李蓓蓓,嚴(yán)孟飛,葛偉山（陜西寶光真空電器股份有限公司; 西電寶雞電氣有限公司,陜西 寶雞 7006）

固封極柱外絕緣層開膠對性能的影響分析

李蓓蓓1,嚴(yán)孟飛2,葛偉山1
（1陜西寶光真空電器股份有限公司; 2西電寶雞電氣有限公司,陜西 寶雞 721006）

摘 要：本文介紹了真空滅弧室固封極柱技術(shù)的發(fā)展，利用電場分析和固體介質(zhì)擊穿理論，分析了當(dāng)固封極柱外絕緣層出現(xiàn)開膠或夾雜時(shí)，開膠部位的電場強(qiáng)度將顯著增強(qiáng)，導(dǎo)電雜質(zhì)會減小絕緣層厚度，容易出現(xiàn)固封極柱外絕緣擊穿。

關(guān)鍵詞：固封極柱；外絕緣層；擊穿；電場分析；介電常數(shù)

0 引言

固封極柱使真空滅弧室和其他導(dǎo)電件及外界環(huán)境完全隔離,增強(qiáng)滅弧室外絕緣強(qiáng)度，避免了外力和外界環(huán)境對滅弧室及其他導(dǎo)電件的影響。固封極柱極大的簡化開關(guān)裝配過程，并減少了裝配過程出現(xiàn)差錯的概率[1]。真空滅弧室內(nèi)部為真空絕緣，可靠性非常高。外部絕緣依靠固封層，當(dāng)固封層開膠時(shí)，很容易出現(xiàn)外絕緣擊穿導(dǎo)致固封極柱破壞。故硅橡膠層和環(huán)氧樹脂層的質(zhì)量決定了固封極柱的外絕緣性能。

1 多介質(zhì)系統(tǒng)中的電場分析

真空滅弧室固封極柱屬于典型的多介質(zhì)系統(tǒng)：滅弧室內(nèi)部真空部分、滅弧室絕緣外殼（陶瓷）、硅橡膠層、環(huán)氧樹脂層。不考慮滅弧室兩端的金屬部分時(shí)，則每個界面處只有兩種介質(zhì)，只分析均勻電場下兩種介質(zhì)交界面與等位面重合以及與等位面斜交的情況[2]。

1.1 介質(zhì)界面與等位面重合的情況

圖1 均勻電場中的雙層介質(zhì)

圖1表示均勻電場中雙層介質(zhì)的情況，兩層介質(zhì)中的電場強(qiáng)度E1和E2分

式（1-1）與式（1-2）表明，在絕緣距離d=d1+d2不變的情況下，增大時(shí)E2減小，但卻使E1增大；減小時(shí)E2增大，但卻使E1減小。

1.2 介質(zhì)界面與等位面斜交的情況

介質(zhì)界面與等位面斜交時(shí)，電位移矢量與界面之間的角度不是90℃，因此會在第二種介質(zhì)中發(fā)生折射，如圖2所示。電纜線入射角與折射角的關(guān)系如下：

式（1-3）表明，α1一定時(shí)，ε1與ε2決定α2，且增大ε2時(shí)En2減??；減小ε2時(shí)En2增大。與式（1-1）及式（1-2）的結(jié)果類似。即介質(zhì)中的電場強(qiáng)度與介質(zhì)的介電常數(shù)密切相關(guān)，且成反比關(guān)系，增大ε2時(shí)E2減小，減小ε2時(shí)E2增大。

圖2 電力線在兩層介質(zhì)中折射的情況

2 固封極柱中的電場分析

2.1 固封極柱粘結(jié)良好時(shí)的電場

固封極柱粘結(jié)良好時(shí)，則只存在3層介質(zhì)、2個界面，瓷殼層與硅橡膠層，硅橡膠層與環(huán)氧樹脂層。規(guī)定各層介質(zhì)的電場強(qiáng)度和介電常數(shù)為：

瓷殼層：E1與ε2；硅橡膠層：E2與ε2； 環(huán)氧樹脂層：E3與ε3考慮介質(zhì)界面與等位面重合的情況時(shí)，可以利用式（1-1）與式（1-2）得到:

通過查詢介電常數(shù)參考表可知，氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)為：3.1-3.9，硅橡膠的介電常數(shù)為：3.2-9.8，環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)為：3.6。可以看出，三種介質(zhì)的介電常數(shù)基本上在一個數(shù)量范圍內(nèi)，即三種介質(zhì)的中的電場強(qiáng)度基本相當(dāng)，且在界面處沒有突變。硅橡膠層和環(huán)氧樹脂層相當(dāng)于增加了真空滅弧室的瓷殼厚度，減小了滅弧室外部的電場強(qiáng)度。故使用固封極柱技術(shù)可以使真空斷路器小型化，并提高絕緣可靠性。

2.2 固封極柱粘結(jié)不良時(shí)的電場情況

固封極柱粘結(jié)不良時(shí)，相當(dāng)于在原有的3層介質(zhì)中增加了新的1層介質(zhì)，該介質(zhì)的成分為含雜質(zhì)的空氣，其介電常數(shù)為1。三種原有介質(zhì)的介電常數(shù)考慮為3.5，則空氣與原有介質(zhì)之間的交界面處將發(fā)生電場突變，空氣中的電場強(qiáng)度變?yōu)椋?/p>

即空氣中的電場強(qiáng)度相當(dāng)于原固封層中電場強(qiáng)度的3.5倍。并且由于空氣的擊穿電壓遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹脂和硅橡膠的擊穿電壓，當(dāng)固封極柱粘結(jié)良好時(shí)不會出現(xiàn)外絕緣擊穿的電場強(qiáng)度值，也有可能在固封極柱粘結(jié)不良時(shí)導(dǎo)致外絕緣擊穿，破壞極柱。

2.3 固封極柱中含雜質(zhì)時(shí)的電場情況

當(dāng)固封極柱的硅橡膠層或者環(huán)氧樹脂層中含有雜質(zhì)時(shí)，可以按兩種情況考慮其電場變化，雜質(zhì)為導(dǎo)體和雜質(zhì)為絕緣體。

（1）雜質(zhì)為導(dǎo)體時(shí)，相對于硅橡膠層和環(huán)氧樹脂層，其介電常數(shù)可以認(rèn)為是無窮大。增大ε2時(shí)E2減小，但卻使E1增大，相當(dāng)于E2=0，可以理解為減小了絕緣層的厚度，導(dǎo)致容易出現(xiàn)外絕緣擊穿。

（2）雜質(zhì)為絕緣體時(shí)，情況比較復(fù)雜，當(dāng)雜質(zhì)介電常數(shù)與絕緣層差異較大時(shí)，會導(dǎo)致界面處的電場強(qiáng)度出現(xiàn)較大變化，容易引起外絕緣擊穿。當(dāng)雜質(zhì)為放氣性材料時(shí)，其產(chǎn)生的其他在電場作用下會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的局部放電情況，破壞外絕緣層。嚴(yán)重影響固封極柱的絕緣性能。

3 結(jié)論

本文通過分析真空滅弧室固封極外絕緣層在不同情況下的電場分布情況，得出了固封極柱外絕緣層粘結(jié)不良，以及含有雜質(zhì)時(shí)，開膠部位的電場強(qiáng)度將顯著增強(qiáng)，導(dǎo)電雜質(zhì)會減小絕緣層厚度，都會導(dǎo)致固封極柱外絕緣下降出現(xiàn)擊穿。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建基.真空斷路器固封極柱的生產(chǎn)工藝與市場狀況[J].電氣工業(yè),2008（09）:22-23．

[2]施圍，邱毓昌，張喬根．高電壓工程基礎(chǔ)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014:70-77.