（南京南瑞集团公司 江苏省 南京市 210000）
摘要：随着电力系统电压等级的提高，对高压电器的绝缘水平提出更高要求。本文结合126kV自能式SF6高压断路器的优化设计过程，从断路器的设计角度出发，分析和总结了绝缘特性分析和优化在高压断路器设计过程中的实际应用。
关键词：高压断路器; 绝缘特性; 电场分析
1 引言
目前，由于我国现代化建设的高速发展，对电力能源的需求呈高速发展态势。每年需要新增的发电装机容量逐年增加，加上电网改造和整体优化布局的建设，必将使得输配电网络获得更加快速的发展。同时随着电力系统电压等级的提高，输配电网络安全稳定运行的可靠性要求将更加严格。高压断路器作为电力系统中最重要的开关电器之一，因而对其稳定运行提出了更高的要求。根据近些年断路器运行的统计情况来看，高压断路器因绝缘问题而引发的故障所占的百分比仍是非常之大。因而，在高压断路器的开发和设计过程中，对于绝缘特性的分析和优化显得极其重要和必要。本文结合126kV自能式SF6高压断路器，分析和总结了绝缘特性分析和优化在高压断路器设计过程中的实际应用。绝缘结构的设计，主要是为了保证电场的均匀性，防止某处的电场强度过大而引发绝缘击穿或者使得某处成为绝缘薄弱环节，使得断路器在运行过程中出现故障。
2断路器绝缘设计及分析
在断路器的研发和设计中，在绝缘特性方面必须主要考虑有绝缘气体介质特性、瓷套设计、电极设计、间隙结构及电场计算等，对这些方面进行足够的考虑、分析、设计和优化是成功研制一台高压断路器的必备基础。
2.1 SF6气体绝缘特性
SF6气体在高压电器行业已经得到非常广泛的应用，优良的绝缘和灭弧性能是其在高压电器行业得到广泛应用的一个重要原因，正是它的使用使得高压电器产品以及整个电网系统得到更加稳定和高速的发展。在高压断路器的设计中，电极间隙所充的气体选择SF6就是充分利用了该气体的绝缘特性。相关的研究和资料表明，SF6气体的耐电强度比相同条件下空气的高出许多。但是SF6在应用中一个必须注意到的问题是，SF6气体在均匀、稍不均匀和极不均匀电场中的击穿过程和击穿机理是不同的。其在极不均匀电场中的绝缘特性甚至不如空气，这就要求SF6气体的应用必须保证在一个较为均匀的电场状态下。在电场分析和计算中，稍不均匀电场和极不均匀电场之间划出非常清楚的界限是困难的，通常用电场的不均匀系数f来区分电场的均匀程度。
其中：Eav为平均场强，Emax为最大场强，U为外加电压，d为电极间距。通常认为f处于2-5的范围内都属于稍不均匀电场，当f大于5时，不均匀电场的特点就很明显。由于间隙中的最大场强Emax往往出现在电极表面或者间隙结构中的一些带电尖端处。因而，限制绝缘结构中的最大场强，或者对可能出现局部最大场强的结构进行优化，无论是从防止该处发生高场强击穿还是保证电极间隙的电场均匀性角度来说，在SF6高压断路器设计过程中都必须充分考虑。
2.2 SF6气体间隙电场分析
在高压断路器的设计中，利用SF6气体的绝缘性能主要体现在两个方面：一是SF6气体间隙的绝缘特性，二是SF6气体中固体绝缘件沿面放电的特点。前者最重要因素是电场的均匀性；后者最重要因素是电场分布状况，在同等气压下，受制于电场分布的均匀程度。由此可见，在断路器设计中，对于SF6气体间隙的电场分析显得极其重要。断路器绝缘设计的重点就在于保证电场强度能有一个较为均匀的分布。相关资料表明，现有多种关于SF6气体间隙的电场计算方法。本文从击穿电压的角度去进行分析。
SF6气体间隙击穿电压是根据能否维持电晕放电来划分的，如果不均匀到可以维持放电的程度，就称为不均匀电场，该情况在电极间隙是不允许发生的。如果电场虽然不很均匀，但还不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，必然导致整个间隙立即击穿。根据流注理论，可得到临界击穿条件的一个经验公式：
其中，p为SF6气体的绝对压力，标准化条件下SF6气体的工程耐电强度，基本与上式的计算结果相一致。虽然在实际的计算和设计分析中，上式更多的用于均匀场和近似均匀场，但是对于高压断路器的电场（稍不均匀场）计算分析也具有一定的参考价值。目前分析和应用较多的是从电晕产生的角度进行分析和计算。高压断路器的电极间隙距离相对小于电极的尺寸，视为稍不均匀场的情况下，外施电压低于火花放电水平时，在场强最高区域可能出现电离即为电晕，在高压断路器的设计过程中，应防止断路器在实际运行过程中出现电晕，这就要求设计的场强低于起始电晕场强，而不是低于较高的击穿场强，或者说设计的场强等于击穿场强乘以一个小于1的系数，因为在大多数断路器的使用场合下，必须避免出现电晕。比如，在同轴布置的电极间，触头附近的电晕起始场强在更大程度上取决于电极半径，而不是取决于电极径向间隙。在同轴圆筒电极中，应用较多的一个经验公式为：
其中，a和b为与气体种类和状态相关的一个常数，δ为气体相对密度，d为内电极半径。在同心圆筒、半球、同心球等电极间也存在类似的公式。即电晕起始场强与电极的圆弧半径或者曲率半径都有着很大的关系。在断路器设计过程中，应该充分考虑绝缘结构中各处的圆弧半径设置。
2.3 电极及间隙结构设计与仿真分析
实际的断路器电极及电极间隙的结构，往往会比较复杂，章节2.2中分析的都是一些简单单一的电极结构，而实际情况往往是是这些单一结构的复杂组合。
2.3.1 电极设计
在高压断路器的设计过程中，电极表面结构的设计是优化电场的重要组成部分。在电极的设计中，不仅要求表面光滑，并且要求其曲率半径不能太大。
触头端部由4段圆弧和1段直线组成，各段曲线之间圆滑连接。这很大程度上保证了电场最大可能出现地方——触头端部，不发生明显的电场畸变。
2.3.2 电极间隙设计
图3是设计出的一种电极间隙结构，设计的重点即在于确保电极表面不能出现明显的不规则状态，设计完成后对整个间隙进行相关的电场分析计算，并不断对相关圆弧尺寸进行修正。
3 断路器试验
断路器要求满足的绝缘特性，在设计过程中必须进行相关的电场分析和理论验证，而在产品设计完成后，必须进行相关的绝缘试验从而验证设计结果的可靠性。设计的产品按照高压电器产品的型式试验标准GB1984-2014和GB16927.1中相关规定最终进行了1min230kV工频耐压试验和正负极性各15次550kV雷电冲击试验，该产品未发生击穿现象，满足绝缘特性的设计要求，证明了设计的合理性和正确性。
4 总结
断路器的绝缘特性要求对确保断路器的稳定运行，保障电力系统的稳定具有重要意义，因而在断路器的设计过程中是必需得到充分考虑和优化分析的。本文结合126kV自能式SF6高压断路器的整个研制过程，对断路器开发设计过程中，绝缘特性分析的理论和方法的实际应用进行了总结和分析，确保了开发和设计的产品满足相关绝缘特性的要求。
论文作者:胡冠,赵林波,薛键,陆德鹏
论文发表刊物:《电力设备》2015年第11期供稿
论文发表时间:2016/4/27
标签：断路器论文; 电场论文; 电极论文; 场强论文; 间隙论文; 均匀论文; 高压论文; 《电力设备》2015年第11期供稿论文;