固封极柱外绝缘层开胶对性能的影响分析

李蓓蓓,严孟飞,葛伟山（陕西宝光真空电器股份有限公司; 西电宝鸡电气有限公司,陕西 宝鸡 7006）

固封极柱外绝缘层开胶对性能的影响分析

李蓓蓓1,严孟飞2,葛伟山1
（1陕西宝光真空电器股份有限公司; 2西电宝鸡电气有限公司,陕西 宝鸡 721006）

摘 要：本文介绍了真空灭弧室固封极柱技术的发展，利用电场分析和固体介质击穿理论，分析了当固封极柱外绝缘层出现开胶或夹杂时，开胶部位的电场强度将显著增强，导电杂质会减小绝缘层厚度，容易出现固封极柱外绝缘击穿。

关键词：固封极柱；外绝缘层；击穿；电场分析；介电常数

0 引言

固封极柱使真空灭弧室和其他导电件及外界环境完全隔离,增强灭弧室外绝缘强度，避免了外力和外界环境对灭弧室及其他导电件的影响。固封极柱极大的简化开关装配过程，并减少了装配过程出现差错的概率[1]。真空灭弧室内部为真空绝缘，可靠性非常高。外部绝缘依靠固封层，当固封层开胶时，很容易出现外绝缘击穿导致固封极柱破坏。故硅橡胶层和环氧树脂层的质量决定了固封极柱的外绝缘性能。

1 多介质系统中的电场分析

真空灭弧室固封极柱属于典型的多介质系统：灭弧室内部真空部分、灭弧室绝缘外壳（陶瓷）、硅橡胶层、环氧树脂层。不考虑灭弧室两端的金属部分时，则每个界面处只有两种介质，只分析均匀电场下两种介质交界面与等位面重合以及与等位面斜交的情况[2]。

1.1 介质界面与等位面重合的情况

图1 均匀电场中的双层介质

图1表示均匀电场中双层介质的情况，两层介质中的电场强度E1和E2分

式（1-1）与式（1-2）表明，在绝缘距离d=d1+d2不变的情况下，增大时E2减小，但却使E1增大；减小时E2增大，但却使E1减小。

1.2 介质界面与等位面斜交的情况

介质界面与等位面斜交时，电位移矢量与界面之间的角度不是90℃，因此会在第二种介质中发生折射，如图2所示。电缆线入射角与折射角的关系如下：

式（1-3）表明，α1一定时，ε1与ε2决定α2，且增大ε2时En2减小；减小ε2时En2增大。与式（1-1）及式（1-2）的结果类似。即介质中的电场强度与介质的介电常数密切相关，且成反比关系，增大ε2时E2减小，减小ε2时E2增大。

图2 电力线在两层介质中折射的情况

2 固封极柱中的电场分析

2.1 固封极柱粘结良好时的电场

固封极柱粘结良好时，则只存在3层介质、2个界面，瓷壳层与硅橡胶层，硅橡胶层与环氧树脂层。规定各层介质的电场强度和介电常数为：

瓷壳层：E1与ε2；硅橡胶层：E2与ε2； 环氧树脂层：E3与ε3考虑介质界面与等位面重合的情况时，可以利用式（1-1）与式（1-2）得到:

通过查询介电常数参考表可知，氧化铝陶瓷的介电常数为：3.1-3.9，硅橡胶的介电常数为：3.2-9.8，环氧树脂的介电常数为：3.6。可以看出，三种介质的介电常数基本上在一个数量范围内，即三种介质的中的电场强度基本相当，且在界面处没有突变。硅橡胶层和环氧树脂层相当于增加了真空灭弧室的瓷壳厚度，减小了灭弧室外部的电场强度。故使用固封极柱技术可以使真空断路器小型化，并提高绝缘可靠性。

2.2 固封极柱粘结不良时的电场情况

固封极柱粘结不良时，相当于在原有的3层介质中增加了新的1层介质，该介质的成分为含杂质的空气，其介电常数为1。三种原有介质的介电常数考虑为3.5，则空气与原有介质之间的交界面处将发生电场突变，空气中的电场强度变为：

即空气中的电场强度相当于原固封层中电场强度的3.5倍。并且由于空气的击穿电压远低于环氧树脂和硅橡胶的击穿电压，当固封极柱粘结良好时不会出现外绝缘击穿的电场强度值，也有可能在固封极柱粘结不良时导致外绝缘击穿，破坏极柱。

2.3 固封极柱中含杂质时的电场情况

当固封极柱的硅橡胶层或者环氧树脂层中含有杂质时，可以按两种情况考虑其电场变化，杂质为导体和杂质为绝缘体。

（1）杂质为导体时，相对于硅橡胶层和环氧树脂层，其介电常数可以认为是无穷大。增大ε2时E2减小，但却使E1增大，相当于E2=0，可以理解为减小了绝缘层的厚度，导致容易出现外绝缘击穿。

（2）杂质为绝缘体时，情况比较复杂，当杂质介电常数与绝缘层差异较大时，会导致界面处的电场强度出现较大变化，容易引起外绝缘击穿。当杂质为放气性材料时，其产生的其他在电场作用下会出现比较严重的局部放电情况，破坏外绝缘层。严重影响固封极柱的绝缘性能。

3 结论

本文通过分析真空灭弧室固封极外绝缘层在不同情况下的电场分布情况，得出了固封极柱外绝缘层粘结不良，以及含有杂质时，开胶部位的电场强度将显著增强，导电杂质会减小绝缘层厚度，都会导致固封极柱外绝缘下降出现击穿。

参考文献：

[1]李建基.真空断路器固封极柱的生产工艺与市场状况[J].电气工业,2008（09）:22-23．

[2]施围，邱毓昌，张乔根．高电压工程基础[M]．北京:机械工业出版社,2014:70-77.