真空滅弧室表面拉弧問題的分析與解決

汪 路，趙子文

（1.陜西寶光真空電器股份有限公司，陜西 寶雞 721006；2.西電寶雞電氣有限公司，陜西 寶雞 721306）

1 表面拉弧問題

超高壓老煉作業過程如圖1所示[1]。滅弧室動端加超高壓電、靜端接地，滅弧室內部的絕緣性能很高，但是外部絕緣需要借助絕緣介質，而絕緣介質的絕緣性能受室內溫濕度、雜質等因素干擾不穩定，常常出現電壓還未升高到作業要求時，滅弧室外側就出現拉弧問題。大量的電荷瞬間釋放，擊穿絕緣介質，從滅弧室的瓷殼表面拉過，如圖2所示。電弧對滅弧室瓷殼表面造成外部損傷，導致產品報廢[2]。

圖1 超高壓老煉作業圖示

圖2 表面拉弧現象

2 拉弧及擊穿現象的原理解讀

2.1 拉弧及擊穿現象的物理原理

2.1.1 電子崩

場強高到一定程度，電子在向陽極運動時會碰撞電離，在連鎖碰撞后產生更多的電子，像雪崩一樣發展，這種急劇增加的電流為電子崩[3]。

超高壓老煉過程中，液體電介質中總會存在一些離子，在電場作用下運動而形成微弱電流。隨著場強逐漸提升，電子運動加速、積累能量、持續碰撞液體分子，進一步使液體電介質的分子電離，致使電子數量迅速增加。因碰撞電離而產生的正離子移動至陰極附近，增強了陰極表面的場強，促使陰極發射的電子數量進一步增多，如圖3所示。隨著電流急劇增加，液體電介質失去絕緣能力，發生擊穿[4]。

圖3 高場強下電子變化圖示

2.1.2 電子崩的宏觀表現

超高壓老煉過程中的放電解析如圖4所示。0A階段，電壓逐漸增加，少量電子運動速度加快，電流隨著電壓的升高而升高。AB階段，隨著電壓的繼續增加，單位時間內電離產生的自由電子數是一定的，所以電流沒有隨著電壓的增加而增加。BC階段，電壓繼續上升，電流隨著電壓的上升也持續上升，在高場強下產生碰撞電離，激發出更多的電子，電流顯著增加。C階段，電流急速增加，這時由于電場強度已經很高，發生嚴重拉弧或擊穿現象，電流增加到極限，實現自持放電，電流無限增大。在BC段，就能很清楚地預判介質的絕緣性能。

圖4 高壓老煉過程放電圖解

2.2 沿面放電

沿面放電是指沿不同聚集態電介質分界面的放電現象。沿面放電的特點：沿固體介質表面的閃絡，電壓不但要比同體介質本身的擊穿電壓低，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低。

在均勻電場的條件下（不涉及“極不均勻電場中的沿面放電”），固體介質表面與電力線平行。

從實測結果發現，吸潮的固體介質如瓷殼等的沿面閃絡電壓低于不吸潮的電壓，主要因為介質表面吸附的水分受到電子撞擊時很容易將電子俘獲而形成負離子。負離子在外電場作用下向陽極移動，使沿面電場發生了畸變，形成不均勻電場，從而降低了沿固體交界面的氣體擊穿電壓，如圖5所示。介質表面吸附水分的能力越大，閃絡電壓就降得越低。另一方面，固體介質表面電阻分布不均勻，表面有傷痕等都使沿面電場分布不均勻，因而都將引起沿面閃絡電壓下降[5]。高壓老煉的工作環境符合這個現象，光面瓷殼就比傘裙瓷殼更容易引起沿面放電。

圖5 場強畸變引起沿面放電圖示

2.3 小 結

綜上分析得出真空滅弧室拉弧及擊穿的主要影響因素：一是電場強度，電場越強越容易放電；二是電場均勻程度，電場越不均勻，越容易放電；三是電場電離，電子和離子越多、越活躍，越容易引發場強畸變?；诖?，解決拉弧及擊穿問題的主要研究方向定位在電場強度、電子、離子的控制上。

3 解決方案

3.1 電荷引流原理引入

拉弧及擊穿的主要影響因素是電場強度和電子。超高壓老煉工作電壓約100 kV，是無法調整的，但可以控制電子的數量和電子的流向，用引流盤引導電子的流動方向，如圖6所示。

圖6 引流盤

3.2 設計方案的場景分析

升壓初始階段，滅弧室內先聚集電荷，電壓繼續升高，介質中慢慢開始產生自由電子和微弱電流，當電壓升高到80 kV時，電子數量逐漸增多，瓷殼表面開始出現拉弧現象。

（1）在拉弧現象發生前，避免電子聚積，降低拉弧風險。在滅弧室旁邊放入引流裝置后，引流盤可以引流電離出的電子，預防電子堆積，引導外場強方向如圖7所示，降低拉弧現象發生的概率。

圖7 引流盤的引流作用圖示

（2）當拉弧現象發生后，引流電弧，保護滅弧室。當電荷急速增加，引發電子崩、造成拉弧現象，引流盤可引流電弧，引流盤和瓷殼底部會形成一個相對安全的區域，從而保護滅弧室不被損壞。

4 設計方案驗證

根據設計方案制作了引流盤，進行了3次試驗。試驗結果顯示：一是拉弧或擊穿次數減少了50%；二是一旦發生拉弧或擊穿現象，電荷被引流盤成功引流，保護滅弧室瓷殼不被電流損壞。圖8是擊穿現象發生的瞬間，引流盤成功實現引流，由于瞬間電流很大，引流盤被“點亮”，大量電流被引流走，對滅弧室起到保護作用。

圖8 擊穿瞬間的電荷引流圖

4.1 引流盤使用前后對比

同一批滅弧室，在裝入引流盤前和裝入引流盤后的電流對比如圖9所示。

圖9 滅弧室裝入引流盤前后的電流對比

可以明顯看出，裝入引流盤后，電流平緩（BC段），放電點從75 kV抬升到80 kV。即便出現拉弧現象，通過引流盤也可以很好地保護滅弧室。

4.2 試驗結論

在原理方面，引流裝置是可行的。實際試驗結果顯示，引流裝置可以很好地改善超高壓老煉環境。

4.3 試驗有效性再驗證

高壓老煉的目的就是要打掉滅弧室內部的毛刺，引流盤的使用并不會影響作業效果，具體分析見表1。

表1 試驗有效性驗證

5 結 論

真空滅弧室表面拉弧及擊穿現象的本質是高場強下，自由電子增多達到臨界值時，電子集中釋放的現象。通過引流裝置即引流盤把產生拉弧的電荷引流，降低拉弧發生的風險，同時給了電荷一個“合理”的運動路線，讓電荷按照“期望”的方向運動，這樣即使發生拉弧現象，也會把風險降到最低。該設計方案有效解決了超高壓老煉作業過程中拉弧及擊穿問題，在超高壓老煉工序推廣使用，為真空滅弧室制造企業提供實踐參考經驗及相關解決方案。