1 概述

   真空开关的绝缘主要分为断口绝缘、相间绝缘和对地绝缘。真空灭弧室在真空开关的使用期内除开断工作电流和短路电流外，还承担着断口隔离的任务。为保证真空开关在电力系统中安全可靠的运行，真空灭弧室作为真空开关的核心器件，其绝缘能力的保证至关重要。

   真空灭弧室的绝缘分为内部绝缘和外部绝缘，内部绝缘又分为静态绝缘和动态绝缘。在型式试验中，真空灭弧室的绝缘主要考核短时工频耐受电压和雷电冲击耐受电压，而在实际使用中，由于电网工况和使用环境的不同，真空灭弧室的绝缘需要考虑的因素较多，如开断小电感电流时的截流过电压、开断容性负载时的重击穿过电压以及在高温、湿热、污秽、高海拔等多种苛刻条件下的绝缘耐受能力。鉴于以上种种因素，真空灭弧室的绝缘主要从以下三个方面考虑：绝缘设计、制造过程和使用方式。绝缘设计和制造过程是由真空灭弧室厂家来完成的，而使用方式则更多的需要真空开关配套厂家来考虑。真空灭弧室在完成了设计和制造过程中的绝缘保证后，并不意味着可以在任何条件下随意使用，空灭弧室在实际应用中的绝缘问题多数都是因为使用条件不当造成的。本文仅从内部绝缘、外部绝缘和特殊工况下的绝缘防护这三个方面对真空灭弧室在使用中的绝缘问题做以阐述。

2 内部绝缘

2.1 动态绝缘
   表征真空灭弧室动态绝缘的两个因素是开断后触头间介质强度的恢复速度和恢复电压的上升速度。图1为恢复电压和介质恢复强度的理想波形。真空灭弧室在开断后可以承

图1  恢复电压与介质恢复强度理想波形,其中UT为恢复电压波形，UD为介质恢复强度

受的电压上升率（du/dt）实际上反映了真空灭弧室的介质强度恢复能力，它的水平不但决定了真空灭弧室的额定工作电压，同时也决定了分断能力。

   真空开关的机械参数对开断后真空灭弧室的介质恢复强度有很大的影响。主要表现在：（1）触头开距和分闸速度的影响。如触头开距过小或分闸速度

过低，触头间介质强度的恢复速度将小于恢复电压的上升速度，容易引起电弧的重燃；（2）合闸速度和触头压力的影响。合闸速度过高产生弹跳易引起熔焊，合闸速度过低预击穿时间过长易引起熔焊，触头压力不足易引起熔焊。真空开关在分闸时由于拉断熔焊点会破坏触头表面，形成毛刺或凸凹不平，在分断电流时就会因局部电场过强而产生重燃或重击穿。过大的熔焊力还会使真空灭弧室的触头变形，造成开距减小而影响触头间的绝缘；（3）分闸反弹的影响。过大的分闸反弹易使真空灭弧室在开断过程中介质强度低于恢复电压的强度而造成重燃或重击穿，甚至不熄弧使开断失败。另外，如油缓冲器的安装高度过大，分断中触头未走完足够的行程就碰到缓冲器使分断速度下降也是影响动态绝缘的一个因素。在型式试验中做异相接地试验时由于试验电压为线电压，比开断额定短路电流试验（T100）时的电压高15％，这一现象更容易出现。

   因此，真空开关合理的机械参数是真空灭弧室使用中良好动态绝缘的有力保证。

2.2 静态绝缘

   在保证真空开关具有合理的机械参数的前提下，真空灭弧室在进行大电流开断后，也会出现绝缘劣化现象，而且开断电流越是接近极限电流,绝缘劣化越严重,尤其是冲击耐压水平下降比较明显。真空灭弧室开断大电流后绝缘劣化的主要原因有：（1）由于大电流真空电弧对触头表面的侵蚀，恶化了触头的表面状况；（2）开断大电流过程中电弧使触头材料喷溅形成许多微小的金属液滴附着在主屏蔽罩上改变了电场分布；（3）如果主屏蔽罩屏蔽效果不好,喷溅的液滴和金属蒸气会对瓷壳内壁造成污染，使瓷壳耐压强度降低。

   在做型式试验时，真空灭弧室开断前的绝缘一般是不会有问题的，因为此时真空灭弧室的断口绝缘和出厂时几乎一致，为绝缘设计和制造过程保证的绝缘。电寿命试验后，由于受真空开关机械参数的影响或开断大电流后绝缘劣化的影响，真空灭弧室断口间的绝缘会有所下降。

   但是，由于当代真空灭弧室设计水平的提高（如采用纵磁均布式触头结构使开断能力提高，触头磨损小，表面状态好；利用计算机辅助设计软件进行电场优化设计）和制造工艺的改进及具有较高耐压水平的CuCr触头材料的使用，真空灭弧室在出厂时的绝缘水平与试验标准比相对较高。以12kV真空灭弧室为例，型式试验中工频耐压值为48kV，雷电冲击耐压值为85kV，而在真空灭弧室出厂时工频耐压可达55kV或60kV以上，雷电冲击耐压可达100kV甚至110kV以上，因此，即使电寿命试验后绝缘有所下降，一般仍可按标准规定的电压（工频耐压48kV，雷电冲击耐压85kV）通过。

3 外部绝缘

   按使用环境，真空开关可分为户内真空开关和户外真空开关。户内真空开关一般和互感器、熔断器、隔离开关、接地开关及控制、测量、保护部分组成金属封闭开关设备。户外真空开关一般单独使用。真空灭弧室的外绝缘水平和真空开关的使用场合及真空开关的应用和发展是相辅相成的.

3.1 户内真空开关用真空灭弧室的外绝缘

   影响户内真空开关用真空灭弧室外绝缘的主要因素有温度、湿度、粉尘、海拔高度等。

   常规户内真空开关用真空灭弧室的外绝缘主要依靠玻璃外壳或高氧化铝陶瓷外壳来保证，为满足外绝缘的爬电距离要求，一般将真空灭弧室外壳设计成带有波纹裙边的形式，爬电比距按国家标准根据不同的污秽等级选择。为了给出充分的绝缘裕量，锦州华光电力点子（集团）公司设计的真空灭弧室外绝缘爬电距离基本都按Ⅱ级污秽等级设计，即爬电比距不小于20mm/kV。

   真空灭弧室在装配到真空开关的过程中容易受到人为的污染，因此在装配及调试完成后需用纱布蘸丙酮或无水乙醇擦去污物或灰尘，以确保玻壳或瓷壳表面的绝缘性能。

   海拔高度对真空灭弧室的外绝缘影响很大。海拔越高，空气密度越小，空气间隙放电电压越低，因而需加大陶瓷外壳的爬电距离或对陶瓷外壳用大爬距硅橡胶包封。国家标准[5]对高海拔用高压电器产品试验电压有明确规定：当高压电器用于海拔1000m以上且不超过4000m时，其外绝缘试验电压为额定电压乘系数Ka，Ka为：

Ka=1/（1.1－H×10-4）

式中H为使用地点的海拔高度，单位为m。

   据此，可以计算出额定电压为12kV、27.5kV和40.5kV真空灭弧室在不同海拔高度使用时须达到的出厂工频耐压值，见表1。

表1

   真空灭弧室暴露在空气中的真空开关的绝缘一般称之为敞开式空气绝缘，如ZN28等，其外绝缘完全依靠真空灭弧室的玻璃或陶瓷外壳来保证。受外部环境的影响，用于敞开式空气绝缘真空断路器的真空灭弧室，其外绝缘水平最高能达到真空灭弧室设计或制造的水平。

   在使用中，为防止真空灭弧室的机械损伤和瓷壳表面的污染，提高瓷壳沿面的绝缘强度，缩小真空开关的相间距，常将真空灭弧室装于环氧树脂绝缘套筒内：一种方法是环氧树脂绝缘套筒半包围真空灭弧室，另一种方法是环氧树脂绝缘套筒全包围真空灭弧室。前者称之为半敞开式复合绝缘，典型产品如东芝公司开发的VK开关；后者称之为封闭式复合绝缘，典型产品如森源公司开发的VS1型真空断路器。环氧树脂绝缘套筒采用自动压力胶凝(APG)工艺浇注而成，特别耐爬电。这种绝缘保护大大减少了粉尘在真空灭弧室表面的聚积，既防止了外界对真空灭弧室的影响，又确保了在湿热及严重污秽条件下对电压效应呈高阻状态。

   最新一代真空开关的绝缘技术称之为固体绝缘或固封极柱式绝缘，将在户外真空开关用真空灭弧室的外绝缘中详细论述。

   由西门子公司率先推出的气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）将真空灭弧室和其它高压带电部分密封在绝缘性能优良的SF6气体中，不仅大幅缩小了占地面积和空间体积，更保证了真空灭弧室和其它带电部分在高温、高湿、凝露、污秽和高海拔等恶劣环境下的绝缘性能。但由于SF6气体对环境的影响和《京都议定书》的签订，这种绝缘方式将逐步受到限制或被其它绝缘性能好的环保气体替代。

3.2 户外真空开关用真空灭弧室的外绝缘

   户外真空开关主要指户外架空线上装设的具有控制和保护功能的真空开关设备(柱上开关)，如户外真空断路器、负荷开关、自动重合器、分段器等，能够耐受风、雨、雪、沉积的尘埃、凝露、冰和白霜等的作用。因此，户外真空开关的使用环境要比户内真空开关严酷得多。

   由于户外苛刻的使用环境，真空灭弧室仅靠陶瓷外壳本身已不能满足外部绝缘的要求。户外真空开关解决真空灭弧室及其它带电部分外绝缘常见的方式分为三相共箱式和三相分体式两种。

   三相共箱式真空开关一般采用箱式密封结构，将真空灭弧室及其它带电部分密封在金属箱体内，内部绝缘由空气、SF6气体或对灭弧室用硅橡胶包封来完成。典型产品有华中理工大学开发的ZW6、西安高压电器研究所开发的ZW8及华仪与中国电科院开关所联合开发的ZW20A等。

   三相分体式结构是将真空灭弧室用环氧树脂完全浇注起来，使整个断路器极柱成为一个整体部件，即固封极柱。它的优点是具有极高的绝缘性能和强大的抵御外界影响能力，适用于高温、高湿、高海拔等全环境使用场合。ABB公司是该项技术的首创者，因其在实际使用中的一系列突出优点，引导了中压开关领域的一场技术革命。近年来比较有影响的产品如电科院开关所研制的ZW32就是固封极柱式产品的典型代表。

   固封极柱式产品的出现是推动高压真空开关向小型化、高电压方向发展的行之有效的途径。因此，近年来户内高压真空开关也在逐步采用环氧树脂浇注技术，如ABB公司的户内真空断路器VD4、电科院开关所及相关厂家联合研制的用于环网配电单元的ZN100及FZN58、森源公司的改进型产品VS1+等。

   笔者认为，随着真空灭弧室内部绝缘水平的提高和真空开关的总体发展趋势，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）和固封极柱式产品将在未来的中压开关领域发挥着主导作用。

   但值得注意的是，环氧树脂的浇注质量对真空灭弧室的外绝缘性能影响很大。由于不同厂家浇注工艺的不同和浇注水平的差异，在使用中暴露出固封极柱外绝缘质量的良莠不齐。

   经验表明，环氧树脂浇注的真空灭弧室外绝缘一旦出现击穿现象，灭弧室能承受的工频耐压值将低于未浇注前的耐压值,而且具有较大的分散性。如12kV某型号的一只真空灭弧室，未浇注前在空气中工频电压达到42kV（外绝缘水平），浇注后达到55kV，击穿后只达到20kV。浇注后真空灭弧室的击穿一般都由真空灭弧室动端或静端封接环沿瓷壳表面对屏蔽罩至触头间的击穿，这一部位也正是真空灭弧室内电场较集中的地方，即真空灭弧室内部绝缘比较薄弱的环节。

   固封极柱的形成方式根据生产工艺的不同大致可分为三类：（1）真空灭弧室外表面经底涂液处理后先在高温下包封硅橡胶，然后用硅橡胶浇在模具内高压浇注成极柱；（2）真空灭弧室与按一定比例混合并除气的环氧树脂、固化剂和填充材料在高温模具内加压直接形成固封极柱；（3）经底涂液处理的真空灭弧室或经硅橡胶包封的真空灭弧室在环氧树脂绝缘筒内常温常压浇入经真空除气处理的环氧树脂固化成极柱。

   击穿的主要原因大致有以下几种：（1）形成极柱前真空灭弧室瓷壳外表面局部未处理干净；（2）环氧树脂（或硅橡胶过渡层）与真空灭弧室瓷壳外表面粘接质量不好形成气隙；（3）环氧树脂浇注过程中在瓷壳表面产生气泡；（4）由于环氧树脂与真空灭弧室陶瓷外壳和不锈钢或无氧铜封接环的线性膨胀率的不同，使残余应力增大而造成浇注的界面上发生剥离和裂纹。以上这些浇注缺陷在高压交变电场下就像一个电容，电荷累积到一定程度会因局部放电现象发生雪崩式的击穿而使外绝缘受到破坏（这种击穿不是因为灭弧室真空度下降而引起的）。这种绝缘击穿一般是不可逆转的，击穿一旦发生，将造成整个固封极柱的报废,损失较大。而在运行中发生击穿，将会造成较大的绝缘事故。

目前能够浇注固封极柱的厂家较多，从现代化的流水作业到小作坊式的手工操作，工艺方式不尽相同。但无论是哪种工艺形成的固封极柱，对绝缘击穿的影响，主要是各个界面的结合强度及气泡的数量和大小。虽然是真空浇铸（原料抽真空），但由于灭弧室外表面形状、是否带釉及污秽程度等因素的影响，也会存在浇铸缺陷（气孔）。因此，作为固封极柱的制造厂家，检验的最好方法就是100%作局部放电试验，满足要求的产品不会发生绝缘击穿。

4 特殊工况下真空灭弧室的绝缘保护

   真空开关在开合小电感负载和容性负载时易引起严重的过电压，不仅对电网造成威胁，也极易使真空灭弧室的绝缘遭受破坏而使真空灭弧室炸裂。

   开合小电感负载包括开合高压电动机、并联电抗器、无载变压器和带感性负载的变压器，此时极易产生截流过电压。开合容性负载主要指开合电容器组或背对背电容器组及无载长线等，此时极易发生重击穿而产生过电压。

   特殊工况下的过电压对于真空灭弧室正常的绝缘水平来说是无法承受的。用于开断容性负载的真空灭弧室，制造厂一般都进行比较彻底的电流老炼，以防止开断电流时出现重击穿而产生过电压。对于开断小电感负载，由于目前国内的触头材料还不能满足低截流的要求，容易产生截流过电压，因而需要在真空开关的负载侧加装过电压保护装置。常用的过电压保护装置有氧化锌避雷器和阻容吸收装置。此两种过电压保护装置均可将过电压抑制在一定范围之内，但阻容吸收装置因既能抑制过电压的峰值也可以减缓过电压的上升陡度，对开合小电感负载产生的截流过电压抑制效果更好。

5 结束语

   随着当代真空灭弧室制造技术的不断发展，真空灭弧室自身的绝缘水平（主要指内绝缘）已有长足的提高。对于使用者来说，将真空开关的机械特性调整到最佳状态，克服各种不利环境和工况的影响，提高真空灭弧室的外绝缘水平，确保真空灭弧室在使用期内的绝缘性能，是真空开关安全可靠运行的前提。真空开关向高电压、大容量、小型化方向的发展也必将促使真空开关绝缘技术的不断创新和提高。

 

参考文献：

[1]王季梅，《真空灭弧室的设计、制造及应用》，西安交通大学出版社1993

[2]王晋根，《中压断路器发生异相接地故障开断的机理分析及探讨》，《高压开关设备试验与标准文集》，高压电器研究所

[3]何俊佳、邹积岩、张汉明等，《真空灭弧室开断大电流后的绝缘劣化》，《高压电器》1994第5期

[4]GB5582-85《高压电力设备外绝缘污秽等级》，国家标准局，1986

[5]GB311.1-83《高压输变电设备的绝缘配合》，国家标准局，1983

[6]黄明，《环氧浇注技术和浇注式极柱》，《高压开关》2005年第1期

[7] ]钱家骊、张节容等、古嘉琴等，《高压开关开合电容电流和小电感电流》，中国电力出版社，1999.

 

作者简介：男，高级工程师，曾从事真空开关管的技术支持工作，现任职总务处，主管安全生产、环境环保、办公设备、电脑网络、对外宣传等工作。