雷电冲击电压下串联双空气球隙击穿现象研究

　　摘要：文中将两个球—球气隙串联，模拟双断口断路器模型，串联的两个气隙承受标准雷电冲击电压(1.2/50μs)，空气间隙击穿照片由相机拍摄。实验结果中的击穿现象可分为3种类型，将只有上球隙或下球隙被击穿定义为击穿类型Ⅰ;串联双球隙的非同期击穿定义为击穿类型Ⅱ;串联双球隙的同期击穿定义为击穿类型Ⅲ。进一步研究发现，3种击穿类型的成因与上下间隙的电场强度分布有关，上间隙最大场强与下间隙最大场强之比在6.9~1.52和0.8~0.2之间表现为击穿类型Ⅰ和击穿类型Ⅱ，在1.5~1.52和0.7~0.8之间表现为击穿类型Ⅱ，在1.5~0.7之间为击穿类型Ⅲ。研究结果对于揭示多断口断路器的击穿机理具有一定意义。

　　关键词：双断口;空气击穿;非同期击穿;间隙电场强度

　　0引言

　　利用双断口或多断口提高断路器耐压能力的技术在高压断路器领域应用已久。多断口断路器的研究主要包括少油断路器、SF6断路器、空气断路器和真空断路器[1-11]，多断口通常涉及两个方面：与单断口断路器相比的击穿电压增益和均压电容的影响[12-16]。文[17]通过实验推导了多断口真空断路器的击穿电压增益;文[18]发现当分断电流分别为5kA和15kA时，双断口真空断路器的分断能力增益分别是单断口真空断路器的1.17倍和1.08倍;文[19]研制了一种用于气体绝缘开关设备的100kV、50kA双断口SF6气体断路器，在各种工况下表现良好;文[20]发现了同步操作的双断口真空灭弧室中，使用均压电容器能有效提高设备的开断能力。

　　然而，关于多断口断路器的击穿机理尚未有研究。直接观察多断口的击穿现象有困难。因为测量需要同时具有很高的时间和空间分辨率，而每个断口的间隔距离是相似的。因此，不均匀的间隙距离有助于揭示多断口断路器的击穿机理，因为在双断口或多断口中更容易观察到各种类型的击穿。文中旨在揭示雷电冲击电压下空气中双断口的击穿机理。研究结果有助于深入了解双断口/多断口断路器的击穿机理。

　　1实验设置

　　将两个球—球气隙串联起来，模拟简化的双断口空气断路器模型。连接两个串联间隙的中间导体处于浮动电位。电极材料是铜，每个球形电极的直径为60mm，与高压侧相连的球形电极标为A，中间的球形导体标为B，接地侧的球形导体标为C，串联的两个气隙垂直排列，形成上断口和下断口。球体A和球体B之间的气隙标记为上断口“d1”，球体B和球体C之间的气隙标记为下断口“d2”。

　　2实验结果

　　当上球隙的距离为2.5mm≤d1≤12.5mm时，由于此时上球隙距离较小，并且与下球隙间隙距离差别较大，随着电压逐渐升高，可以看到随着施加电压升高，上球隙先被击穿，其电压骤然下降，从40kV左右下降至0。总电压随着上球隙电压骤降而下降，而下球隙迅速上升至总电压。上球隙振荡时间为0.75μs，在此期间下球隙承受住高电压未发生击穿，此后上球隙电压和总电压均恢复。

　　相机记录的上球隙为2.5mm至15mm时，均出现击穿类型Ⅰ，上球隙间能看到明亮的电弧连接球隙，下球隙无此现象。当35mm≤d1≤47.5mm时，可以看出，下球隙被击穿时，电压从25kV左右突然下降至零以下，相同时刻上球隙电压突然上升至总电压，并随着总电压逐渐衰减。此时，只有下球隙被击穿的图像，可以看出下球隙间出现明显的电弧。

　　3不同击穿类型转变过程

　　通过雷电冲击电压正极性和负极性实验可以得到串联双空气球隙击穿类型可以分为3种类型。

　　2.5mm≤d1≤12.5mm和35mm≤d1≤47.5mm时表现为单个断口被击穿，为击穿类型Ⅰ。此时串联双空气球隙上下球隙距离分布较不均匀，因此导致总电压分配不均匀。击穿类型Ⅰ中上球隙击穿发展为击穿类型Ⅲ的过程，雷电电压施加到一定值时，上球隙间隙小容易先被击穿，此时总电压施加在下球隙上。

　　此后被击穿球隙进入介质恢复过程并分担小部分的电压，此过程中未被击穿球隙若能承受住较大部分电压，则最终串联双球隙未被击穿。而继续升高施加电压，上球隙被击穿后，电压持续作用一段时间后，下球隙也被击穿，则击穿类型Ⅰ转变为击穿类型Ⅱ。击穿类型Ⅰ中下球隙被击穿转变至击穿类型Ⅱ的过程见图6(b)，其转变原理与上球隙被击穿由击穿类型Ⅰ转变为击穿类型Ⅱ相似。当双断口空气间隙分布较均匀，15mm≤d1≤32.5mm时表现为击穿类型Ⅱ，17.5mm≤d1≤30mm时串联双球隙同期击穿，表现为击穿类型Ⅲ。

　　d1为15mm时，随着施加电压升高，上球隙先发生击穿，下球隙电压突然升高，经过0.86μs左右下球隙也被击穿，而上球隙也再次发生击穿，因此出现了非同 期击穿现象。击穿类型III示例见图，d1为25mm，此时上下球隙距离较为均匀，上下球隙所能承受击穿电压越来越接近，当一个球隙被击穿的同时，总电压施加在未被击穿球隙上，此时总电压已超过该球隙所能承受最大电压，因此很快也被击穿，但两球隙击穿先后时间非常短，在0.1μs内，因此在测量误差范围内可以认为此时两球隙几乎同时击穿。

　　43种典型击穿类型成因及其发展过程

　　采用AnsoftMaxwell有限元软件对串联双球隙进行电场仿真，文中采用的球电极半径为30mm，当上球隙的距离从2.5mm递增到47.5mm时，不均匀系数f的范围为0.937~1.612，因此上下球隙的电场分布均为稍不均匀电场，串联双球隙可以看成稍不均匀电场。上球隙间隙距离为7.5mm，下球隙间隙距离为42.5mm，此时施加发生击穿类型Ⅰ时对应的电压，即上球隙被击穿时，施加电压为70.63kV。

　　上球隙的最大电场达到了3.877kV/mm，下球隙的最大电场为1.688kV/mm，上下球隙最大电场强度比值约为2.3，上球隙的电场强度明显大于下球隙的电场强度，因此上球隙的击穿电压明显小于下球隙的击穿电压，发生了击穿。继续升高上球隙7.5mm，下球隙42.5mm组合间隙电压至击穿类型Ⅱ发生。此时施加电压峰值为115kV，此时上球隙最大电场强度达到了7.109kV/mm，下球隙最大场强为2.997kV/mm，上下球隙电场强度比约为2.3。此时下球隙发生击穿，上球隙的电场强度比击穿类型I发生时高，因此，上球隙也会发生击穿。

　　5讨论

　　通过以上研究确定了串联双空气球隙在正负雷电冲击电压下不同间隙组合和施加电压下存在的3种击穿类型，结合实验测得的电压波形和光学拍摄的击穿情况的图像，发现击穿类型主要由上下断口电场强度之比决定，并分析了不同击穿类型的成因及其发展过程。

　　1)串联双球隙在非对称组合间隙距离下的击穿类型可分为3类。当2.5mm≤d1≤12.5mm和35mm≤d1≤47.5mm时表现为击穿类型Ⅰ，即只有单个球隙被击穿，并随着施加电压升高，最终表现为击穿类型Ⅱ;当17.5mm≤d1≤30mm时只表现为击穿类型Ⅲ，即上下球隙发生同期击穿;d1为15mm和32.5mm作为击穿类型Ⅱ和击穿类型Ⅲ的组合间隙距离临界点，只发生击穿类型Ⅱ。

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　　2)通过对串联双空气球隙不同间隙距离组合进行电场仿真，不同击穿类型主要与串联双空气球隙上下球隙的电场强度分布有关，上球隙最大场强与下球隙最大场强之比在6.9~1.52和0.8~0.2之间串联双空气间隙表现为击穿类型Ⅰ和击穿类型Ⅱ，在1.5~1.52和0.7~0.8之间表现为击穿类型Ⅱ，在1.5~0.7之间为击穿类型Ⅲ。6结语文中首先介绍了串联双球隙在雷电冲击电压条件下的实验装置与实验回路设置，接着通过非对称组合间隙，观察到串联双空气球隙具有3种击穿类型。最后分析讨论了3种击穿类型的成因，以及3种击穿过程的转变。研究内容对进一步研究双断口乃至多断口断路器的击穿机理具有一定意义。

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　　作者：李秀广1，荣毅2，姚晓飞2，陈佳莉2，刘志远2，艾绍贵1，马云龙1，杜玮3