摘　要：通過對絕緣外殼的空氣擊穿特性、固體介質沿面閃絡特性的分析，給出了真空開關管絕緣外殼的設計要點，即絕緣外殼的最小高度是由沖擊電壓決定的，而爬電距離是由工作電壓及環境條件決定的。絕緣外殼要同時滿足這兩方面的要求。關鍵詞：真空開關管；擊穿；沿面閃絡；爬電距離中圖分類號：TN102　　　文獻標識碼： B 　　近年來，真空開關管朝著高電壓、大容量發展的同時，體積的小型化也成了人們刻意追求的目標。對于真空開關管來說，額定參數中的電流參數(如額定電流、額定短路開斷電流)決定了管子的徑向尺寸，而電壓參數則決定了管子的高度尺寸。　　為了保證開關管有良好的絕緣性能，要求絕緣外殼能夠保證開關管動靜端導電部件之間有足夠的電氣間隙和爬電距離。由于開關管內是真空介質，而絕緣外殼材料(主要有DM-308玻璃和A-95氧化鋁瓷兩種)本身又有極好的絕緣性能，所以絕緣配合的薄弱環節在絕緣外殼與大氣接觸的一側，即大氣側動靜端之間的空氣擊穿以及沿外殼外表面的閃絡擊穿。因此，絕緣外殼的設計，實際上就是正確設計由絕緣外殼所構成的空氣間隙及爬電距離，使之能夠承受國家標準規定的絕緣耐壓值，同時達到真空密封、支撐的目的。1　管外空氣的擊穿特性以及外殼沿面閃絡特性1.1　管外的空氣擊穿特性　　標準狀態下的空氣在低電壓下是很完善的介質，基本不導電。而當電極間的電場強度增強時，電場能量將使電場中的氣體分子電離并產生雪崩式的電子繁流，使電場中有大量的電子和離子成為載流子在氣體中導電，導致氣體的擊穿。均勻電場中的空氣擊穿電壓符合巴申定律： (1)式中　p為壓力(Pa); d為間隙距離(m); γ為二次電子發射系數; A、B為常數。　　式(1)的U-pd曲線如圖1所示。pd值在0.75 Pa.m附近時，空氣擊穿電壓有一個最小值，以后U隨pd增加而單調增加且近似成正比。通常真空開關管管外的空氣滿足pd＞0.75 Pa.m的條件。p不變，所以管外空氣的擊穿電壓與間隙距離成正比。圖1　U-Pd曲線1.1.1　電極形狀對氣體擊穿的影響　開關管兩端的電極形狀決定著電極間的電場分布，擊穿電壓的大小與電極間的電場分布直接相關。通常，把電極間的平均電場強度EQV與最大電場強度Emax的比值稱作電極幾何形狀的利用系數，即η=EQV/Emax.　　式中EQV為外加電壓除以電極間距；Emax是電極間隙中的最大電場強度；η表征電場系統相對于均勻場的“低劣度”，其數值總是小于1.　　對于給定氣壓的絕緣空氣來說，工頻擊穿電壓Vδ=ηEs.d, Es是空氣介質擊穿的電場強度，其值約是峰值2.5～3 kV.　　由此可見，空氣間隙承受工頻擊穿電壓的水平取決于η值，均勻場(η=1)時擊穿電壓值最高，隨著電場不均勻性的增加，擊穿電壓下降。現在真空開關的設計者都在致力于使管子本身的結構對稱，動靜端配件對稱，這樣會明顯改善管子的工頻耐壓能力。但在絕緣外殼的設計中，仍當做不均勻電場處理，這樣可靠性更高。1.1.2　電壓波形對擊穿特性的影響　實驗發現：均勻電場中的空氣擊穿電壓實際上與所施加的電壓波形無關，間隙的沖擊電壓擊穿水平與工頻峰值擊穿電壓相同。而在非均勻電場中，擊穿電壓的大小與電壓波形有很大關系。沖擊電壓的擊穿水平要高于工頻電壓的擊穿水平。圖2是空氣間隙的脈沖擊穿示意圖。當所加電壓是工頻電壓時，間隙在電壓U0時被擊穿，而在一定形狀的脈沖電壓下，間隙的擊穿則在較高的電壓Um處發生。比值β=Um/U0稱做脈沖系數。它表征脈沖擊穿電壓高于工頻擊穿電壓的程度。實質上β是由空氣介電性能的變化時間所決定的。當脈沖電壓越過U0時，間隙并未擊穿，而在其后延時τ后才擊穿。時延τ就是使擊穿過程在一定條件下能夠完成所需的時間。這也說明氣體的介電性能不能突變，只能以有限的速率發展。圖2　空氣間隙的脈沖擊穿　　根據空氣擊穿理論可以導出脈沖系數β與時延τ之間的關系式中，a是一個由電極和脈沖形狀決定的系數。擊穿時延時τ越小，則脈沖系數越大。如果施加到間隙上的脈沖電壓的持續時間小于擊穿所需時間τ，則間隙可以承受較高的脈沖電壓而不被擊穿。實驗數據表明：當脈沖寬度為10-5秒時，β就開始大于1，當脈沖寬度為10-6秒時，β值可達1.8左右。這就是國標GB311沖擊耐壓試驗的制定根據，也是絕緣外殼設計的原始根據之一。1.2　外殼沿面閃絡特性　　電極間加入絕緣外殼后，相當于填充了固體介質，固體介質的表面閃絡電壓，要比相同電極間距下沒有固體介質時的空氣擊穿電壓低些。固體介質的表面閃絡是由于介質表面的某些缺陷使表面電場畸變所導致的。例如：大氣中的污穢如工業粉塵等，會吸收大氣中的水份，形成導電膜，如果空氣中水份附著在臟的固體介質表面上，總會有某些污穢的成分能溶于水而形成電解液。在外加電壓下會產生流過污穢層的泄漏電流，由此泄漏電流產生的熱效應驅使表面水份蒸發，從而提高了表面膜層的電阻率。由于導電膜的不均勻性，形成了比膜層其它部分具有更高電阻率的小區域。結果，施加電壓的大部分加在這些小區域上，形成了許多小規模的放電區，造成周圍的空氣被擊穿，進而延伸導致介質表面的整體閃絡。因此，表面閃絡電壓明顯地受介質材料的表面吸潮特性以及環境污染程度、空氣濕度的影響。表面閃絡的形成過程要求電極上的電壓相對持久地保持同一極性。試驗表明：當施加電壓的持續時間很短時，表面閃絡電壓與空氣擊穿電壓的差距減小。當試驗電壓的頻率為106 Hz時，固體介質的表面閃絡電壓與空氣擊穿電壓相等。　　由此可見：導致介質表面閃絡的物理基礎不同于空氣間隙擊穿的物理基礎。對它們要以不同的方法進行處理。一般來說，由表面閃絡特性所決定的爬電距離不象空氣間隙那樣，表面閃絡與瞬時的脈沖電壓無關，而只與工作電壓有關。2　絕緣外殼的設計　　真空開關在進行網絡切合時，無論是短路切合還是負載切合，真空開關管除了要承受與額定工作電壓有關的工頻恢復電壓和瞬態恢復電壓之外，還要承受切合時由于電路狀態突變而造成的瞬時過電壓的作用。前一類電壓的幅值和頻率是由負載電路的不同性質決定的，它與額定工作電壓有關，其幅值和頻率相對較低。在開關管的絕緣試驗中，是以短時工頻耐壓來考核的。后一類電壓是由系統操作負載特性所決定的一種幅值高但持續時間短的脈沖電壓，通常以雷電沖擊電壓來驗證開關管耐受瞬時過電壓的水平。在以絕緣配合為目的的開關管絕緣外殼的設計中要保證開關管在這兩類電壓作用下的良好絕緣性能。基本設計依據是開關管的額定工作電壓和沖擊電壓水平。2.1　絕緣外殼高度尺寸的確定　　絕緣外殼最小高度是由沖擊電壓值決定的。對于真空開關的不同使用場合，根據系統里可能出現的瞬時過電壓以及過電壓保護裝置的特性，國家標準GB311規定了它所必須承受的沖擊電壓值。表1列出了三種不同電壓等級開關管耐受沖擊電壓的國家標準。這是作為設計絕緣外殼高度的原始依據。根據1.1的分析，表2給出了在海拔高度1000米處不同電場分布下滿足各種沖擊電壓的最小電氣間隙。這些都是理論與實驗相結合的數據，其中非均勻電場欄中所給出的間隙值可以保證在任何電場條件下間隙都能承受對應的沖擊電壓。如果要縮小管子絕緣外