沖擊電壓下真空中固體沿面閃絡(luò)的試驗研究

王軍，趙磊，申吳剛

（1.惠州蓄能發(fā)電有限公司，廣東惠州516100，2.喜河水力發(fā)電廠，陜西石泉725271）

真空作為一種特殊的電介質(zhì)，由于其介電性能優(yōu)良，在電力設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，當(dāng)真空絕緣的電力設(shè)備中需要引入絕緣介質(zhì)用作支撐時，其絕緣能力卻大大低于在同等距離下的真空間隙。數(shù)據(jù)顯示，引入絕緣支撐后的擊穿場強會從35 kV/mm以上下降為幾個至十幾個kV/mm。真空設(shè)備在引入絕緣支撐后絕緣能力降低的根本原因是在真空和絕緣體交界面上發(fā)生了貫穿性的電擊穿過程，即發(fā)生了沿面閃絡(luò)。真空中絕緣沿面閃絡(luò)的產(chǎn)生很大程度上降低了高壓真空設(shè)備的耐壓水平，危及設(shè)備的安全運行，甚至由于絕緣失敗造成巨大的經(jīng)濟損失[1-11]。

本文對真空沿面閃絡(luò)機理進行分析，給出真空沿面閃絡(luò)的幾種影響因素，最后對脈沖條件下的真空沿面閃絡(luò)現(xiàn)象進行研究，給出相關(guān)的試驗研究結(jié)果，分析閃絡(luò)電壓隨真空室內(nèi)壓力升高的變化趨勢，為相關(guān)的研究工作提供試驗數(shù)據(jù)。

1 真空沿面閃絡(luò)機理分析

固體電介質(zhì)在真空中絕緣表面的沿面閃絡(luò)過程可以分為初始電子形成、電子倍增和貫穿性導(dǎo)電通道形成3個階段。如圖1所示。在第1階段，沿面閃絡(luò)是由場致發(fā)射電子引起的；在第3階段，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為擊穿是在絕緣子表面附近脫附氣體層或固體介質(zhì)氣化層中完成的；在第2階段，有各種不同觀點的機理假說。大家普遍認(rèn)可的機理假說有：SEEA和ETPR假說。

圖1 真空中絕緣子沿面閃絡(luò)過程Fig.1 Insulator flashover process in a vacuum

1.1 SEEA假說

SEEA假說[1]認(rèn)為二次電子發(fā)射不僅使沿面閃絡(luò)過程中電子倍增，而且還造成了絕緣表面脫附氣體的形成和局部氣體密度增加。該假說可描述為：

1）在真空中的絕緣上施加高壓時，絕緣介質(zhì)和電極之間必然存在的小間隙并承擔(dān)較高場強，在陰極引起場致電子發(fā)射，形成一次電子。

2）在電場作用下，一次電子加速，并撞擊絕緣介質(zhì)表面，如果碰撞前獲得足夠大的能量，則該碰撞將會導(dǎo)致二次電子發(fā)射。

3）當(dāng)二次電子發(fā)射系數(shù)大于1時，絕緣介質(zhì)表面二次電子發(fā)射后留下了正電荷，二次電子發(fā)射后再次與絕緣介質(zhì)表面碰撞，導(dǎo)致了更多的電子從絕緣介質(zhì)表面脫離，正電荷在絕緣介質(zhì)表面大量積累。

4）在絕緣表面積累正電荷的同時，由于二次電子發(fā)射后再次與絕緣介質(zhì)表面碰撞，導(dǎo)致了更多的電子從絕緣介質(zhì)表面脫離這一過程的持續(xù)發(fā)生，形成二次電子崩。

5）與此同時，絕緣介質(zhì)表面吸附的部分氣體分子通過電子與絕緣介質(zhì)表面的撞擊過程獲得能量，克服固體絕緣介質(zhì)表面分子的吸附力而被釋放出來，形成脫附氣體。脫附氣體跟隨電子崩向陽極移動，并且有被電離的可能。

6）脫附氣體和電子崩移動后，陰極附近積累了大量正電荷，增強了陰極附近區(qū)域的電場，加強了場致發(fā)射效應(yīng)，也加強了絕緣表面二次電子發(fā)射、氣體分子的脫附過程。這樣就使上述過程維持下去，形成沿面閃絡(luò)[2]。

應(yīng)注意的是，上面所說的二次電子發(fā)射崩是指在絕緣介質(zhì)表面正電荷形成的電場作用下，運動區(qū)域被限定在絕緣介質(zhì)表面的各種不同途徑 (場致發(fā)射電子、二次電子、電離產(chǎn)生的電子等)所產(chǎn)生的電子，它具有更廣泛的延伸。

1.2 ETPR假說

ETPR假說[3]是基于極化能量松弛的原理提出的。

該假說主要包括以下內(nèi)容：

1）電場和機械應(yīng)力都會使極化的介質(zhì)有所響應(yīng)。

2）介質(zhì)中的極化電荷和本身缺陷使介質(zhì)在局部區(qū)域形成陷阱俘獲電荷，從而導(dǎo)致介質(zhì)帶電。這種帶電使介質(zhì)中的各個局部區(qū)域形成了電荷聚集點，這些電荷產(chǎn)生的靜電場維持極不穩(wěn)定的狀態(tài)平衡。

3）一旦受到外來電子、溫度變化等外界擾動時，原本平衡狀態(tài)就會被破壞，陷阱中的電荷獲得能量而逃逸，此過程伴隨著光子和高能電子的發(fā)射，引起電子激增，最終導(dǎo)致閃絡(luò)擊穿。

兩種假說各自可解釋一些現(xiàn)象，但同時有些現(xiàn)象解釋不了，目前，任何一種假說都不能夠全面解釋真空中的各種沿面閃絡(luò)現(xiàn)象，還有待于進行更加深入的研究。

2 真空沿面閃絡(luò)的主要因素

2.1 電壓的影響

對真空中的絕緣子施加不同類型的電壓時，其沿面閃絡(luò)特性也有所不同。這些電壓類型包括交流、直流、雷電沖擊和脈沖等。

試驗結(jié)果表明，脈沖電壓下，絕緣子沿面閃絡(luò)電壓大多隨脈沖寬度的增加而下降，這一現(xiàn)象尤其在脈沖寬度為ns～ms數(shù)量級時最明顯。另外，施加工頻交流電壓時的絕緣子沿面閃絡(luò)電壓往往會最低。

2.2 真空度的影響

前人通過試驗得到了不同真空度下聚四氟乙烯絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)[4]。

試驗有如下結(jié)論：氣體壓力在1×10－6~6×10－1Pa的壓力范圍內(nèi)，其變化幾乎不影響沿面閃絡(luò)電壓發(fā)生。當(dāng)氣體壓力有所提高時，沿面閃絡(luò)電壓呈下降趨勢。

2.3 預(yù)放電的影響

預(yù)放電次數(shù)的增加能夠使真空中絕緣沿面閃絡(luò)電壓提高。圖2試驗結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)放電次數(shù)增加時，沿面閃絡(luò)電壓提高，但達(dá)到一定次數(shù)后閃絡(luò)電壓趨向一個穩(wěn)定值。同時，這種效應(yīng)是有一定時間限制的，如果預(yù)放電之后等待一段時間再重新施加電壓，則情況會有所不同[5]。

圖2 預(yù)放電次數(shù)與閃絡(luò)電壓的關(guān)系Fig.2 The relationship between discharge times and flashover voltage

2.4 絕緣表面特性的影響

在絕緣表面狀態(tài)不同的情況下，沿面閃絡(luò)現(xiàn)象也有很大不同。絕緣子試驗結(jié)果表明，在對絕緣子表面進行溫度和壓力處理后，其沿面閃絡(luò)特性發(fā)生了較大的改變。

在不同的表面狀態(tài)下，加上0.5/1.5 μs沖擊電壓時，絕緣子沿面閃絡(luò)擊穿電壓如表1所示。

表1 不同表面狀態(tài)下的絕緣子沿面閃絡(luò)擊穿電壓Tab.1 Insulator flshover voltage in different surface condition

2.5 絕緣材料的影響

大量研究結(jié)果表明，無論采用何種電壓，材料對真空中絕緣沿面閃絡(luò)都具有十分顯著的影響。當(dāng)絕緣的均勻性好的時候，相應(yīng)的絕緣性能也更好。另外，絕緣子材料的介電常數(shù)越低，其閃絡(luò)電壓越高。

2.6 其它因素的影響

真空中絕緣的沿面閃絡(luò)特性還受到設(shè)備運行溫度、設(shè)備電極結(jié)構(gòu)形式、外加磁場和絕緣表面殘余氣體等因素影響。

3 絕緣沿面閃絡(luò)的試驗研究

3.1 試驗裝置

試驗主要是測量在脈沖電壓下絕緣材料在平板電極間的閃絡(luò)電壓。其中電源部分電路原理圖如圖3所示，先對3 μF電容器充電，電容器再對間隙放電。其中R1，R2為水電阻，R1為100 kΩ，R2為140 kΩ。

圖3 電源系統(tǒng)電路原理圖Fig.3 Electric schematic diagram of power system

試驗電極為橫式結(jié)構(gòu)，兩平板電極平行放置在左右，旋轉(zhuǎn)連接電極的螺桿可改變電極間距，試品夾在兩極板中間。

脈沖電壓用泰克P6015探頭（1000∶1）的分壓器檢測給電極的充電電壓，采用示波器配合P6015高壓探頭監(jiān)測電極兩端發(fā)生放電時電極上的電壓變化。

3.2 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)主要由真空室、數(shù)顯真空計、前級真空泵、后級真空泵等構(gòu)成。

真空室為圓柱形結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼制造，真空室內(nèi)徑600 mm，長800 mm，設(shè)置有2個觀察窗，可以觀察到放電區(qū)全貌。前級真空泵選用2XZ-4型雙級直聯(lián)結(jié)構(gòu)旋片式真空泵，該型號真空泵極限真空約為10 Pa；后級真空泵為FB-620c渦輪分子泵，抽氣速度為110 L/s，作用是將真空室內(nèi)氣壓由前級真空泵的極限真空10 Pa左右進一步降低至渦輪分子泵的極限值。真空室內(nèi)采用ZDF-Ⅲ型數(shù)顯復(fù)合真空計測量真空度，同時配用ZJ-27抗氧化型電離真空傳感器和ZJ-52T型電阻規(guī)，這就保證了對低真空（105~10－1Pa）及高真空（10－1~10－5Pa）都可以進行測量。

3.3 試驗樣品

試驗材料為圓柱形的尼龍材料，其直徑為70 mm，厚度為10 mm，如圖4所示。安裝在電極上的尼龍材料如圖5所示。

圖4 試驗用尼龍試品Fig.4 Nylon material used in experiment

圖5 尼龍材料壓緊在平板電極之間Fig.5 Nylon pressure in the flat between electrodes

3.4 試驗結(jié)果

試驗主要測量了在10－1Pa和10－3Pa氣壓范圍內(nèi)，上述尼龍樣品的沿面閃絡(luò)電壓。試驗數(shù)據(jù)如表2~4所示。由表2看出，1.1×10－1~4.5×10－1Pa范圍內(nèi)，隨著氣壓的增大，閃絡(luò)電壓逐漸減小。

表2 10－1Pa 范圍內(nèi)閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)Tab.2 Flshover voltage in 10－1scope

從表3可以看出，在氣壓在1.0×10－2~9.4×10－2Pa范圍變化時，閃絡(luò)電壓在8 kV到12 kV之間波動。

表3 10－2Pa范圍內(nèi)閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)Tab.3 Flshover voltage in 10－2scope

從表4可以看出氣壓在3×10－3~10×10－3Pa范圍內(nèi)變化時，閃絡(luò)電壓主要在10 kV左右波動。

表4 10－3Pa范圍內(nèi)閃絡(luò)電壓數(shù)據(jù)Tab.4 Flshover voltage in 10－3scope

將在10－1Pa和10－3Pa氣壓范圍內(nèi)所有閃絡(luò)試驗結(jié)果匯總，綜合整理得到閃絡(luò)電壓與氣壓的曲線，如圖6所示。

由表2~4和圖6可以看出：從氣壓在1.0×10－2~9.4×10－2Pa范圍內(nèi)變化時，絕緣材料試品的閃絡(luò)電壓隨著氣壓的變化在8 kV到12 kV之間變化，10－3Pa氣壓范圍內(nèi)與10－2范圍內(nèi)閃絡(luò)電壓值相差不大。在2×10－1Pa變化到4.5×10－1Pa時，絕緣材料閃絡(luò)電壓驟降。

圖6 閃絡(luò)電壓與氣壓的關(guān)系曲線Fig.6 The curve of ralation between flashover voltage and air pressure

試驗還測量了在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下該尼龍樣品的閃絡(luò)電壓，測量數(shù)據(jù)為12 kV，由于大氣條件下氧氣的存在，當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生后，可明顯看到樣品上有燒蝕的痕跡，如圖7所示。

圖7 被燒蝕的尼龍試品Fig.7 The nylon material be ablated

4 結(jié)語

真空沿面閃絡(luò)現(xiàn)象是電力設(shè)備等相關(guān)裝置中重要的絕緣問題，還需要更多相關(guān)的理論和試驗研究。本文在分析真空沿面閃絡(luò)的理論的基礎(chǔ)上，開展了脈沖條件下真空中固體絕緣沿面閃絡(luò)的試驗研究，獲得了閃絡(luò)電壓與真空度關(guān)系的數(shù)據(jù)，分析了閃絡(luò)電壓隨真空度變化的趨勢，結(jié)果表明，當(dāng)氣壓在3×10－3Pa到9.4×10－2Pa范圍內(nèi)時，絕緣材料閃絡(luò)電壓在8～12 kV波動；氣壓在2×10－1Pa變化到4.5×10－1Pa時，絕緣材料閃絡(luò)電壓驟降。由此可見在3×10－3Pa到4.5×10－1Pa范圍內(nèi)，隨著氣壓的變化，閃絡(luò)電壓先有一個小的波動，后下降再上升的變化趨勢。該結(jié)果為相關(guān)的研究工作提供了試驗數(shù)據(jù)。

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