中压真空灭弧室的绝缘结构设计优化

从击穿电压耐受水平考虑，真空灭弧室在正常打开状态需要承受高于额定工作电压一定倍数的工频电压，从雷电冲击和操作过电压角度考虑，还要考虑耐受一定水平的雷电冲击电压。这些参数在标准中都有明确的规定，是设计时的基本目标依据。例如，对于126kV电压等级的真空断路器，型式试验要求承受的工频电压230kV1min，雷电冲击耐受电压为峰值550kV的标准冲击雷电波。

真空灭弧室内部的击穿可能发生在触头之间或者触头与周围屏蔽罩之间，也可能沿玻璃外壳或者陶瓷外壳表面发生沿面放电。通过理论研究（参见本书第2章）可知，真空间隙与气体或者其他介质中不同，发生击穿的主要因素与电极表面状态密切相关。一般来说，真空击穿与宏观场致增强系数、微观场致增强系数以及材料表面物理过程有关。宏观场致增强系数是由电极形状和周围的屏蔽罩共同决定的。设计中主要是通过电极和屏蔽罩的相互位置和表面形状来调节，避免局部电场的场强畸变，降低宏观场致增强系数，提高整个灭弧室的耐压水平。也可以从提高触头有效面积的概念出发（见第2章），通过改变电极外轮廓来提高触头间击穿电压水平。

通过电场仿真计算，可以获得灭弧室内部的电场分布，得知局部电场畸变的情况。对于局部电场畸变的情况，可以通过调节距离、电极和屏蔽罩形状等措施，加以缓和。由于触头电极的形状结构要满足电流开断的要求，它的参数改变受制约较大，往往无法自由改变。真空灭弧室中屏蔽罩除了防止开断过程中产生的金属蒸气凝结在绝缘外壳上，另一个十分重要的作用就是调节内部电场分布。对于中压等级的真空灭弧室而言，绝缘耐压水平不高，屏蔽罩结构相对比较简单，一般简单的形状都可满足耐压要求。对输电等级真空灭弧室则不一样，通过良好的设计可以实现电场均匀化的目的。图4-2所示是一个多重悬浮电位屏蔽罩灭弧室的示意图。从图中可以看到，整个灭弧室中采用了多重悬浮电位屏蔽罩，使得电场分布尽量均匀，特别是在触头背部设计了屏蔽罩，防止触头背部局部的电场强度增强而发生的电极与屏蔽罩之间放电。

图4-2 多重悬浮电位屏蔽罩真空灭弧室

在实际产品设计中，目前还无法由绝缘击穿电压水平直接确定灭弧室内部结构，只能根据经验先选定结构，然后进行电场分布的数值进行仿真计算，再根据计算结果调整结构，反复收敛，达到最后的结果。该方法还需要结合实验验证。图4-3是真空灭弧室内部电场分布仿真的实例。目前数值仿真计算无论从精度还是速度都可满足工程应用的需要。具体仿真计算和试验验证的方法可以参考本书第2章内容。(www.xing528.com)

图4-3 真空灭弧室内部电场分布仿真计算

微观场致增强系数主要由电极表面的微观结构决定，由于真空灭弧室的电极要承受电弧的燃烧，表面微观结构状况复杂而多变，比较难以把握，通过先进的老炼技术，可以在一定程度上改善电极表面状况，降低微观场致增强系数，提高击穿电压水平（参见本书第8章）。但总体来说，从设计角度很难控制微观场致增强系数。

触头材料的结构和物理参数也会在一定程度上影响击穿场强。触头材料的逸出功越高，越有利于提升击穿场强。由于目前广泛采用的触头材料都是合金，材料的晶格结构在一定程度上也会影响场致发射过程。由于触头材料需要满足电接触、熄弧、机械抗熔焊的一系列要求，往往难以做到面面俱到，这也对提高材料抗击穿性能产生了限制。

鉴于此，在真空灭弧室的真空绝缘击穿性能设计上，主要还是从宏观电场分布角度考虑，微观参数的影响比较难以量化掌握。