汪 路，趙子文

（1.陜西寶光真空電器股份有限公司，陜西 寶雞 721006；2.西電寶雞電氣有限公司，陜西 寶雞 721306）

1 表面拉弧問題

超高壓老煉作業(yè)過程如圖1所示[1]。滅弧室動(dòng)端加超高壓電、靜端接地，滅弧室內(nèi)部的絕緣性能很高，但是外部絕緣需要借助絕緣介質(zhì)，而絕緣介質(zhì)的絕緣性能受室內(nèi)溫濕度、雜質(zhì)等因素干擾不穩(wěn)定，常常出現(xiàn)電壓還未升高到作業(yè)要求時(shí)，滅弧室外側(cè)就出現(xiàn)拉弧問題。大量的電荷瞬間釋放，擊穿絕緣介質(zhì)，從滅弧室的瓷殼表面拉過，如圖2所示。電弧對滅弧室瓷殼表面造成外部損傷，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢[2]。

圖1 超高壓老煉作業(yè)圖示

圖2 表面拉弧現(xiàn)象

2 拉弧及擊穿現(xiàn)象的原理解讀

2.1 拉弧及擊穿現(xiàn)象的物理原理

2.1.1 電子崩

場強(qiáng)高到一定程度，電子在向陽極運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)碰撞電離，在連鎖碰撞后產(chǎn)生更多的電子，像雪崩一樣發(fā)展，這種急劇增加的電流為電子崩[3]。

超高壓老煉過程中，液體電介質(zhì)中總會(huì)存在一些離子，在電場作用下運(yùn)動(dòng)而形成微弱電流。隨著場強(qiáng)逐漸提升，電子運(yùn)動(dòng)加速、積累能量、持續(xù)碰撞液體分子，進(jìn)一步使液體電介質(zhì)的分子電離，致使電子數(shù)量迅速增加。因碰撞電離而產(chǎn)生的正離子移動(dòng)至陰極附近，增強(qiáng)了陰極表面的場強(qiáng)，促使陰極發(fā)射的電子數(shù)量進(jìn)一步增多，如圖3所示。隨著電流急劇增加，液體電介質(zhì)失去絕緣能力，發(fā)生擊穿[4]。

圖3 高場強(qiáng)下電子變化圖示

2.1.2 電子崩的宏觀表現(xiàn)

超高壓老煉過程中的放電解析如圖4所示。0A階段，電壓逐漸增加，少量電子運(yùn)動(dòng)速度加快，電流隨著電壓的升高而升高。AB階段，隨著電壓的繼續(xù)增加，單位時(shí)間內(nèi)電離產(chǎn)生的自由電子數(shù)是一定的，所以電流沒有隨著電壓的增加而增加。BC階段，電壓繼續(xù)上升，電流隨著電壓的上升也持續(xù)上升，在高場強(qiáng)下產(chǎn)生碰撞電離，激發(fā)出更多的電子，電流顯著增加。C階段，電流急速增加，這時(shí)由于電場強(qiáng)度已經(jīng)很高，發(fā)生嚴(yán)重拉弧或擊穿現(xiàn)象，電流增加到極限，實(shí)現(xiàn)自持放電，電流無限增大。在BC段，就能很清楚地預(yù)判介質(zhì)的絕緣性能。

圖4 高壓老煉過程放電圖解

2.2 沿面放電

沿面放電是指沿不同聚集態(tài)電介質(zhì)分界面的放電現(xiàn)象。沿面放電的特點(diǎn)：沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)，電壓不但要比同體介質(zhì)本身的擊穿電壓低，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低。

在均勻電場的條件下（不涉及“極不均勻電場中的沿面放電”），固體介質(zhì)表面與電力線平行。

從實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸潮的固體介質(zhì)如瓷殼等的沿面閃絡(luò)電壓低于不吸潮的電壓，主要因?yàn)榻橘|(zhì)表面吸附的水分受到電子撞擊時(shí)很容易將電子俘獲而形成負(fù)離子。負(fù)離子在外電場作用下向陽極移動(dòng)，使沿面電場發(fā)生了畸變，形成不均勻電場，從而降低了沿固體交界面的氣體擊穿電壓，如圖5所示。介質(zhì)表面吸附水分的能力越大，閃絡(luò)電壓就降得越低。另一方面，固體介質(zhì)表面電阻分布不均勻，表面有傷痕等都使沿面電場分布不均勻，因而都將引起沿面閃絡(luò)電壓下降[5]。高壓老煉的工作環(huán)境符合這個(gè)現(xiàn)象，光面瓷殼就比傘裙瓷殼更容易引起沿面放電。

圖5 場強(qiáng)畸變引起沿面放電圖示

2.3 小 結(jié)

綜上分析得出真空滅弧室拉弧及擊穿的主要影響因素：一是電場強(qiáng)度，電場越強(qiáng)越容易放電；二是電場均勻程度，電場越不均勻，越容易放電；三是電場電離，電子和離子越多、越活躍，越容易引發(fā)場強(qiáng)畸變?；诖耍鉀Q拉弧及擊穿問題的主要研究方向定位在電場強(qiáng)度、電子、離子的控制上。

3 解決方案

3.1 電荷引流原理引入

拉弧及擊穿的主要影響因素是電場強(qiáng)度和電子。超高壓老煉工作電壓約100 kV，是無法調(diào)整的，但可以控制電子的數(shù)量和電子的流向，用引流盤引導(dǎo)電子的流動(dòng)方向，如圖6所示。

圖6 引流盤

3.2 設(shè)計(jì)方案的場景分析

升壓初始階段，滅弧室內(nèi)先聚集電荷，電壓繼續(xù)升高，介質(zhì)中慢慢開始產(chǎn)生自由電子和微弱電流，當(dāng)電壓升高到80 kV時(shí)，電子數(shù)量逐漸增多，瓷殼表面開始出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。

（1）在拉弧現(xiàn)象發(fā)生前，避免電子聚積，降低拉弧風(fēng)險(xiǎn)。在滅弧室旁邊放入引流裝置后，引流盤可以引流電離出的電子，預(yù)防電子堆積，引導(dǎo)外場強(qiáng)方向如圖7所示，降低拉弧現(xiàn)象發(fā)生的概率。

圖7 引流盤的引流作用圖示

（2）當(dāng)拉弧現(xiàn)象發(fā)生后，引流電弧，保護(hù)滅弧室。當(dāng)電荷急速增加，引發(fā)電子崩、造成拉弧現(xiàn)象，引流盤可引流電弧，引流盤和瓷殼底部會(huì)形成一個(gè)相對安全的區(qū)域，從而保護(hù)滅弧室不被損壞。

4 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作了引流盤，進(jìn)行了3次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：一是拉弧或擊穿次數(shù)減少了50%；二是一旦發(fā)生拉弧或擊穿現(xiàn)象，電荷被引流盤成功引流，保護(hù)滅弧室瓷殼不被電流損壞。圖8是擊穿現(xiàn)象發(fā)生的瞬間，引流盤成功實(shí)現(xiàn)引流，由于瞬間電流很大，引流盤被“點(diǎn)亮”，大量電流被引流走，對滅弧室起到保護(hù)作用。

圖8 擊穿瞬間的電荷引流圖

4.1 引流盤使用前后對比

同一批滅弧室，在裝入引流盤前和裝入引流盤后的電流對比如圖9所示。

圖9 滅弧室裝入引流盤前后的電流對比

可以明顯看出，裝入引流盤后，電流平緩（BC段），放電點(diǎn)從75 kV抬升到80 kV。即便出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，通過引流盤也可以很好地保護(hù)滅弧室。

4.2 試驗(yàn)結(jié)論

在原理方面，引流裝置是可行的。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果顯示，引流裝置可以很好地改善超高壓老煉環(huán)境。

4.3 試驗(yàn)有效性再驗(yàn)證

高壓老煉的目的就是要打掉滅弧室內(nèi)部的毛刺，引流盤的使用并不會(huì)影響作業(yè)效果，具體分析見表1。

表1 試驗(yàn)有效性驗(yàn)證

5 結(jié) 論

真空滅弧室表面拉弧及擊穿現(xiàn)象的本質(zhì)是高場強(qiáng)下，自由電子增多達(dá)到臨界值時(shí)，電子集中釋放的現(xiàn)象。通過引流裝置即引流盤把產(chǎn)生拉弧的電荷引流，降低拉弧發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)給了電荷一個(gè)“合理”的運(yùn)動(dòng)路線，讓電荷按照“期望”的方向運(yùn)動(dòng)，這樣即使發(fā)生拉弧現(xiàn)象，也會(huì)把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。該設(shè)計(jì)方案有效解決了超高壓老煉作業(yè)過程中拉弧及擊穿問題，在超高壓老煉工序推廣使用，為真空滅弧室制造企業(yè)提供實(shí)踐參考經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)解決方案。