高壓開關斷路器用滅弧噴口材料電氣強度測試條件研究

朱琦琦，陳蕊，郝留成，袁端鵬，李凱，王亞祥，司曉闖，張佩

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

在電網運行和用電調度過程中，高壓開關設備承擔著開斷電力系統某些元件的作用，開斷電流越大，電弧燃燒越強烈，電弧熄滅需要的時間就越長，電弧燃燒產生的熱量和氣體電離就越多，嚴重威脅高壓開關設備的正常工作和服役壽命。高壓開關設備一般通過滅弧介質和滅弧噴口來減小這種危害[1-4]。

滅弧噴口作為高壓開關設備滅弧裝置中控制電弧、創造高速氣吹條件的核心絕緣部件，在開斷過程中起著極為重要的作用。隨著高壓開關朝高電壓、大容量和小型化方向的發展，斷路器斷口數量的減少以及開斷電弧能量的增大使其對噴口電氣性能和力學性能的要求越來越高[5-6]。絕緣對電氣設備至關重要，電氣擊穿往往會導致開關設備受到損傷，因此準確測試滅弧噴口材料的電氣強度具有重要的實際意義。目前對滅弧噴口材料的耐燒蝕性[7-10]、力學性能[11-14]、制造技術[15-19]等研究較多，但對于噴口材料電氣強度測試條件的研究較少，而測試條件的改變往往導致測試結果差異較大，如采用薄膜所測電氣強度遠高于采用薄片（1 mm厚）所測電氣強度。

滅弧噴口材料電氣強度測試主要依據GB/T 1408.1—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》，該標準是針對固體絕緣材料工頻短時電氣強度測試的通用標準，推薦了固體絕緣材料電氣強度測試的各種條件，但對于噴口用聚四氟乙烯類材料，各試驗條件對測試結果的影響并不明確。

本文首先利用COMSOL有限元分析軟件，建立滅弧噴口材料電氣強度測試模型，仿真分析電極類型、試驗環境、試樣厚度對噴口材料電氣強度測試結果的影響，并進行試驗驗證，為滅弧噴口材料電氣強度測試條件的選擇提供依據。

1 仿真及實驗方法

1.1 實驗方案

電氣強度測試設計的電極尺寸如表1所示，仿真計算和實際測試時噴口材料試樣與電極的位置關系如圖1所示，仿真計算時采用的噴口材料試樣尺 寸 為φ100 mm×1 mm、φ100 mm×2 mm、φ100 mm×4 mm共3種規格，噴口材料電氣強度測試時采用的試樣尺寸為φ100 mm×1 mm。

圖1 測試電極與試樣的位置關系Fig.1 The position relationship between test electrode and sample

表1 噴口材料電氣強度測試電極尺寸Tab.1 The electrode size of electric strength test for nozzle materials

1.2 仿真模型建立

仿真計算采用COMSOL的AC/DC模塊中的二維軸對稱結構，網格劃分采用軟件預定義的超細化構建方式，最小單元尺寸為0.004 57 mm。

仿真計算時設定電極、試樣的各項參數，在電極高壓端施加0～30 kV的電壓，得到各個電壓下電場的分布。

1.3 電氣強度試樣制備

試驗用噴口材料試樣由棒材機加工而得，棒材尺寸為φ120 mm×200 mm。棒材的制備流程如圖2所示，首先對氮化硼、PTFE粉末分別進行預處理，以除去填料中的水分和PTFE粉末中的大尺寸聚合物；然后按設定比例，將PTFE粉末和填料氮化硼在三維混合器中混合，得到均勻的混合粉末；將混好的粉末裝入鋼模中，用電子壓力機以一定的速率壓制樣品，成型壓力為30～50 MPa，保持時間為3～10 min；脫模后，將樣品放入燒結爐的旋轉盤上進行燒結，燒結曲線如圖3所示，當爐溫按照設定程序降至180℃后，隨爐冷卻至60℃以下再打開燒結爐取出樣棒。最后采用數控車床對樣棒進行機加工，試樣尺寸為φ100 mm×1 mm，試樣形態如圖4所示。

圖2 試樣制備流程Fig.2 The preparation process of sample

圖3 樣棒燒結曲線Fig.3 The sintering curve of sample

圖4 機加工所得噴口材料試樣Fig.4 The machined nozzle material sample

1.4 電氣強度測試

將試樣、電極安裝好并放置在變壓器油中，采用變壓器以2 kV/s的升壓速率對試樣施加電壓，直至試樣發生擊穿。試樣發生擊穿時的施加電壓與試樣厚度的商即為試樣的電氣強度。

2 仿真結果分析

2.1 不同電極結構作用下的靜電場仿真結果

針對φ100 mm×1 mm尺寸的試樣，在空氣介質中，分別使用球電極、非等徑電極、等徑電極施加30 kV電壓，各電極結構下的靜電場分布如圖5所示，其電場強度最大值依次為82.143、90.027、80.163 kV/mm。

圖5 不同電極結構下的靜電場分布圖Fig.5 The electrostatic field distribution under different electrode structures

由仿真結果可知，無論采用何種電極，其電場強度的最高點均在三相點（試樣、電極和環境介質交界處）的位置，其中以不等徑電極結構三相點處電場強度最高，這是因為電極表面的電場強度與其表面的電荷密度成正比，電極邊緣處的曲率半徑越小，電荷密度越大，故在電極邊緣處場強較高。同時，采用球電極時試樣上分布的電場強度與三相點處的電場強度最大值相差不大，而采用等徑電極與非等徑電極時試樣上分布的電場強度均遠低于三相點處的電場強度最大值。為了保證測試時擊穿發生在試樣上，需要選擇電氣強度較高的環境介質，如果選擇的環境介質電氣強度低，在測試時會發生介質比試樣提前擊穿的情況，不能真正考核到試樣的絕緣性能。

綜上，推薦使用球形電極和等徑電極進行噴口材料電氣強度的測試。

2.2 不同環境介質對靜電場分布影響的仿真結果

以球電極為例，針對φ100 mm×1 mm尺寸的試樣，分別以空氣、SF6、變壓器油作為環境介質對噴口材料進行靜電場分布測試。在施加0～30 kV電壓的過程中，3種環境介質中測試裝置電場最大值均在三相點處，電場最大值隨施加電壓的變化如圖6所示。

圖6 不同環境介質下電場最大值-電壓關系曲線Fig.6 The maximum electric field-voltage curves under different environmental media

由圖6可知，采用SF6和空氣為環境介質時所得的電場最大值-電壓關系曲線重合；同一電壓下，采用變壓器油為環境介質時所得的電場最大值較小，而采用空氣、SF6為環境介質時所得的電場最大值較大。

對噴口材料進行電氣強度測試時，如果選用試驗介質的電氣強度較低，噴口試樣擊穿之前可能發生介質的局部介電擊穿，因此必須選用電氣強度較高的媒介。SF6氣體與變壓器油的電氣強度均高于空氣，且空氣、SF6的電氣強度與氣壓、溫度等密切相關[3,17]，從操作的簡便性及環保性考慮，噴口材料電氣強度測試用環境介質宜采用變壓器油。

2.3 不同試樣厚度對靜電場分布影響的仿真結果

以變壓器油為介質，采用球電極分別對φ100 mm×1 mm、φ100 mm×2 mm、φ100 mm×4 mm尺寸的試樣進行靜電場分布計算。根據電場強度概念及噴口材料電氣強度指標要求，若噴口材料的電氣強度為30 kV/mm，則對厚度為1、2、4 mm試樣分別施加30、60、120 kV的電壓，各擊穿電壓下測試裝置的靜電場分布如圖7所示，1 mm試樣下的電場強度最大值為34.64 kV/mm；2 mm試樣下的電場強度最大值為35.85 kV/mm；4 mm試樣下的電場強度最大值為38.6 kV/mm。

圖7 采用不同厚度試樣時靜電場分布圖Fig.7 The electrostatic field distribution diagram of samples with different thickness

而電氣強度為材料的一種屬性，隨著試樣厚度的增加，兩電極間的距離增大，擊穿電壓增大，但在各擊穿電壓下的電場強度分布相差不大，從對試驗設備參數要求及操作安全性等方面考慮，推薦使用1 mm厚的試樣對噴口材料電氣強度進行測試。

3 噴口材料電氣強度測試

針對由同一批棒材制備的φ100 mm×1 mm試樣，以變壓器油為試驗介質，以2 kV/s的升壓速度，分別采用球形電極和等徑電極對噴口材料進行電氣強度測試，結果如表2所示。

表2 不同電極下噴口材料電氣強度測試結果Tab.2 The electric strength test results of nozzle materials under different electrodes

從表2可知，采用球形電極測得的電氣強度高于等徑電極的測試結果，且球形電極測試值的分散性相對較小。這是因為球形電極間的試樣面積較小，而等徑電極間的試樣面積較大，試樣面積越大，試樣上存在缺陷的概率也越大，在電氣強度測試時可能會在缺陷處發生擊穿，從而導致測試結果偏低且測試結果不能真正反映材料的性能。

4 結論

（1）球電極、等徑電極、非等徑電極下施加相同測試電壓時，3種電極下靜電場分布中的最大場強均在三相點處，其中以非等徑電極的場強最大。

（2）采用同一種電極，以空氣、SF6、變壓器油作為環境介質時，其靜電場分布的最大場強均在三相點處，其中以變壓器油的場強最低，空氣與SF6的場強較高，試驗時極易導致介質先于試樣擊穿。

（3）擊穿試驗時，試樣越厚，擊穿所需電壓越高，對試驗設備要求就更高，綜合考慮，推薦使用1 mm厚的試樣。

（4）以變壓器油為試驗介質，分別采用球形電極和等徑電極對1 mm厚噴口材料進行電氣強度測試，球形電極測得的電氣強度值偏高，相對于等徑電極測得的電氣強度值提高了約10%，且標準差更小，僅為1.172 kV/mm，從制樣要求、測試結果穩定性方面來講，采用球形電極更優。