1　引言
　　SF₆气体绝缘开关装置（GIS）中的开关操作会在GIS中产生波头极陡并伴有高频振荡的快速暂态过电压^［1，2］（VFTO），尽管VFTO幅值并不高，一般不超过2．5pu^［3，4］，但它所造成的较高电压等级的GIS事故率却超过了雷电冲击（LI）和操作冲击下的事故率^［3］，因此研究快速暂态过电压下GIS的击穿特性及机理对进一步提高GIS的运行可靠性具有重要意义。
　　由于GIS中的SF₆气体对电场不均匀性非常敏感，因此GIS在设计时一般采用均匀或稍不均匀场结构，但在制造和运行中难免会产生由于导电微粒等原因所导致的电场集中^［5］，从而导致GIS的绝缘水平严重下降。有关雷电冲击下SF₆气体中不均匀场的击穿特性，国内外已有大量研究，基本达成共识^［6，7］。但对VFTO作用下GIS的绝缘特性及其造成GIS绝缘击穿事故的原因迄今为止还没有一个明确的结论^［8～10］。为此，本文对在VFTO作用下SF₆气体间隙及绝缘子沿面放电特性进行了研究，以期对VFTO造成的GIS绝缘事故作出合理的解释。
2　快速暂态过电压的模拟
　　对VFTO作用下的SF₆气体放电特性进行研究时，可采用的实验装置有2种：一种为GIS真实母线段，靠GIS中的隔离开关操作产生快速暂态过电压，以此研究SF₆气体间隙及绝缘子沿面放电特性。该方法的缺点是波形不易调节。另一种为叠加高频振荡的陡波发生装置。利用该装置对VFTO进行模拟主要有2点考虑^［3］：一为实际VFTO的上升时间很短，一般为几ns到几十ns，所以要求模拟波形的上升时间也要短；二为实际GIS中的VFTO虽然含有丰富的频率分量，但只有某一种频率占主导地位，其频率范围一般在0．1～10 MHz，其余高频分量幅值较小且衰减很快，对绝缘威胁不大。为此，可用叠加高频振荡的陡波来模拟实际中的VFTO。本文主要采用后一种方法，其试验线路如图1所示。

                 
　　通过减小回路电感和回路电阻及采用陡化间隙等措施，可在试验室内产生上升时间为50ns，振荡频率高达20MHz的快速振荡冲击电压（以下简称FOI）。试验用分压器由于其体积较小，可紧靠试品，其方波响应时间约为4．5ns^［11］，基本满足对FOI测量的要求。
3　FOI下SF₆气体间隙的击穿特性
　　图2示出了正极性电压作用下SF₆气体中针板间隙的U_50％－P关系曲线（针板间隙距离为2cm）。由图可见：随着气压增加，在各种电压波形作用下的放电电压也都随之上升，并没有发现明显的驼峰现象，这说明空间电荷的影响不大；当气压增加到0．2MPa后，击穿电压呈饱和现象。另外还可以看出，振荡频率为1．25、8MHz的FOI作用下的击穿电压均高于雷电波下的击穿电压。而陡波作用下的击穿电压则略低于雷电波下的击穿电压。这说明对于极不均匀场，SF₆间隙在VFTO作用下的击穿电压并不会低于LI作用下的击穿电压。
                 　　

　　考虑到GIS绝缘配合的需要，人们更关心的是SF₆在不同电压波形作用下的伏秒特性，因此有必要了解SF₆气隙在FOI和LI下的伏秒特性。图3示出了正极性电压下SF₆尖板间隙的伏秒特性。由图可见，正极性LI下的V－t曲线比较平坦，出现上翘时的放电时延较长，且上翘速度慢。相比而言，在FOI的作用下，V－t曲线出现上翘时的放电时延较短（对于1．25MHz的FOI约为500ns，4MHz的FOI约为200ns，8MHz的FOI约为100ns），上翘的速度也较快。另外，雷电波、陡波、1．25MHz的FOI各自作用下的V－t曲线下包线基本持平。
                　　

　　总之，对于SF₆气隙，快速暂态过电压作用下伏秒特性的下包线要高于雷电波和陡波作用下的结果。而雷电波作用下的伏秒特性曲线略高于陡波作用下的结果。击穿时延取决于波头的陡度，即波头越陡，击穿时延越短。根据以上结果，可以认为，对于极不均匀场，快速暂态过电压并不比雷电波更容易使SF₆气隙击穿。
4　FOI下SF₆气体中绝缘子的沿面闪络特性
　　GIS中的支撑绝缘子通常是绝缘最薄弱的环节，特别是GIS在加工、装配过程中以及开关操作时的电弧燃烧都会产生一些导电微粒，微粒在电场作用下很容易附着在绝缘子表面，使绝缘子沿面闪络电压降低。因此，研究支撑绝缘子在快速暂态过电压作用下的沿面闪络特性具有更重要意义。在本试验中，采用在绝缘子表面粘附细针方法来模似实际中绝缘子表面有导电微粒附着时的情况，详见文献［12］。图4和图5分别示出了在正极性FOI作用下的试验结果。

　　由图4可看出，在较低气压下，FOI下的击穿电压比雷电波及陡波下的击穿电压高，出现饱和时的气压约为0．2MPa，当气压进一步升高时，FOI、雷电波及陡波下的击穿电压都呈下降趋势，但FOI作用下击穿电压的下降速度比雷电波及陡波快得多。所以在一定程度上可以说明，工作气压下（一般为0．4 MPa）绝缘子沿面在FOI作用下比雷电波及陡波作用下要危险得多。比较图5与图3中的伏秒特性可看出，与SF₆气隙相比，绝缘子闪络伏秒特性有很大不同，具体表现在：
                       

                       
    （1）伏秒特性曲线相对比较平坦。
　　（2）振荡频率为1．25MHz和4MHz的FOI的伏秒特性下包线低于雷电波及陡波的伏秒特性下包线，且伏秒特性曲线成U形。
　　由于波头为90ns的陡波与4MHz的FOI的上升时间差不多，而前者作用下的闪络电压仍然高于后者，这说明振荡的波尾对绝缘子闪络电压有较大的影响。为探讨FOI作用下绝缘子沿面闪络电压下降的原因，本文采用光电倍增管分别对雷电冲击下及FOI作用下预放电的发光过程进行光电检测^［13］，结果如图6所示。
　　由图6的预放电发光可看出，LI与FOI作用下的预放电是完全不同的。LI作用下的预放电是不连续的，只在波头附近发生；而FOI作用下的预放电是连续的，并具有一定的周期性（周期为FOI振荡频率的2倍），发生放电位置分别对应于振荡波的波峰和波谷处。出现此现象的原因可解释为：在振荡波的波峰处，在金属导电微粒附近形成流注电晕并在绝缘子上积累了一定的空间电荷。当振荡电压下降时，空间电荷形成反电场，当反电场达到一定程度后便形成逆放电。由于实际GIS中的VFTO衰减速度比较慢，这种持续的预放电很容易造成绝缘子的沿面放电。
                     
5　结论
　　本文对FOI作用下的SF₆气隙及绝缘子沿面放电特性进行了研究。结果表明，FOI作用下的SF₆气隙击穿电压并不比LI作用下的击穿电压低。而在实际应用气压范围（0．4～0．5MPa）内，当绝缘子表面存在由金属微粒或表面电荷积聚等原因而形成的局部电场集中时，FOI作用下的绝缘子沿面放电电压低于LI作用下的沿面放电电压。这一结果有助于解释VFTO造成GIS绝缘击穿事故的原因。