摘要：文中將兩個球—球氣隙串聯，模擬雙斷口斷路器模型，串聯的兩個氣隙承受標準雷電沖擊電壓(1.2/50μs)，空氣間隙擊穿照片由相機拍攝。實驗結果中的擊穿現象可分為3種類型，將只有上球隙或下球隙被擊穿定義為擊穿類型Ⅰ;串聯雙球隙的非同期擊穿定義為擊穿類型Ⅱ;串聯雙球隙的同期擊穿定義為擊穿類型Ⅲ。進一步研究發現，3種擊穿類型的成因與上下間隙的電場強度分布有關，上間隙最大場強與下間隙最大場強之比在6.9~1.52和0.8~0.2之間表現為擊穿類型Ⅰ和擊穿類型Ⅱ，在1.5~1.52和0.7~0.8之間表現為擊穿類型Ⅱ，在1.5~0.7之間為擊穿類型Ⅲ。研究結果對于揭示多斷口斷路器的擊穿機理具有一定意義。

　　關鍵詞：雙斷口;空氣擊穿;非同期擊穿;間隙電場強度

　　0引言

　　利用雙斷口或多斷口提高斷路器耐壓能力的技術在高壓斷路器領域應用已久。多斷口斷路器的研究主要包括少油斷路器、SF6斷路器、空氣斷路器和真空斷路器[1-11]，多斷口通常涉及兩個方面：與單斷口斷路器相比的擊穿電壓增益和均壓電容的影響[12-16]。文[17]通過實驗推導了多斷口真空斷路器的擊穿電壓增益;文[18]發現當分斷電流分別為5kA和15kA時，雙斷口真空斷路器的分斷能力增益分別是單斷口真空斷路器的1.17倍和1.08倍;文[19]研制了一種用于氣體絕緣開關設備的100kV、50kA雙斷口SF6氣體斷路器，在各種工況下表現良好;文[20]發現了同步操作的雙斷口真空滅弧室中，使用均壓電容器能有效提高設備的開斷能力。

　　然而，關于多斷口斷路器的擊穿機理尚未有研究。直接觀察多斷口的擊穿現象有困難。因為測量需要同時具有很高的時間和空間分辨率，而每個斷口的間隔距離是相似的。因此，不均勻的間隙距離有助于揭示多斷口斷路器的擊穿機理，因為在雙斷口或多斷口中更容易觀察到各種類型的擊穿。文中旨在揭示雷電沖擊電壓下空氣中雙斷口的擊穿機理。研究結果有助于深入了解雙斷口/多斷口斷路器的擊穿機理。

　　1實驗設置

　　將兩個球—球氣隙串聯起來，模擬簡化的雙斷口空氣斷路器模型。連接兩個串聯間隙的中間導體處于浮動電位。電極材料是銅，每個球形電極的直徑為60mm，與高壓側相連的球形電極標為A，中間的球形導體標為B，接地側的球形導體標為C，串聯的兩個氣隙垂直排列，形成上斷口和下斷口。球體A和球體B之間的氣隙標記為上斷口“d1”，球體B和球體C之間的氣隙標記為下斷口“d2”。

　　2實驗結果

　　當上球隙的距離為2.5mm≤d1≤12.5mm時，由于此時上球隙距離較小，并且與下球隙間隙距離差別較大，隨著電壓逐漸升高，可以看到隨著施加電壓升高，上球隙先被擊穿，其電壓驟然下降，從40kV左右下降至0。總電壓隨著上球隙電壓驟降而下降，而下球隙迅速上升至總電壓。上球隙振蕩時間為0.75μs，在此期間下球隙承受住高電壓未發生擊穿，此后上球隙電壓和總電壓均恢復。

　　相機記錄的上球隙為2.5mm至15mm時，均出現擊穿類型Ⅰ，上球隙間能看到明亮的電弧連接球隙，下球隙無此現象。當35mm≤d1≤47.5mm時，可以看出，下球隙被擊穿時，電壓從25kV左右突然下降至零以下，相同時刻上球隙電壓突然上升至總電壓，并隨著總電壓逐漸衰減。此時，只有下球隙被擊穿的圖像，可以看出下球隙間出現明顯的電弧。

　　3不同擊穿類型轉變過程

　　通過雷電沖擊電壓正極性和負極性實驗可以得到串聯雙空氣球隙擊穿類型可以分為3種類型。

　　2.5mm≤d1≤12.5mm和35mm≤d1≤47.5mm時表現為單個斷口被擊穿，為擊穿類型Ⅰ。此時串聯雙空氣球隙上下球隙距離分布較不均勻，因此導致總電壓分配不均勻。擊穿類型Ⅰ中上球隙擊穿發展為擊穿類型Ⅲ的過程，雷電電壓施加到一定值時，上球隙間隙小容易先被擊穿，此時總電壓施加在下球隙上。

　　此后被擊穿球隙進入介質恢復過程并分擔小部分的電壓，此過程中未被擊穿球隙若能承受住較大部分電壓，則最終串聯雙球隙未被擊穿。而繼續升高施加電壓，上球隙被擊穿后，電壓持續作用一段時間后，下球隙也被擊穿，則擊穿類型Ⅰ轉變為擊穿類型Ⅱ。擊穿類型Ⅰ中下球隙被擊穿轉變至擊穿類型Ⅱ的過程見圖6(b)，其轉變原理與上球隙被擊穿由擊穿類型Ⅰ轉變為擊穿類型Ⅱ相似。當雙斷口空氣間隙分布較均勻，15mm≤d1≤32.5mm時表現為擊穿類型Ⅱ，17.5mm≤d1≤30mm時串聯雙球隙同期擊穿，表現為擊穿類型Ⅲ。

　　d1為15mm時，隨著施加電壓升高，上球隙先發生擊穿，下球隙電壓突然升高，經過0.86μs左右下球隙也被擊穿，而上球隙也再次發生擊穿，因此出現了非同 期擊穿現象。擊穿類型III示例見圖，d1為25mm，此時上下球隙距離較為均勻，上下球隙所能承受擊穿電壓越來越接近，當一個球隙被擊穿的同時，總電壓施加在未被擊穿球隙上，此時總電壓已超過該球隙所能承受最大電壓，因此很快也被擊穿，但兩球隙擊穿先后時間非常短，在0.1μs內，因此在測量誤差范圍內可以認為此時兩球隙幾乎同時擊穿。

　　43種典型擊穿類型成因及其發展過程

　　采用AnsoftMaxwell有限元軟件對串聯雙球隙進行電場仿真，文中采用的球電極半徑為30mm，當上球隙的距離從2.5mm遞增到47.5mm時，不均勻系數f的范圍為0.937~1.612，因此上下球隙的電場分布均為稍不均勻電場，串聯雙球隙可以看成稍不均勻電場。上球隙間隙距離為7.5mm，下球隙間隙距離為42.5mm，此時施加發生擊穿類型Ⅰ時對應的電壓，即上球隙被擊穿時，施加電壓為70.63kV。

　　上球隙的最大電場達到了3.877kV/mm，下球隙的最大電場為1.688kV/mm，上下球隙最大電場強度比值約為2.3，上球隙的電場強度明顯大于下球隙的電場強度，因此上球隙的擊穿電壓明顯小于下球隙的擊穿電壓，發生了擊穿。繼續升高上球隙7.5mm，下球隙42.5mm組合間隙電壓至擊穿類型Ⅱ發生。此時施加電壓峰值為115kV，此時上球隙最大電場強度達到了7.109kV/mm，下球隙最大場強為2.997kV/mm，上下球隙電場強度比約為2.3。此時下球隙發生擊穿，上球隙的電場強度比擊穿類型I發生時高，因此，上球隙也會發生擊穿。

　　5討論

　　通過以上研究確定了串聯雙空氣球隙在正負雷電沖擊電壓下不同間隙組合和施加電壓下存在的3種擊穿類型，結合實驗測得的電壓波形和光學拍攝的擊穿情況的圖像，發現擊穿類型主要由上下斷口電場強度之比決定，并分析了不同擊穿類型的成因及其發展過程。

　　1)串聯雙球隙在非對稱組合間隙距離下的擊穿類型可分為3類。當2.5mm≤d1≤12.5mm和35mm≤d1≤47.5mm時表現為擊穿類型Ⅰ，即只有單個球隙被擊穿，并隨著施加電壓升高，最終表現為擊穿類型Ⅱ;當17.5mm≤d1≤30mm時只表現為擊穿類型Ⅲ，即上下球隙發生同期擊穿;d1為15mm和32.5mm作為擊穿類型Ⅱ和擊穿類型Ⅲ的組合間隙距離臨界點，只發生擊穿類型Ⅱ。

　　雷電論文范例：通信電源設備的雷電過電壓防護探析

　　2)通過對串聯雙空氣球隙不同間隙距離組合進行電場仿真，不同擊穿類型主要與串聯雙空氣球隙上下球隙的電場強度分布有關，上球隙最大場強與下球隙最大場強之比在6.9~1.52和0.8~0.2之間串聯雙空氣間隙表現為擊穿類型Ⅰ和擊穿類型Ⅱ，在1.5~1.52和0.7~0.8之間表現為擊穿類型Ⅱ，在1.5~0.7之間為擊穿類型Ⅲ。6結語文中首先介紹了串聯雙球隙在雷電沖擊電壓條件下的實驗裝置與實驗回路設置，接著通過非對稱組合間隙，觀察到串聯雙空氣球隙具有3種擊穿類型。最后分析討論了3種擊穿類型的成因，以及3種擊穿過程的轉變。研究內容對進一步研究雙斷口乃至多斷口斷路器的擊穿機理具有一定意義。

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　　作者：李秀廣1，榮毅2，姚曉飛2，陳佳莉2，劉志遠2，艾紹貴1，馬云龍1，杜瑋3