氣體介質絕緣概念及其在中壓開關柜中的應用

吳征波（廈門施耐德（華電）開關有限公司，福建　廈門　361000）

氣體介質絕緣概念及其在中壓開關柜中的應用

吳征波
（廈門施耐德（華電）開關有限公司，福建廈門361000）

本文主要介紹了氣體介質內加強絕緣的辦法以及這些辦法在開關柜結構設計或試驗中的應用。

中壓開關柜；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，早在中學學物理時就學習到金屬導體比如鐵、銅等是導電的；像塑料、橡膠等不導電的物體是絕緣體。當時的理解：不導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，其電氣強度都是有限的。超過某種限度，任何電介質就會逐步喪失原有的絕緣性能，甚至擊穿而變成導體。也就是絕緣是相對的。

二、中壓開關柜舉例分析

這一點對中壓設備尤其重要。拿中壓開關柜舉例。它是一個類似于長方體的柜體，其內部集合有斷路器、母線、CT、PT、S.A.等眾多高壓元器件。顯然從絕緣的角度出發，保證這些元器件相對相、相與地之間要滿足絕緣要求，就務必需要有一定的間距。比如DL/T593就有規定：10kV開關柜內導體間及對地間空氣凈距要求≥125mm；但現代開關柜的設計趨勢又需要朝小型化發展。土地的經濟價值越來越高，尤其在沿海率先發達的地區更是如此。用戶希望盡可能用較小的空間放置這些中壓開關設備。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，就是很嚴肅的問題，是必須認真對待的——否則輕則損壞設備，重則傷害人身安全。

三、如何加強電氣強度分析

的確除了加大間距，還有許多其它途徑能有效的加強絕緣。這里我們專就氣體介質加強絕緣的方式作個介紹。因為對中壓開關柜來說主體的絕緣介質就是氣體。而試驗或運行中很多絕緣問題也是與氣體介質相關聯的。

1 理論研究得出，關于氣體介質如何加強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中的電離。這兩種途徑在我們開關柜中都有大量應用。

2 以電場形式分析，自然的聯想到均勻電場、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，不可能存在穩定的電暈放電，一旦出現局部放電，即導致整個氣隙的擊穿。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——就是正極性電極的擊穿電壓要低于負極性。從這三種實例我們發現：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。靠近尖端處是最不均勻的地方，也是絕緣最薄弱的地方。再結合空氣的實例看看電場不均勻度造成的區別：均勻電場下空氣的擊穿電壓曲線類似于一條直線，常態空氣的擊穿電場強度約為30kV/cm，如果開關柜能設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。盡管這個數據是理想情況下得出的，但它也提示還需要改進的空間；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，這里有個試驗數據，距離不大于10cm的氣隙，負極性直流擊穿場強約20kV/cm；正極性則僅有7.5kV/ cm。這里補充一下：前面這些試驗數據都是模擬常態即20度，標準大氣壓下獲得的。實際工程應用的現場條件復雜，僅對氣體介質絕緣來說，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。最后再看開關柜中改善電場分布的應用。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中壓開關柜內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。這里舉一個試驗數據，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中壓開關柜的接地開關屏蔽電極就是這類的典型應用。比如Unigear ZS3.2 40.5kV開關柜，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；雷電沖擊199kV試驗 15次也無擊穿和閃絡。至于導體對稱性設計在中壓開關柜結構設計中比比皆是。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，若有一臺開關柜CT處發生火花放電，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。這種現象在現場也常發生。

3 除以上介紹的改善電場分布的方法外，還有一種加強絕緣的辦法就是抑制氣體介質的電離。氣體間隙的放電是一個復雜的物理過程，大致是這么一個運作流程：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空氣中經常存在著500－1000對這種正、負帶電粒子。在低電壓的指引下，這些帶電粒子作定向運動，運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成了電極間的電流。正常電壓下這種電流極其微弱，試驗數據是10的負19次方，遠小于人體的生物電，所以平時都感覺不到。但當所加的電壓升高到一定時候空間電場強度足夠大，剛才說的碰撞電離就產生一個明顯的物理過程。1個初始電子向陽極運動中撞到氣體分子，產生1新電子，它們一起繼續向陽極運動，又會引起新的碰撞，產生更多的電子。這就是電子崩。另外在高電場強度下，剛才提到的正離子撞擊陰極表面產生的新電子數已經足夠維持初始的電子，于是放電現象就能自己維持，無需外界電離因子的參與。氣體流注現象當氣隙足夠長，此時大量的正、負粒子復合會輻射出光子，這些輻射源會引發新的空間光電離。

4 理論比較枯燥，來看看實例的應用是如何驗證理論的分析的。第一點：高強度氣體。超強的電負性，容易捕獲自由電子形成負離子，引起碰撞電離的罪魁禍首電子被消滅了，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。……還有真空絕緣。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生了。但實際上陰極會發生強場發射，產生金屬氣體和帶電粒子。另外，當真空距離較大，電子……所以真空絕緣主要應用于斷路器。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動和調整空間電場分布的屏障，就能提高介質強度。復合絕緣效果顯著，是提高電氣強度的好方法，但不是絕緣性能好的材料都能作復合絕緣材料的，實際應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，抗機械應力、介質損耗等等因素。

5 或者改善電場分布，或者抑制氣體介質的電離，采取了那么多的措施，那么設計、制造出來的產品究竟能不能使用？還是那句話：實踐是檢驗真理的唯一標準。如果這個產品本身存在絕緣問題，等到送了電了開關柜出事故了才發現這個產品絕緣原來不合格，那個時候已經太晚了。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和性能。就結果影響而言，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的局部損傷或整體損壞，具有破壞性質。要準確、全面掌握電氣設備的絕緣性能，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、應用廣泛，能有效發現設備受潮，重大缺陷等問題；局部放電已成為確定產品質量和進行絕緣預防性試驗的重要項目之一，能有效的發現絕緣的局部性缺陷。

[1] 王平. 中壓柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備的應用[J].電氣時代，2004（08）：76-78.

TM711

A