真空中绝缘子的沿面闪络现象

0　引言

　　绝缘子在各种电力设备和许多现代真空器件中被大量采用，同时也在大型尖端设备中得到应用。例如：X射线管、高功率微波管、高功率速调管、中子束二级管、脉冲功率开关、粒子加速器等。在真空中应用绝缘子，存在一个特殊的现象：当在一真空间隙中加入一绝缘子支撑后，该绝缘体系在一个较低的电压下就会被击穿，即绝缘子表面闪络击穿。
　　由于真空中绝缘子沿面闪络现象严重制约了电真空器件的性能，影响尖端设备的正常运行而造成巨大的经济损失，因此许多专家学者对真空中绝缘子沿面闪络现象的特性、影响因素及形成机理进行研究，并寻求防止绝缘子沿面闪络、提高沿面闪络电压的方法。特别是从70年代开始，美、英、日、法等国家投入了大量研究经费对这一现象进行研究，企图弄清真空中绝缘子沿面闪络现象的形成原因及其机理，用以改善和提高电真空器件的性能，防止影响尖端设备的正常运行。通过研究，得到了大量实验结果，找出了许多影响真空中沿面闪络现象的因素，提出了多种关于真空中绝缘子沿面闪络机理的假说及一些改善和提高沿面闪络电压的方法［1］。

1　影响沿面闪络的主要因素

　　1.1电压的影响
　　大家知道，对于同一绝缘材料施加不同类型的电压，材料所表现出的电性能也不相同。对于真空中绝缘子所构成的绝缘体系，其沿面闪络特性也和被施加的电压有关。

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　　试验中分别应用了脉冲、雷电冲击、交流和直流等形式电压，其中脉冲电压有矩形、梯形、双极性脉冲等，脉冲持续时间从ns级到ms级，交流电压的频率范围从工频到射频。研究结果表明，在大多数情况下，真空中施加了脉冲电压的绝缘子的沿面闪络电压值是随脉冲电压持续时间(脉冲宽度)的增加而下降的，这一规律在脉冲电源的脉冲宽度为ns～ms区间时最为明显。此外还发现，很多情况下施加工频(50/60Hz)电压时的绝缘子沿面闪络电压最低。

　　1.2真空度的影响
　　A.S.Pillai和R.Hackam等研究了不同真空度(气体压力范围在10－6～105Pa之间)下绝缘子的沿面闪络现象［3］。用不锈钢电极，聚四氟乙烯绝缘子，分别施加了交流、直流和脉冲电压，其结果见图1。从图1可见，在1×10－6～6×10－1Pa的压力范围内，气体压力的变化几乎不影响沿面闪络电压发生，即在上述气压范围内绝缘子的沿面闪络电压与气体压力(或真空度)无关；随着真空度的下降(或气体压力提高)，沿面闪络电压也下降。 来源:高压开关网

　　图1气体压力与闪络电压的关系 信息来源:http://365zhanlan.com

　　1.3预放电的影响
　　在研究真空中绝缘子沿面闪络现象时，经常发现当体系施加电压产生一次沿面闪络后，紧接着发生的第二次沿面闪络的电压要比第一次高［3～5］。
　　图2是A.S.Pillai和R.Hackam的研究结果。图2表明，随着预放电次数的增加，表面闪络电压提高，在一定次数后趋向一个稳定值。图中两条曲线是在不同气体压力情况下作出的。　　

　　

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　　图2预放电次数与闪络电压的关系

 　　众多的研究表明，预放电过程能够提高体系的沿面闪络电压，但这只是对于一个预放电后马上施加电压的体系而言，也就是说该效应的作用是有一定时间限制的。人们发现，当某绝缘体系经预放电处理，体系沿面闪络电压稳定后，如果放置一段时间后再施加电压，则该体系的沿面闪络电压有所降低，但比第一次沿面闪络电压高，再次进行预放电处理时也更容易达到稳定值。此外，若将已经预放电处理后的绝缘子暴露在大气下或把真空度降低，然后再提高真空度，则同样发生上述现象。

　　另外，并不是所有的预放电处理都能提高体系的沿面闪络电压。如果预放电处理时的放电较强烈，可能产生不可恢复性损坏(如在绝缘子表面形成放电通道、电极因剧烈放电而局部熔化变形等)，此时不但达不到预放电处理的效果，反而降低了体系的沿面闪络电压。
　　有研究人员发现，预放电处理并不需要真正让体系放电［6］。如果给真空中的绝缘子持续施加一个低于沿面闪络电压值的电压，虽然此时并不发生沿面闪络，但同样可以提高该绝缘体系的沿面闪络电压值。实验发现，在正式施加电压前若先加一较小的电压，则对沿面闪络电压有很大的影响。一般情况下，如果在施加冲击电压前先施加一同极性的直流电压，则可以提高闪络电压；相反若施加一相反极性的直流电压，则可以降低闪络电压。这个效应持续时间很短，一般在50μs以内，作用时间的长短与材料的绝缘电阻有关。 信息来源:365zhanlan.com

　　1.4绝缘子外形的影响
　　大量试验研究还发现，绝缘子的外形和尺寸大小都能影响闪络电压［7～9］。图3是曾经用来做过研究的部分绝缘子的外形示意图。一般说来，平常应用较多的圆柱形绝缘子形状最简单，但是研究结果表明具有这种外形的绝缘子所能承担的沿面闪络电压并不是最高，而是比较低。通常情况下，绝缘子外形结构越复杂，其沿面闪络电压也越高。

　　图3试验研究用的部分绝缘子外形示意图 信息来源:www.365zhanlan.com

 　　R.A.Anderson、O.Milton等研究了具有不同圆锥角的圆锥形绝缘子的沿面闪络现象［8～9］。图4是他们的研究结果的综合表示。研究发现，当圆锥角θ(见图4)从+15°到+70°之间变化时，绝缘子的沿面闪络电压增加比较大；当圆锥角从-5°到-20°之间变化时，绝缘子的沿面闪络电压增加并不是很大。从研究结果可发现，圆柱形绝缘子的沿面闪络电压较低。
　　除了绝缘子外形影响外，绝缘子与电极之间的接触面大小也对沿面闪络有影响。一般情况下，无论施加的是冲击、直流还是交流电压，绝缘子与电极的接触面积越大，闪络电压越低。此外，沿面闪络电压与绝缘子的长度之间并不是简单的线性关系，通常表现为指数的关系［3］［8］。 请登陆:www.365zhanlan.com 浏览更多信息