0 引言
真空断路器体积小、重量轻、结构简单、使用寿命长、几乎不需维修、无爆炸危险，尤其不会造成环境污染。真空灭弧室是真空断路器的核心部件，发展高电压等级真空断路器的首要工作就是要开发相应的真空灭弧室。随着电压等级的提高，真空灭弧室绝缘结构的合理设计便成为重要的研究课题之一。本文分析了72.5kV真空灭弧室的绝缘结构对其耐压性能的影响并进行了试验研究，在此基础上提出126kV真空灭弧室绝缘结构的设计方案并进行电场计算，分析其绝缘特性。
1 72.5kV真空灭弧室耐压特性的试验研究
图1为72.5kV真空灭弧室试品的结构示意图，试验时将试品浸入变压器油中，用标准雷电冲击电压全波(1.2/50μs)对其进行雷电冲击耐受电压ULW试验，20次试验的结果见表1。试验后解剖灭弧室发现，击穿路径并非在触头间隙，而是触头背部与主屏蔽罩间的间隙放电。理论计算表明：真空灭弧室内的最大场强出现在触头表面边缘处和触头背面，由于电场分布的不对称性加之高电压下开距较大，造成触头背部的最大场强值甚至高于触头表面的最大场强值，如考虑电极和屏蔽罩表面带电粒子的影响，该处场强会更大。
2 72.5kV真空灭弧室绝缘结构的改进
为改善高压真空灭弧室触头表面边缘处和触头背面场强集中的现象，可采取以下措施：①增大触头边缘与触头背部过渡处的圆弧半径；②在触头背部加均压屏蔽罩以改善触头背面场强分布。本文用①改进灭弧室并对改进后的试品进行冲击耐压试验。为研究开断短路电流对灭弧室耐压水平的影响，对试品进行20,31.5kA短路电流开断试验各10次后进行耐压试验(见表1)。可见改进后真空灭弧室耐受冲击电压的能力有所提高，同时可以看出，真空灭弧室在开断短路电流后耐压水平有所下降，其主要原因是燃弧过程中部分金属喷溅物会溅落到触头侧面、背面及主屏蔽罩内侧，甚至会有金属颗粒附着在绝缘外壳的内表面。对数只试验后的真空灭弧室进行解剖分析，发现开断短路电流后的触头表面烧损并不十分严重，而触头侧面、背面的烧损较严重，这与低电压等级真空灭弧室弧后烧蚀情况有所不同，对弧后耐压是不利的。这是因电弧运动的不稳定造成的，故需改善真空灭弧室内部的磁场分布。
3 126kV真空灭弧室内部绝缘结构的研究
图2是外屏蔽罩式126 kV双波纹管结构真空灭弧室模型，仅静端加触头弹簧，灭弧室壳体的受力改善并利于减小合闸弹跳、增加刚分速度。
真空灭弧室绝缘强度的设计主要取决于灭弧室内部电场分布的状况，本文对该结构的电场分布作了详细的计算分析。真空灭弧室所有构件基本上是轴对称结构，因此其内部电场可看作是轴对称电场，各种屏蔽罩和均压罩均为导体制成，可视为等位体且厚度可忽略，这样可得真空灭弧室内部电场的计算方程和边界条件为：
式中，卿为待求电位值；m为悬浮导体个数；Si为第i个悬浮导体的表面积；Qi为第i个悬浮导体上的电荷量。在静电场情况下，悬浮导体上的正、负感应电荷量相等即Q=0。取动触头电位U1=0，静触头电位
U2＝U,kV；开距60mm，图3为计算出的电场分布情况，悬浮屏蔽罩电位为36.543%U，显然不等于(U2－U1)/2，这是由于不对称边界条件引起的。实测和分析表明：在不对称边界条件下对称结构的真空灭弧室中电位分布不对称。只有在U1=－50%U，U2=50%U的对称边界条件下，悬浮屏蔽罩与动、静触头间电压差均为50%U。
计算结果表明，由于126kV真空灭弧室开距较大，其绝缘强度并不仅仅取决于触头间隙的耐压特性，而是与整个灭弧室结构有关。触头间隙不再是场强集中的区域，主屏蔽罩与电极间的场强更大，且绝缘外壳上电位分布不均匀，部分区域场强集中。由此可见，高压真空灭弧室的绝缘强度与整个灭弧室结构密切相关。在灭弧室设计过程中，除考虑电极间的绝缘外，更需考虑电极与屏蔽罩之间以及灭弧室绝缘外壳内表面绝缘。
对应图3的电位分布，取电位梯度较大的右半场域计算，得出其部分场域边界上的电场分布。触头表面和背面的场强分布如图4、5，可见真空灭弧室内最大场强出现在触头表面边缘处。计算结果显示，触头背面场强并不很大，说明该结构可在一定程度上改善背部的电场分布。但考虑到电极和悬浮屏蔽罩表面带电粒子的影响，该处场强会有所增加，故触头背面对中间悬浮屏蔽罩的击穿不容忽略。
图6为中间悬浮屏蔽罩沿面场强分布，最大场强位于屏蔽罩末端翻边处，图7、8分别给出了灭弧室绝缘外壳内表面场强的切向和法向分量。可见，绝缘外壳上电位分布不均匀及部分区域场强集中，将会影响绝缘外壳内表面的闪络电压。
在灭弧室末端一绝缘外壳一真空三相交界处，电场由外加电场、固体介质极化作用形成的极化电场和介质表面积累的正电荷形成的电场叠加而成，其中极化电场的场强可达平均场强的e，倍(e，为固体介质相对介电常数)。特别在阴极表面，3个电场方向相同，电极表面的场强大大提高并超过理论计算值，故对126kV真空灭弧室须设置端部屏蔽罩。
4 126kV真空灭弧室内部绝缘特性的分析
真空灭弧室的绝缘击穿是由于外加电场应力作用于电极表面上的击穿弱点引起的，电场应力对击穿弱点的作用可用参数W表示，W=U2/d，其中，U为外加电压，d为间隙长度，触头间隙属于均匀场情况，假定击穿弱点的分布符合Weibull概率分布函数，则击穿弱点的累积密度为
N(W)=λ(W－W0)m
其中，λ,m,W0分别为Weibull函数的尺度参数、形状参数、和位置参数，它们都是由电极材料和电极表面状况决定的固有参数，共同决定了该函数的特性，则累积击穿概率为
取2%击穿电压为耐受电压，对图2给出的126kV真空灭弧室结构，可求得其触头间隙的耐受电压为532kV，而126kV高压断路器要求耐受雷电冲击电压为450kV，该设计能够满足要求。
导电杆与主屏蔽罩之间的绝缘对缩小真空灭弧室体积至关重要。该间隙属于非均匀场，由于场增强作用，实际作用在每个击穿弱点上的电场应力并不相等，因此引入了有效面积的概念，非均匀电场间隙有效面积Seff的定义是场强为Eeff的均匀电场作用下的电极面积，其中Emax为原非均匀电场间隙的最大场强，Emax=U/dmin，式中U为外加电压，dmin为最小间隙距离。令Wmax为Emax作用下的电场应力参数，则有
累积击穿概率：F(Seff, W)=1-exp(-N(W)Seff)，
通常取>90%最大场强的区域为有效面积。导电杆与屏蔽罩间的击穿电压很大程度上取决于屏蔽罩悬浮电位，因该悬浮电位直接决定了灭弧室内部的电场分布，也就决定了有效面积。对图2所示结构，已求得屏蔽罩悬浮电位为36.543%U，dmin=44mm，则2%击穿电压为323.68kV。U=450kV，考虑电位分布的不均匀，间隙承受的最大电压为285.56kV，能满足耐压要求。
5 结论
a)72.5kV真空灭弧室内部绝缘击穿并非触头间隙而是触头背部与主屏蔽罩间隙放电。增大触头边缘与背部过渡处的圆弧半径，改善了真空灭弧室触头背部的电场集中，耐压水平提高。开断短路电流后灭弧室耐压水平有所下降。
b)126kV真空灭弧室内部绝缘结构设计方案的最大场强在触头表面边缘处，为减小灭弧室末端一绝缘外壳一真空三相交界处的电场强度，需设置端部屏蔽罩。
c)由电极表面击穿弱点的分布和真空灭弧室绝缘击穿的统计特性及数值计算结果，估算给定击穿概率下灭弧室的最大耐受电压满足要求。
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