近年來(lái)，真空開(kāi)關(guān)管朝著高電壓、大容量發(fā)展的同時(shí)，體積的小型化也成了人們刻意追求的目標(biāo)。對(duì)于真空開(kāi)關(guān)管來(lái)說(shuō)，額定參數(shù)中的電流參數(shù)(如額定電流、額定短路開(kāi)斷電流)決定了管子的徑向尺寸，而電壓參數(shù)則決定了管子的高度尺寸。

　　為了保證開(kāi)關(guān)管有良好的絕緣性能，要求絕緣外殼能夠保證開(kāi)關(guān)管動(dòng)靜端導(dǎo)電部件之間有足夠的電氣間隙和爬電距離。由于開(kāi)關(guān)管內(nèi)是真空介質(zhì)，而絕緣外殼材料(主要有dm-308玻璃和a-95氧化鋁瓷兩種)本身又有極好的絕緣性能，所以絕緣配合的薄弱環(huán)節(jié)在絕緣外殼與大氣接觸的一側(cè)，即大氣側(cè)動(dòng)靜端之間的空氣擊穿以及沿外殼外表面的閃絡(luò)擊穿。因此，絕緣外殼的設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是正確設(shè)計(jì)由絕緣外殼所構(gòu)成的空氣間隙及爬電距離，使之能夠承受?chē)?guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的絕緣耐壓值，同時(shí)達(dá)到真空密封、支撐的目的。

　　1　管外空氣的擊穿特性以及外殼沿面閃絡(luò)特性

　　1.1　管外的空氣擊穿特性

　　標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣在低電壓下是很完善的介質(zhì)，基本不導(dǎo)電。而當(dāng)電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，電場(chǎng)能量將使電場(chǎng)中的氣體分子電離并產(chǎn)生雪崩式的電子繁流，使電場(chǎng)中有大量的電子和離子成為載流子在氣體中導(dǎo)電，導(dǎo)致氣體的擊穿。均勻電場(chǎng)中的空氣擊穿電壓符合巴申定律：

　　(1)

　　式中　p為壓力(pa); d為間隙距離(m); γ為二次電子發(fā)射系數(shù); a、b為常數(shù)。

　　式(1)的u-pd曲線(xiàn)如圖1所示。pd值在0.75 pa.m附近時(shí)，空氣擊穿電壓有一個(gè)最小值，以后u隨pd增加而單調(diào)增加且近似成正比。通常真空開(kāi)關(guān)管管外的空氣滿(mǎn)足pd＞0.75 pa.m的條件。p不變，所以管外空氣的擊穿電壓與間隙距離成正比。

　　1.1.1　電極形狀對(duì)氣體擊穿的影響　開(kāi)關(guān)管兩端的電極形狀決定著電極間的電場(chǎng)分布，擊穿電壓的大小與電極間的電場(chǎng)分布直接相關(guān)。通常，把電極間的平均電場(chǎng)強(qiáng)度eqv與最大電場(chǎng)強(qiáng)度emax的比值稱(chēng)作電極幾何形狀的利用系數(shù)，即η=eqv/emax.

　　式中eqv為外加電壓除以電極間距；emax是電極間隙中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度；η表征電場(chǎng)系統(tǒng)相對(duì)于均勻場(chǎng)的“低劣度”，其數(shù)值總是小于1.

　　對(duì)于給定氣壓的絕緣空氣來(lái)說(shuō)，工頻擊穿電壓vδ=ηes.d, es是空氣介質(zhì)擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度，其值約是峰值2.5～3 kv.

　　由此可見(jiàn)，空氣間隙承受工頻擊穿電壓的水平取決于η值，均勻場(chǎng)(η=1)時(shí)擊穿電壓值最高，隨著電場(chǎng)不均勻性的增加，擊穿電壓下降�，F(xiàn)在真空開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)者都在致力于使管子本身的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，動(dòng)靜端配件對(duì)稱(chēng)，這樣會(huì)明顯改善管子的工頻耐壓能力。但在絕緣外殼的設(shè)計(jì)中，仍當(dāng)做不均勻電場(chǎng)處理，這樣可靠性更高。

　　1.1.2　電壓波形對(duì)擊穿特性的影響　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：均勻電場(chǎng)中的空氣擊穿電壓實(shí)際上與所施加的電壓波形無(wú)關(guān)，間隙的沖擊電壓擊穿水平與工頻峰值擊穿電壓相同。而在非均勻電場(chǎng)中，擊穿電壓的大小與電壓波形有很大關(guān)系。沖擊電壓的擊穿水平要高于工頻電壓的擊穿水平。圖2是空氣間隙的脈沖擊穿示意圖。當(dāng)所加電壓是工頻電壓時(shí)，間隙在電壓u0時(shí)被擊穿，而在一定形狀的脈沖電壓下，間隙的擊穿則在較高的電壓um處發(fā)生。比值β=um/u0稱(chēng)做脈沖系數(shù)。它表征脈沖擊穿電壓高于工頻擊穿電壓的程度。實(shí)質(zhì)上β是由空氣介電性能的變化時(shí)間所決定的。當(dāng)脈沖電壓越過(guò)u0時(shí)，間隙并未擊穿，而在其后延時(shí)τ后才擊穿。時(shí)延τ就是使擊穿過(guò)程在一定條件下能夠完成所需的時(shí)間。這也說(shuō)明氣體的介電性能不能突變，只能以有限的速率發(fā)展。

　　根據(jù)空氣擊穿理論可以導(dǎo)出脈沖系數(shù)β與時(shí)延τ之間的關(guān)系式中，a是一個(gè)由電極和脈沖形狀決定的系數(shù)。擊穿時(shí)延時(shí)τ越小，則脈沖系數(shù)越大。如果施加到間隙上的脈沖電壓的持續(xù)時(shí)間小于擊穿所需時(shí)間τ，則間隙可以承受較高的脈沖電壓而不被擊穿。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)脈沖寬度為10-5秒時(shí)，β就開(kāi)始大于1，當(dāng)脈沖寬度為10-6秒時(shí)，β值可達(dá)1.8左右。這就是國(guó)標(biāo)gb311沖擊耐壓試驗(yàn)的制定根據(jù)，也是絕緣外殼設(shè)計(jì)的原始根據(jù)之一。

　　1.2　外殼沿面閃絡(luò)特性

　　電極間加入絕緣外殼后，相當(dāng)于填充了固體介質(zhì)，固體介質(zhì)的表面閃絡(luò)電壓，要比相同電極間距下沒(méi)有固體介質(zhì)時(shí)的空氣擊穿電壓低些。固體介質(zhì)的表面閃絡(luò)是由于介質(zhì)表面的某些缺陷使表面電場(chǎng)畸變所導(dǎo)致的。例如：大氣中的污穢如工業(yè)粉塵等，會(huì)吸收大氣中的水份，形成導(dǎo)電膜，如果空氣中水份附著在臟的固體介質(zhì)表面上，總會(huì)有某些污穢的成分能溶于水而形成電解液。在外加電壓下會(huì)產(chǎn)生流過(guò)污穢層的泄漏電流，由此泄漏電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)驅(qū)使表面水份蒸發(fā)，從而提高了表面膜層的電阻率。由于導(dǎo)電膜的不均勻性，形成了比膜層其它部分具有更高電阻率的小區(qū)域。結(jié)果，施加電壓的大部分加在這些小區(qū)域上，形成了許多小規(guī)模的放電區(qū)，造成周?chē)目諝獗粨舸�，進(jìn)而延伸導(dǎo)致介質(zhì)表面的整體閃絡(luò)。因此，表面閃絡(luò)電壓明顯地受介質(zhì)材料的表面吸潮特性以及環(huán)境污染程度、空氣濕度的影響。表面閃絡(luò)的形成過(guò)程要求電極上的電壓相對(duì)持久地保持同