氣體介質(zhì)絕緣概念及其在中壓開關(guān)柜中的應(yīng)用

吳征波（廈門施耐德（華電）開關(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關(guān)柜中的應(yīng)用

吳征波
（廈門施耐德（華電）開關(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關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計或試驗中的應(yīng)用。

中壓開關(guān)柜；絕緣概念；舉例分析

一、絕緣概念

首先先簡要提一下絕緣的概念，早在中學(xué)學(xué)物理時就學(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)時的理解：不導(dǎo)電的物體就是絕緣的。這種理解不能算錯，隨著對絕緣的深入了解，知道了對于一切電介質(zhì)，其電氣強(qiáng)度都是有限的。超過某種限度，任何電介質(zhì)就會逐步喪失原有的絕緣性能，甚至擊穿而變成導(dǎo)體。也就是絕緣是相對的。

二、中壓開關(guān)柜舉例分析

這一點對中壓設(shè)備尤其重要。拿中壓開關(guān)柜舉例。它是一個類似于長方體的柜體，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開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體間及對地間空氣凈距要求≥125mm；但現(xiàn)代開關(guān)柜的設(shè)計趨勢又需要朝小型化發(fā)展。土地的經(jīng)濟(jì)價值越來越高，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)肅的問題，是必須認(rèn)真對待的——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)絕緣的方式作個介紹。因為對中壓開關(guān)柜來說主體的絕緣介質(zhì)就是氣體。而試驗或運(yùn)行中很多絕緣問題也是與氣體介質(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）大家都熟悉不過的改善電場使之均勻分布，（2）削弱或抑制氣體介質(zhì)中的電離。這兩種途徑在我們開關(guān)柜中都有大量應(yīng)用。

2 以電場形式分析，自然的聯(lián)想到均勻電場、稍不均勻電場以及極不均勻電場三種實例。在均勻電場里，因為場強(qiáng)處處相等，氣隙的擊穿電壓處處均等。這種實例是很理想的情況，但實踐中也難獲得應(yīng)用。第二類稍不均勻電場的氣隙特性與均勻電場很相似，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)致整個氣隙的擊穿。第三類極不均勻電場的實例其實就是尖端對尖端或尖端對平板電極。它們的擊穿電壓都顯著低于前面兩類電場，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。從這三種實例我們發(fā)現(xiàn)：隨著電極曲率半徑越來越小，電場不均勻程度越來越大，擊穿電壓的分散性越大?？拷舛颂幨亲畈痪鶆虻牡胤剑彩墙^緣最薄弱的地方。再結(jié)合空氣的實例看看電場不均勻度造成的區(qū)別：均勻電場下空氣的擊穿電壓曲線類似于一條直線，常態(tài)空氣的擊穿電場強(qiáng)度約為30kV/cm，如果開關(guān)柜能設(shè)計成理想的均勻電場，那么沖擊耐受75kV，則可算出只要25mm再加點裕度30mm就滿足絕緣要求了。盡管這個數(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；接下來看看稍不均勻電場下的特性曲線，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。至于極不均勻電場如“棒－板”氣隙，這里有個試驗數(shù)據(jù)，距離不大于10cm的氣隙，負(fù)極性直流擊穿場強(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。實際工程應(yīng)用的現(xiàn)場條件復(fù)雜，僅對氣體介質(zhì)絕緣來說，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，此時實驗室內(nèi)絕緣裕度較小的 CT安裝處加裝的絕緣隔板耐壓試驗通不過的概率就比平常要高些。最后再看開關(guān)柜中改善電場分布的應(yīng)用。第一點：正如前面解釋的加大電極曲率半徑能減輕電場的不均勻程度。ABB中壓開關(guān)柜內(nèi)D型母線以及銅排的倒角處理，都是這類實例。第二點：利用屏蔽增大曲率半徑。這里舉一個試驗數(shù)據(jù)，對“棒－板”實例，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中壓開關(guān)柜的接地開關(guān)屏蔽電極就是這類的典型應(yīng)用。比如Unigear ZS3.2 40.5kV開關(guān)柜，最早沒有屏蔽電極時，工頻耐壓98kV試驗時32s就擊穿，雷電沖擊187kV耐壓試驗 5次就有2次擊穿；加了屏蔽電極后，工頻100kV 試驗一分鐘無擊穿和閃絡(luò)；雷電沖擊199kV試驗 15次也無擊穿和閃絡(luò)。至于導(dǎo)體對稱性設(shè)計在中壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計中比比皆是。第四點：消除電極表面的毛刺、尖角。這點實驗室的工程師體會最明顯。實驗室里做耐壓試驗，若有一臺開關(guān)柜CT處發(fā)生火花放電，檢驗工程師在無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)場也常發(fā)生。

3 除以上介紹的改善電場分布的方法外，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復(fù)雜的物理過程，大致是這么一個運(yùn)作流程：空氣中的一些看不見、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擺脫原子核的束縛，于是就存在著一對正離子和電子。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，運(yùn)動時可能碰撞氣體氣體分子，如果動能足夠大，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，所以平時都感覺不到。但當(dāng)所加的電壓升高到一定時候空間電場強(qiáng)度足夠大，剛才說的碰撞電離就產(chǎn)生一個明顯的物理過程。1個初始電子向陽極運(yùn)動中撞到氣體分子，產(chǎn)生1新電子，它們一起繼續(xù)向陽極運(yùn)動，又會引起新的碰撞，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，無需外界電離因子的參與。氣體流注現(xiàn)象當(dāng)氣隙足夠長，此時大量的正、負(fù)粒子復(fù)合會輻射出光子，這些輻射源會引發(fā)新的空間光電離。

4 理論比較枯燥，來看看實例的應(yīng)用是如何驗證理論的分析的。第一點：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?，放電流程也就沒法維持了。但必須指出，SF6的絕緣特性在均勻電場和極不均勻電場中有極大的差異?！€有真空絕緣。從剛才的分析似乎得出擊穿電壓為無窮大，真空中不存在粒子，也就不可能有電子產(chǎn)生了。但實際上陰極會發(fā)生強(qiáng)場發(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，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)動和調(diào)整空間電場分布的屏障，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、制造出來的產(chǎn)品究竟能不能使用？還是那句話：實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。如果這個產(chǎn)品本身存在絕緣問題，等到送了電了開關(guān)柜出事故了才發(fā)現(xiàn)這個產(chǎn)品絕緣原來不合格，那個時候已經(jīng)太晚了。因此最后還需要借助各種絕緣試驗來檢驗和掌握絕緣的狀態(tài)和性能。就結(jié)果影響而言，絕緣試驗包括非破壞性和破壞性兩類。非破壞性檢測除電氣強(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和擊穿試驗則直接用高電壓檢驗絕緣耐受各種過電壓的能力，試驗過程中可能給試品帶來不可逆轉(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，這兩類試驗都不可缺少。為避免不必要的損失，都先作非破壞性試驗合格后再作破壞性試驗。一般開關(guān)柜工廠出廠絕緣試驗包括：絕緣電阻——一次加2500V測電阻值，這種方法簡便、應(yīng)用廣泛，能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備受潮，重大缺陷等問題；局部放電已成為確定產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行絕緣預(yù)防性試驗的重要項目之一，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關(guān)設(shè)備的應(yīng)用[J].電氣時代，2004（08）：76-78.

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