吳征波（廈門施耐德（華電）開(kāi)關(guān)有限公司，福建　廈門　361000）

氣體介質(zhì)絕緣概念及其在中壓開(kāi)關(guān)柜中的應(yīng)用

吳征波
（廈門施耐德（華電）開(kāi)關(guān)有限公司，福建廈門361000）

本文主要介紹了氣體介質(zhì)內(nèi)加強(qiáng)絕緣的辦法以及這些辦法在開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或試驗(yàn)中的應(yīng)用。

中壓開(kāi)關(guān)柜；絕緣概念；舉例分析

一、絕緣概念

首先先簡(jiǎn)要提一下絕緣的概念，早在中學(xué)學(xué)物理時(shí)就學(xué)習(xí)到金屬導(dǎo)體比如鐵、銅等是導(dǎo)電的；像塑料、橡膠等不導(dǎo)電的物體是絕緣體。當(dāng)時(shí)的理解：不導(dǎo)電的物體就是絕緣的。這種理解不能算錯(cuò)，隨著對(duì)絕緣的深入了解，知道了對(duì)于一切電介質(zhì)，其電氣強(qiáng)度都是有限的。超過(guò)某種限度，任何電介質(zhì)就會(huì)逐步喪失原有的絕緣性能，甚至擊穿而變成導(dǎo)體。也就是絕緣是相對(duì)的。

二、中壓開(kāi)關(guān)柜舉例分析

這一點(diǎn)對(duì)中壓設(shè)備尤其重要。拿中壓開(kāi)關(guān)柜舉例。它是一個(gè)類似于長(zhǎng)方體的柜體，其內(nèi)部集合有斷路器、母線、CT、PT、S.A.等眾多高壓元器件。顯然從絕緣的角度出發(fā)，保證這些元器件相對(duì)相、相與地之間要滿足絕緣要求，就務(wù)必需要有一定的間距。比如DL/T593就有規(guī)定：10kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體間及對(duì)地間空氣凈距要求≥125mm；但現(xiàn)代開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)趨勢(shì)又需要朝小型化發(fā)展。土地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值越來(lái)越高，尤其在沿海率先發(fā)達(dá)的地區(qū)更是如此。用戶希望盡可能用較小的空間放置這些中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備。而要在狹小的空間里安裝眾多元器件，如何保證這些元器件的絕緣要求，就是很嚴(yán)肅的問(wèn)題，是必須認(rèn)真對(duì)待的——否則輕則損壞設(shè)備，重則傷害人身安全。

三、如何加強(qiáng)電氣強(qiáng)度分析

的確除了加大間距，還有許多其它途徑能有效的加強(qiáng)絕緣。這里我們專就氣體介質(zhì)加強(qiáng)絕緣的方式作個(gè)介紹。因?yàn)閷?duì)中壓開(kāi)關(guān)柜來(lái)說(shuō)主體的絕緣介質(zhì)就是氣體。而試驗(yàn)或運(yùn)行中很多絕緣問(wèn)題也是與氣體介質(zhì)相關(guān)聯(lián)的。

1 理論研究得出，關(guān)于氣體介質(zhì)如何加強(qiáng)絕緣不外乎兩種途徑：（1）大家都熟悉不過(guò)的改善電場(chǎng)使之均勻分布，（2）削弱或抑制氣體介質(zhì)中的電離。這兩種途徑在我們開(kāi)關(guān)柜中都有大量應(yīng)用。

2 以電場(chǎng)形式分析，自然的聯(lián)想到均勻電場(chǎng)、稍不均勻電場(chǎng)以及極不均勻電場(chǎng)三種實(shí)例。在均勻電場(chǎng)里，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)處處相等，氣隙的擊穿電壓處處均等。這種實(shí)例是很理想的情況，但實(shí)踐中也難獲得應(yīng)用。第二類稍不均勻電場(chǎng)的氣隙特性與均勻電場(chǎng)很相似，不可能存在穩(wěn)定的電暈放電，一旦出現(xiàn)局部放電，即導(dǎo)致整個(gè)氣隙的擊穿。第三類極不均勻電場(chǎng)的實(shí)例其實(shí)就是尖端對(duì)尖端或尖端對(duì)平板電極。它們的擊穿電壓都顯著低于前面兩類電場(chǎng)，并且具有明顯的極性效應(yīng)——就是正極性電極的擊穿電壓要低于負(fù)極性。從這三種實(shí)例我們發(fā)現(xiàn)：隨著電極曲率半徑越來(lái)越小，電場(chǎng)不均勻程度越來(lái)越大，擊穿電壓的分散性越大?？拷舛颂幨亲畈痪鶆虻牡胤?，也是絕緣最薄弱的地方。再結(jié)合空氣的實(shí)例看看電場(chǎng)不均勻度造成的區(qū)別：均勻電場(chǎng)下空氣的擊穿電壓曲線類似于一條直線，常態(tài)空氣的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為30kV/cm，如果開(kāi)關(guān)柜能設(shè)計(jì)成理想的均勻電場(chǎng)，那么沖擊耐受75kV，則可算出只要25mm再加點(diǎn)裕度30mm就滿足絕緣要求了。盡管這個(gè)數(shù)據(jù)是理想情況下得出的，但它也提示還需要改進(jìn)的空間；接下來(lái)看看稍不均勻電場(chǎng)下的特性曲線，擊穿電壓已經(jīng)在下降，并且隨球直徑的減少也就是不均勻度增大，下降的越明顯。至于極不均勻電場(chǎng)如“棒－板”氣隙，這里有個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，距離不大于10cm的氣隙，負(fù)極性直流擊穿場(chǎng)強(qiáng)約20kV/cm；正極性則僅有7.5kV/ cm。這里補(bǔ)充一下：前面這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是模擬常態(tài)即20度，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下獲得的。實(shí)際工程應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜，僅對(duì)氣體介質(zhì)絕緣來(lái)說(shuō)，壓力、濕度、溫度都必然影響擊穿電壓。象3、4月份的南方老下雨，空氣濕度大，此時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)絕緣裕度較小的 CT安裝處加裝的絕緣隔板耐壓試驗(yàn)通不過(guò)的概率就比平常要高些。最后再看開(kāi)關(guān)柜中改善電場(chǎng)分布的應(yīng)用。第一點(diǎn)：正如前面解釋的加大電極曲率半徑能減輕電場(chǎng)的不均勻程度。ABB中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)D型母線以及銅排的倒角處理，都是這類實(shí)例。第二點(diǎn)：利用屏蔽增大曲率半徑。這里舉一個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)“棒－板”實(shí)例，極間距離為100cm，采用直徑為75cm的球形加裝在棒極的端部，可以使擊穿電壓提高一倍。ABB中壓開(kāi)關(guān)柜的接地開(kāi)關(guān)屏蔽電極就是這類的典型應(yīng)用。比如Unigear ZS3.2 40.5kV開(kāi)關(guān)柜，最早沒(méi)有屏蔽電極時(shí)，工頻耐壓98kV試驗(yàn)時(shí)32s就擊穿，雷電沖擊187kV耐壓試驗(yàn) 5次就有2次擊穿；加了屏蔽電極后，工頻100kV 試驗(yàn)一分鐘無(wú)擊穿和閃絡(luò)；雷電沖擊199kV試驗(yàn) 15次也無(wú)擊穿和閃絡(luò)。至于導(dǎo)體對(duì)稱性設(shè)計(jì)在中壓開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比比皆是。第四點(diǎn)：消除電極表面的毛刺、尖角。這點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的工程師體會(huì)最明顯。實(shí)驗(yàn)室里做耐壓試驗(yàn)，若有一臺(tái)開(kāi)關(guān)柜CT處發(fā)生火花放電，檢驗(yàn)工程師在無(wú)其他明顯判斷的情形下將CT表面搽拭一下，很可能第二次耐壓就通過(guò)了，判斷還是由于上面沾了某些灰塵或者鍍銀粉引起的。這種現(xiàn)象在現(xiàn)場(chǎng)也常發(fā)生。

3 除以上介紹的改善電場(chǎng)分布的方法外，還有一種加強(qiáng)絕緣的辦法就是抑制氣體介質(zhì)的電離。氣體間隙的放電是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，大致是這么一個(gè)運(yùn)作流程：空氣中的一些看不見(jiàn)、摸不著的射線像X射線、伽馬射線都能使氣體原子中的電子獲得激勵(lì)擺脫原子核的束縛，于是就存在著一對(duì)正離子和電子。盡管很少，但畢竟存在著。研究表明每立方厘米常態(tài)空氣中經(jīng)常存在著500－1000對(duì)這種正、負(fù)帶電粒子。在低電壓的指引下，這些帶電粒子作定向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)可能碰撞氣體氣體分子，如果動(dòng)能足夠大，就能將分子中的電子拉出分子成為新的自由電子。這些電子、離子的定向移動(dòng)最終構(gòu)成了電極間的電流。正常電壓下這種電流極其微弱，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是10的負(fù)19次方，遠(yuǎn)小于人體的生物電，所以平時(shí)都感覺(jué)不到。但當(dāng)所加的電壓升高到一定時(shí)候空間電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大，剛才說(shuō)的碰撞電離就產(chǎn)生一個(gè)明顯的物理過(guò)程。1個(gè)初始電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)中撞到氣體分子，產(chǎn)生1新電子，它們一起繼續(xù)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，又會(huì)引起新的碰撞，產(chǎn)生更多的電子。這就是電子崩。另外在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，剛才提到的正離子撞擊陰極表面產(chǎn)生的新電子數(shù)已經(jīng)足夠維持初始的電子，于是放電現(xiàn)象就能自己維持，無(wú)需外界電離因子的參與。氣體流注現(xiàn)象當(dāng)氣隙足夠長(zhǎng)，此時(shí)大量的正、負(fù)粒子復(fù)合會(huì)輻射出光子，這些輻射源會(huì)引發(fā)新的空間光電離。

4 理論比較枯燥，來(lái)看看實(shí)例的應(yīng)用是如何驗(yàn)證理論的分析的。第一點(diǎn)：高強(qiáng)度氣體。超強(qiáng)的電負(fù)性，容易捕獲自由電子形成負(fù)離子，引起碰撞電離的罪魁禍?zhǔn)纂娮颖幌麥缌?，放電流程也就沒(méi)法維持了。但必須指出，SF6的絕緣特性在均勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)中有極大的差異。……還有真空絕緣。從剛才的分析似乎得出擊穿電壓為無(wú)窮大，真空中不存在粒子，也就不可能有電子產(chǎn)生了。但實(shí)際上陰極會(huì)發(fā)生強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射，產(chǎn)生金屬氣體和帶電粒子。另外，當(dāng)真空距離較大，電子……所以真空絕緣主要應(yīng)用于斷路器。第二點(diǎn)，采用屏障。從前面的理論可知在氣隙中防止合適的能阻礙帶電粒子運(yùn)動(dòng)和調(diào)整空間電場(chǎng)分布的屏障，就能提高介質(zhì)強(qiáng)度。復(fù)合絕緣效果顯著，是提高電氣強(qiáng)度的好方法，但不是絕緣性能好的材料都能作復(fù)合絕緣材料的，實(shí)際應(yīng)用中還必須考慮它的老化（包括熱老化和電老化）、阻燃，抗燃弧，抗機(jī)械應(yīng)力、介質(zhì)損耗等等因素。

5 或者改善電場(chǎng)分布，或者抑制氣體介質(zhì)的電離，采取了那么多的措施，那么設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的產(chǎn)品究竟能不能使用？還是那句話：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。如果這個(gè)產(chǎn)品本身存在絕緣問(wèn)題，等到送了電了開(kāi)關(guān)柜出事故了才發(fā)現(xiàn)這個(gè)產(chǎn)品絕緣原來(lái)不合格，那個(gè)時(shí)候已經(jīng)太晚了。因此最后還需要借助各種絕緣試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)和掌握絕緣的狀態(tài)和性能。就結(jié)果影響而言，絕緣試驗(yàn)包括非破壞性和破壞性兩類。非破壞性檢測(cè)除電氣強(qiáng)度以外的其它電氣性能，是在較低的電壓下或用其它不損害原有絕緣的方法進(jìn)行的。而破壞性如耐壓試驗(yàn)和擊穿試驗(yàn)則直接用高電壓檢驗(yàn)絕緣耐受各種過(guò)電壓的能力，試驗(yàn)過(guò)程中可能給試品帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的局部損傷或整體損壞，具有破壞性質(zhì)。要準(zhǔn)確、全面掌握電氣設(shè)備的絕緣性能，這兩類試驗(yàn)都不可缺少。為避免不必要的損失，都先作非破壞性試驗(yàn)合格后再作破壞性試驗(yàn)。一般開(kāi)關(guān)柜工廠出廠絕緣試驗(yàn)包括：絕緣電阻——一次加2500V測(cè)電阻值，這種方法簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛，能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備受潮，重大缺陷等問(wèn)題；局部放電已成為確定產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一，能有效的發(fā)現(xiàn)絕緣的局部性缺陷。

[1] 王平. 中壓柜式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2004（08）：76-78.

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