Liaoning Institute of Technology,Jinzhou 121001,China) Abstract ： Having analyzed the features shown by air breakdown an injulating outer-hard, and that cause solid medium to produce a creeping overflash, the paper presents points for a vacuum switch outer-hard to be designed, namely that the minimum height of the outer-hard is determined by an impulse voltage, however the creeping distance is determined by a working voltage and environmental conditions. Therefore, the injulating outer-hard must meet the needs simultaneously, of the both concerned. Key words ： vacuum switch; breakdown; creeping overflash; creeping distance 　　近年来，真空开关管朝着高电压、大容量发展的同时，体积的小型化也成了人们刻意追求的目标。对于真空开关管来说，额定参数中的电流参数(如额定电流、额定短路开断电流)决定了管子的径向尺寸，而电压参数则决定了管子的高度尺寸。 　　为了保证开关管有良好的绝缘性能，要求绝缘外壳能够保证开关管动静端导电部件之间有足够的电气间隙和爬电距离。由于开关管内是真空介质，而绝缘外壳材料(主要有DM-308玻璃和A-95氧化铝瓷两种)本身又有极好的绝缘性能，所以绝缘配合的薄弱环节在绝缘外壳与大气接触的一侧，即大气侧动静端之间的空气击穿以及沿外壳外表面的闪络击穿。因此，绝缘外壳的设计，实际上就是正确设计由绝缘外壳所构成的空气间隙及爬电距离，使之能够承受国家标准规定的绝缘耐压值，同时达到真空密封、支撑的目的。 1　管外空气的击穿特性以及外壳沿面闪络特性 1.1　管外的空气击穿特性 　　标准状态下的空气在低电压下是很完善的介质，基本不导电。而当电极间的电场强度增强时，电场能量将使电场中的气体分子电离并产生雪崩式的电子繁流，使电场中有大量的电子和离子成为载流子在气体中导电，导致气体的击穿。均匀电场中的空气击穿电压符合巴申定律： (1) 式中　p为压力(Pa); d为间隙距离(m); γ为二次电子发射系数; A、B为常数。 　　式(1)的U-pd曲线如图1所示。pd值在0.75 Pa . m附近时，空气击穿电压有一个最小值，以后U随pd增加而单调增加且近似成正比。通常真空开关管管外的空气满足pd＞0.75 Pa . m的条件。p不变，所以管外空气的击穿电压与间隙距离成正比。 图1 　U-Pd曲线 1.1.1　电极形状对气体击穿的影响　开关管两端的电极形状决定着电极间的电场分布，击穿电压的大小与电极间的电场分布直接相关。通常，把电极间的平均电场强度E QV 与最大电场强度E max 的比值称作电极几何形状的利用系数，即η=E QV /E max . 　　式中E QV 为外加电压除以电极间距；E max 是电极间隙中的最大电场强度；η表征电场系统相对于均匀场的“低劣度”，其数值总是小于1. 　　对于给定气压的绝缘空气来说，工频击穿电压V δ =ηE s . d, E s 是空气介质击穿的电场强度，其值约是峰值2.5～3 kV. 　　由此可见，空气间隙承受工频击穿电压的水平取决于η值，均匀场(η=1)时击穿电压值最高，随着电场不均匀性的增加，击穿电压下降。现在真空开关的设计者都在致力于使管子本身的结构对称，动静端配件对称，这样会明显改善管子的工频耐压能力。但在绝缘外壳的设计中，仍当做不均匀电场处理，这样可靠性更高。 1.1.2　电压波形对击穿特性的影响　实验发现：均匀电场中的空气击穿电压实际上与所施加的电压波形无关，间隙的冲击电压击穿水平与工频峰值击穿电压相同。而在非均匀电场中，击穿电压的大小与电压波形有很大关系。冲击电压的击穿水平要高于工频电压的击穿水平。图2是空气间隙的脉冲击穿示意图。当所加电压是工频电压时，间隙在电压U 0 时被击穿，而在一定形状的脉冲电压下，间隙的击穿则在较高的电压U m 处发生。比值β=U m /U 0 称做脉冲系数。它表征脉冲击穿电压高于工频击穿电压的程度。实质上β是由空气介电性能的变化时间所决定的。当脉冲电压越过U 0 时，间隙并未击穿，而在其后延时τ后才击穿。时延τ就是使击穿过程在一定条件下能够完成所需的时间。这也说明气体的介电性能不能突