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
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EQV与最大电场强度Emax的比值称作电极几何形状的利用系数，即η=EQV/Emax.
式中EQV为外加电压除以电极间距；Emax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Vδ=ηEs.d, Es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U0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Um处发生。比值β=Um/U0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U0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变，只能以有限的速率发展。
根据空气击穿理论可以导出脉冲系数β与时延τ之间的关系式中，a是一个由电极和脉冲形状决定的系数。击穿时延时τ越小，则脉冲系数越大。如果施加到间隙上的脉冲电压的持续时间小于击穿所需时间τ，则间隙可以承受较高的脉冲电压而不被击穿。实验数据表明：当脉冲宽度为10-5秒时，β就开始大于1，当脉冲宽度为10-6秒时，β值可达1.8左右。这就是国标GB311冲击耐压试验的制定根据，也是绝缘外壳设计的原始根据之一。 1.2 外壳沿面闪络特性 电极间加入绝缘外壳后，相当于填充了固体介质，固体介质的表面闪络电压，要比相同电极间距下没有固体介质时的空气击穿电压低些。固体介质的表面闪络是由于介质表面的某些缺陷使表面电场畸变所导致的。例如：大气中的污秽如工业粉尘等，会吸收大气中的水份，形成导电膜，如果空气中水份附着在脏的固体介质表面上，总会有某些污秽的成分能溶于水而形成电解液。在外加电压下会产生流过污秽层的泄漏电流，由此泄漏电流产生的热效应驱使表面水份蒸发，从而提高了表面膜层的电阻率。由于导电膜的不均匀性，形成了比膜层其它部分具有更高电阻率的小区域。结果，施加电压的大部分加在这些小区域上，形成了许多小规模的放电区，造成周围的空气被击穿，进而延伸导致介质表面的整体闪络。因此，表面闪络电压明显地受介质材料的表面吸潮特性以及环境污染程度、空气湿度的影响。表面闪络的形成过程要求电极上的电压相对持久地保持同一极性。试验表明：当施加电压的持续时间很短时，表面闪络电压与空气击穿电压的差距减小。当试验电压的频率为106 Hz时，固体介质的表面闪络电压与空气击穿电压相等。 由此可见：导致介质表面闪络的物理基础不同于空气间隙击穿的物理基础。对它们要以不同的方法进行处理。一般来说，由表面闪络特性所决定的爬电距离不象空气间隙那样，表面闪络与瞬时的脉冲电压无关，而只与工作电压有关。
2 绝缘外壳的设计 真空开关在进行网络切合时，无论是短路切合还是负载切合，真空开关管除了要承受与额定工作电压有关的工频恢复电压和瞬态恢复电压之外，还要承受切合时由于电路状态突变而造成的瞬时过电压的作用。前一类电压的幅值和频率是由负载电路的不同性质决定的，它与额定工作电压有关，其幅值和频率相对较低。在开关管的绝缘试验中，是以短时工频耐压来考核的。后一类电压是由系统操作负载特性所决定的一种幅值高但持续时间短的脉冲电压，通常以雷电冲击电压来验证开关管耐受瞬时过电压的水平。在以绝缘配合为目的的开关管绝缘外壳的设计中要保证开关管在这两类电压作用下的良好绝缘性能。基本设计依据是开关管的额定工作电压和冲击电压水平。 2.1 绝缘外壳高度尺寸的确定 绝缘外壳最小高度是由冲击电压值决定的。对于真空开关的不同使用场合，根据系统里可能出现的瞬时过电压以及过电压保护装置的特性，国家标准GB311规定了它所必须承受的冲击电压值。表1列出了三种不同电压等级开关管耐受冲击电压的国家标准。这是作为设计绝缘外壳高度的原始依据。根据1.1的分析，表2给出了在海拔高度1000米处不同电场分布下满足各种冲击电压的最小电气间隙。这些都是理论与实验相结合的数据，其中非均匀电场栏中所给出的间隙值可以保证在任何电场条件下间隙都能承受对应的冲击电压。如果要缩小管子绝缘外壳的高度，则必须精心设计电极形状或加以适当的屏蔽来改善动静端之间的电场分布状态，使电场趋于均匀，即电气间隙的极限值是表2均匀电场栏给出的数值。此时高度减少了60%～70%. 表1 冲击电压标准 额定工作电压 (kV)(有效值) 额定冲击电压 (kV)(1.5/40μs) 3 42 6 57 10 75 表2 海拔1000米处电气间隙值 额定冲击电压(kV) 4 6 8 12 20 40 60 80 100 非均匀电场时(mm) 3 5.5 8 14 25 60 90 130 170 均匀电场时(mm) 1.2 2 3 4.5 8 17 27 35 45 还应注意，当海拔高度超过1000米时，电气间隙值还要乘以修正系数Z，Z=1/(k-), 式中常数k=1.1, H是海拔高度值，单位是米。 2.2 绝缘外壳爬电距离的确定，爬电距离是指开关动静端之间沿绝缘外壳表面的最短距高。它与瞬时过电压无关，是由开关管的额定工作电压所决定的，同时要考虑环境的污染条件和介质材料种类的影响。通常环境的污染条件是根据环境的潮湿情况和尘埃物质的导电情况而加以区别的。对于玻璃和陶瓷材料，由于玻璃的吸潮性较强，且其体内的碱离子在电场作用下的定向迁移而产生的电解现象，都加重了玻璃表面的电场畸变。所以其表面闪络特性不如陶瓷材料，而上釉陶瓷的介电性能又优于未上釉陶瓷。表3给出了不同工作电压所需的爬电距离。 表3 不同工作电压下所需爬电距离 额定工作电压(V) 绝缘外壳的爬电距离(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 在绝缘外壳爬电距离设计时，根据开关管的额定工作电压按表3选取。其中上釉的陶瓷材料按第Ⅰ档选取，不上釉的陶瓷材料按第Ⅱ档选取，玻璃材料按第Ⅲ档选取。如果所选择的爬电距离值与绝缘外壳高度值不等时，应遵循爬电距离不能小于高度尺寸，以致最小的爬电距离可能等于高度尺寸的原则。 2.3 设计举例 需要设计的某开关管的额定工作电压为6 kV,额定雷电冲击耐压是40 kV，绝缘外壳采用不上釉陶瓷材料，设计其绝缘外壳尺寸。 查表2可知，在非均匀电场条件下，满足40 kV冲击耐压的最小电气间隙为60 mm; 由表3可知，额定工作电压6 kV时爬电距离有80 mm, 90 mm, 100 mm三档，采用不上釉的陶瓷材料，故爬电距离选第Ⅱ档，为90 mm. 以上数据中，爬电距离尺寸大于绝缘外壳高度，在确定外壳实际尺寸时，可以把外壳的高度尺寸延长至爬电距离的数值，同为90 mm; 也可以把绝缘外壳外表面设计成带有横向筋槽的“裙边”(波纹瓷壳)来满足90 mm爬电距离的要求，而实际高度取60 mm.这时波纹延长了导电表面连续爬电距离，从而缩短了管子的高度。但要注意，波纹的高度(深度)只有大于2 mm时才能有效地改善表面的闪络特性。此外，当爬电距离被一个金属件分为两段时，则两段距离之和至少应是规定最小值的1.25倍。 从这个设计实例还可以看出，陶瓷外壳与玻璃外壳相比，要求的爬电距离较小，上釉后更小，而且还可以设计成波纹瓷壳来满足爬电距离的要求，这点正适应真空开关小型化的需要。另外，陶瓷真空开关管还具有可以使用一次封排工艺，去气彻底等一系列优点。所以陶瓷外壳真空开关管是今后的发展方向。作者简介：赵智忠（1965－），男，辽宁葫芦岛市人，辽宁工学院信息工程系副教授。 作者单位：辽宁工学院 信息工程系，辽宁 锦州 121001 参考文献 [1] 陈季丹等.电介质物理学〔M〕.北京：机械工业出版社，1992. [2] GB 311.高压电气设备绝缘试验电压和试验方法〔S〕.