关键词 SF6 绝缘子 快速振荡冲击电压 闪络
0 引言
GIS中隔离开关、断路器等切合容性电流时在开关触头间会发生预击穿和多次重燃，形成上升时间很短的冲击波(波头一般<50 ns)。因GIS中各部件的波阻抗不同，冲击波在GIS内部经过多次反射、折射形成振荡的快速暂态过电压(VFTO)。尽管幅值不高，但GIS的运行经验表明，在电压等级为330 kV及以上的GIS中，隔离开关的例行操作常常会造成GIS内部导体对地击穿及沿绝缘子或套管的闪络事故。
GIS中支撑绝缘子通常是绝缘最薄弱的环节，其VFTO沿面闪络特性具有重要意义。无导电微粒污染时绝缘子VFTO最低闪络电压仍高于雷电波(LI)的耐压水平［1，2］，但GIS的加工、装配过程中以及开关操作时电弧的燃烧都会产生一些导电微粒，在电场的作用下很容易附在绝缘子表面，导致闪络电压的严重下降，此时VFTO最低击穿电压甚至会低于LI击穿水平［3，4］。而另有研究表明此时两者伏秒特性相差不大［5］。总之，绝缘子VFTO沿面放电特性迄今尚无明确结论。本文用快速振荡冲击电压模拟GIS中VFTO，研究极不均匀场下SF6气体中绝缘子沿面放电特性及预放电过程，并对比雷电波及非振荡陡波的相应特性，为优化GIS的绝缘设计提供依据，并探寻合适的GIS试验电压波形。
1 实验装置
实验用快速振荡及非振荡冲击电压发生器主要由Marx发生器和RLC元件组成［6］。全部冲击试验电压均为正极性，表1为3种不同振荡频率的快速暂态过电压模拟波形参数。其中，幅值以VFTO的第一个振荡峰值与稳态值的比值表示；衰减程度以第二个振荡峰值与第一个振荡峰值的比值表示。图1为本装置产生的VFTO波形。
表1 VFTO模拟波形参数
f/MHz 波头tf／ns U1max／U∞ U2max／U1max
1
400
1.8
0.93
4 80 1.8 0.92
8 35 1.9 0.90
上：振荡波形 下：非振荡波形
图1 快速暂态过电压模拟波形
电极结构见图2，其中尖电极是直径6 mm的铜棒以30°锥角过渡到曲率半径为0.5 mm的尖端，平板电极为直径80 mm的简化的罗哥夫斯基电极，尖电极紧压着圆柱形绝缘子使其间无气隙。因绝缘子的50%闪络电压Uf50分散性大，实验中测量绝缘子的低概率冲击闪络电压Uf：先用升降法确定Uf50，然后从升降法的最低一级电压开始，以级差0.02Uf50逐级降压，每级加压25次，直到25次都不发生闪络为止，此时的电压即Uf。
图2 电极结构简图
2 实验结果
2.1 Uf－p关系
图3、4分别为两绝缘距离不同的绝缘子在不同电压波形作用下的Uf－p关系曲线，可见：
①Uf均先随p增加而上升，当p增至0.2MPa左右，Uf开始下降，大约在0.25～0.3MPa之间达到最小值；此后在更高的气压下，闪络电压又逐渐上升。Uf－p曲线的驼峰现象为绝缘子表面电荷的作用所致。SF6气压较低时，尖电极附近爆发电晕后，正离子向外扩展，使得尖电极附近电场减弱，需进一步提高电压才能导致击穿，在一定气压范围内，随压力上升，闪络电压会出现极大值。气压继续提高，流注电晕产生的正离子难以扩散，使尖电极附近的绝缘子表面形成密集的正极性电荷，加强了前方电场，使得先导更容易发展，这时击穿电压接近电晕起始电压。当气压进一步提高后，由于电晕起始电压提高，闪络电压随之提高。由此出现驼峰现象。
图3 绝缘子高1.66cm时Uf－p关系
图4 绝缘子高3.25 cm时Uf－p关系
②绝缘子表面存在局部电场集中时，FOI闪络电压明显低于LI闪络电压，最大可低20%。
③对比图3、4可以发现，尽管绝缘子的绝缘距离几乎增加了一倍，绝缘子的闪络电压却没有成比例地提高，而且出现驼峰的临界气压较小。
2.2 伏秒特性
为GIS的绝缘配合提供依据，有必要了解绝缘子在不同电压波形作用下的伏秒特性。
图5、6、7示出了不同SF6气压下绝缘子在正极性的各种冲击电压作用下的闪络伏秒特性。可见：①相对于FOI，LI的Uf－t曲线左半侧出现上翘时的放电时延较长，且上翘速度慢。②闪络时延取决于波头的陡度，即波头越陡，击穿时延越短——这可由电压—时间的面积法则［7］得到解释。当FOI电压较低时，绝缘子的闪络常常发生在振荡的波尾上，有时闪络时延可超过3 μs，而在非振荡陡波的作用下绝缘子的闪络时延则一般小于1 μs。③几种非振荡冲击电压作用下的伏秒特性基本相同。8 MHz的FOI闪络电压最高，4 MHz的FOI伏秒特性下包线明显低于雷电波及陡波的伏秒特性下包线。由于波头为90 ns的非振荡陡波与4 MHz的FOI的上升时间差不多，而前者闪络电压仍然高于后者，这说明振荡的波尾对绝缘子的闪络电压有较大的影响。
图5 p=0.1MPa时Uf－t特性
图6 p=0.2MPa时Uf－t特性
图7 p=0.3MPa时Uf－t特性
3 分析与讨论
绝缘子表面局部电场集中引发的闪络和极不均匀场中SF6气体间隙的击穿过程相似，仍包含流注起始、流注向先导的转变以及先导分级发展的过程。流注电晕形成以后，它和电极之间的电容在振荡电压的作用下会产生向流注通道注入电荷的位移电流［8］，降低了先导的转变时延和起始电压；同时使流注通道的等效阻抗发热。如果位移电流足够大，将会造成热电离，使先导更易形成。随着FOI频率的增加，位移电流的作用越来越明显，SF6的击穿电压应该下降。本文中没有得到相同的结论，可能是因为频率越高，波形的衰减也越快，使得先导不易获得连续发展的缘故，对此尚需深入研究。另外，绝缘子在VFTO的作用下存在“逆放电”现象［9］。“逆放电”一方面中和了绝缘子表面积聚起的表面电荷，减少了这些表面电荷对下一次先导发展的屏蔽作用；另一方面，逆放电对先导通道起加热作用，而且它注入的电荷增加了先导通道的导电性，从而加强了先导通道前方的电场；“逆放电”的这些作用使得下一级先导更容易产生。很可能正是由于“逆放电”现象的发生使得绝缘子在快速振荡冲击电压作用下的闪络电压低于雷电波及非振荡陡波作用下的闪络电压。
4 结论
绝缘子表面存在局部高场强时，FOI闪络电压不但低于LI，而且还低于相同波头时间的非振荡陡波。这表明了需用FOI作为GIS的试验波形。进一步的研究应包括确定最严格的GIS耐压实验波形、绝缘子表面电荷对闪络的影响以及如何改善绝缘子结构、形状以提高绝缘子沿面闪络电压。
作者简介：王中方 1975年生，硕士生，主要研究快速暂同过电压作用下GIS的绝缘特性。
作者单位：西安交通大学(西安710049)
参考文献
1 Luxa G, Boeck W et al. Recent research activity on the dielectric performance of SF6 with special reference to VFT. In: CIGRE, Paris:1988,15
2 Kobayashi S et al. Non-uniform electric field flashover characteristics of GIS against very fast transient overvoltages. 7th ISH,Dresden, 1991
3 张乔根.陡波前冲击电压下SF6气体间隙及绝缘子沿面放电特性.博士学位论文.西安：西安交通大学，1996
4 Tenbohlen S. Particle-initiated surface discharges in SF6 under fast oscillating impulse voltges. 10th ISH, Montreal, 25—29，1997
5 Hyeong H, Lee et al. Experimental investigations of VFTO in GIS. 9th ISH, Graz， 67-83,1995
6 王中方，张乔根，邱毓昌.快速暂态过电压的模拟及测量.高压电器，1999，35(1)：16
7 邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术.北京：水利电力出版社，1994
8 Hama H, Inami K et al. Streamer to leader transition of surface discharges under impulse voltages in SF6 gas. 8th ISH， Yokohama,34-01，1993
9 王中方.快速振荡冲击电压下SF6气体间隙及绝缘子沿面放电特性，硕士学位论文.西安：西安交通大学，1999
