固封極柱外絕緣層開膠對性能的影響分析

李蓓蓓,嚴孟飛,葛偉山（陜西寶光真空電器股份有限公司; 西電寶雞電氣有限公司,陜西 寶雞 7006）

固封極柱外絕緣層開膠對性能的影響分析

李蓓蓓1,嚴孟飛2,葛偉山1
（1陜西寶光真空電器股份有限公司; 2西電寶雞電氣有限公司,陜西 寶雞 721006）

摘 要：本文介紹了真空滅弧室固封極柱技術的發展，利用電場分析和固體介質擊穿理論，分析了當固封極柱外絕緣層出現開膠或夾雜時，開膠部位的電場強度將顯著增強，導電雜質會減小絕緣層厚度，容易出現固封極柱外絕緣擊穿。

關鍵詞：固封極柱；外絕緣層；擊穿；電場分析；介電常數

0 引言

固封極柱使真空滅弧室和其他導電件及外界環境完全隔離,增強滅弧室外絕緣強度，避免了外力和外界環境對滅弧室及其他導電件的影響。固封極柱極大的簡化開關裝配過程，并減少了裝配過程出現差錯的概率[1]。真空滅弧室內部為真空絕緣，可靠性非常高。外部絕緣依靠固封層，當固封層開膠時，很容易出現外絕緣擊穿導致固封極柱破壞。故硅橡膠層和環氧樹脂層的質量決定了固封極柱的外絕緣性能。

1 多介質系統中的電場分析

真空滅弧室固封極柱屬于典型的多介質系統：滅弧室內部真空部分、滅弧室絕緣外殼（陶瓷）、硅橡膠層、環氧樹脂層。不考慮滅弧室兩端的金屬部分時，則每個界面處只有兩種介質，只分析均勻電場下兩種介質交界面與等位面重合以及與等位面斜交的情況[2]。

1.1 介質界面與等位面重合的情況

圖1 均勻電場中的雙層介質

圖1表示均勻電場中雙層介質的情況，兩層介質中的電場強度E1和E2分

式（1-1）與式（1-2）表明，在絕緣距離d=d1+d2不變的情況下，增大時E2減小，但卻使E1增大；減小時E2增大，但卻使E1減小。

1.2 介質界面與等位面斜交的情況

介質界面與等位面斜交時，電位移矢量與界面之間的角度不是90℃，因此會在第二種介質中發生折射，如圖2所示。電纜線入射角與折射角的關系如下：

式（1-3）表明，α1一定時，ε1與ε2決定α2，且增大ε2時En2減小；減小ε2時En2增大。與式（1-1）及式（1-2）的結果類似。即介質中的電場強度與介質的介電常數密切相關，且成反比關系，增大ε2時E2減小，減小ε2時E2增大。

圖2 電力線在兩層介質中折射的情況

2 固封極柱中的電場分析

2.1 固封極柱粘結良好時的電場

固封極柱粘結良好時，則只存在3層介質、2個界面，瓷殼層與硅橡膠層，硅橡膠層與環氧樹脂層。規定各層介質的電場強度和介電常數為：

瓷殼層：E1與ε2；硅橡膠層：E2與ε2； 環氧樹脂層：E3與ε3考慮介質界面與等位面重合的情況時，可以利用式（1-1）與式（1-2）得到:

通過查詢介電常數參考表可知，氧化鋁陶瓷的介電常數為：3.1-3.9，硅橡膠的介電常數為：3.2-9.8，環氧樹脂的介電常數為：3.6。可以看出，三種介質的介電常數基本上在一個數量范圍內，即三種介質的中的電場強度基本相當，且在界面處沒有突變。硅橡膠層和環氧樹脂層相當于增加了真空滅弧室的瓷殼厚度，減小了滅弧室外部的電場強度。故使用固封極柱技術可以使真空斷路器小型化，并提高絕緣可靠性。

2.2 固封極柱粘結不良時的電場情況

固封極柱粘結不良時，相當于在原有的3層介質中增加了新的1層介質，該介質的成分為含雜質的空氣，其介電常數為1。三種原有介質的介電常數考慮為3.5，則空氣與原有介質之間的交界面處將發生電場突變，空氣中的電場強度變為：

即空氣中的電場強度相當于原固封層中電場強度的3.5倍。并且由于空氣的擊穿電壓遠低于環氧樹脂和硅橡膠的擊穿電壓，當固封極柱粘結良好時不會出現外絕緣擊穿的電場強度值，也有可能在固封極柱粘結不良時導致外絕緣擊穿，破壞極柱。

2.3 固封極柱中含雜質時的電場情況

當固封極柱的硅橡膠層或者環氧樹脂層中含有雜質時，可以按兩種情況考慮其電場變化，雜質為導體和雜質為絕緣體。

（1）雜質為導體時，相對于硅橡膠層和環氧樹脂層，其介電常數可以認為是無窮大。增大ε2時E2減小，但卻使E1增大，相當于E2=0，可以理解為減小了絕緣層的厚度，導致容易出現外絕緣擊穿。

（2）雜質為絕緣體時，情況比較復雜，當雜質介電常數與絕緣層差異較大時，會導致界面處的電場強度出現較大變化，容易引起外絕緣擊穿。當雜質為放氣性材料時，其產生的其他在電場作用下會出現比較嚴重的局部放電情況，破壞外絕緣層。嚴重影響固封極柱的絕緣性能。

3 結論

本文通過分析真空滅弧室固封極外絕緣層在不同情況下的電場分布情況，得出了固封極柱外絕緣層粘結不良，以及含有雜質時，開膠部位的電場強度將顯著增強，導電雜質會減小絕緣層厚度，都會導致固封極柱外絕緣下降出現擊穿。

參考文獻：

[1]李建基.真空斷路器固封極柱的生產工藝與市場狀況[J].電氣工業,2008（09）:22-23．

[2]施圍，邱毓昌，張喬根．高電壓工程基礎[M]．北京:機械工業出版社,2014:70-77.