絕緣設計 - 避免電場擊穿

設計有效的絕緣避免電場擊穿，會需要考量絕緣材料、適當的絕緣厚度、避免汙染、適當的設計和結構...等。簡而言之，設計有效的絕緣需要考慮多個因素，並根據具體情況制定適當的絕緣措施。軟體也可以是幫助設計的重要一環。

在 Maxwell中，用戶可以通過創建3D圖形來模擬電力線的場流線圖。 所選幾何體上的種子點只能均勻採樣。 場流線將基於量矢量方向從種子點向前追踪通過完整求解的模型，且不考慮不同對象的不同材料屬性（例如電導率等）。在某些情況下，重要的是針對不同的材料以不同的方式追踪數量矢量（例如，沿著具有介電材料屬性的物體的外表面追踪等）。 此外，重要的是允許用戶從用戶真正關心的特定點進行追踪（例如，具有最大場值的表面等）。

另一個重要的用例是評估電力變壓器和其他高壓設備的絕緣設計，設計工程師希望找到一個或多個可能的關鍵路徑進行擊穿分析。此功能會允許使用者根據不同模擬的不同材料以不同方式追踪場線。 它還使用戶可以更好地控制從何處開始跟踪。 在視覺上，允許用戶突顯選定的軌跡線。 以跡線數據為基礎，進一步計算，幫助用戶計算累積應力，進行擊穿分析。

GIS的絕緣模擬

以GIS的絕緣模擬來說，如圖1-1。

GIS (Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣開關設備) 的絕緣模擬，是指利用電磁場模擬軟體（如 Ansys Maxwell、COMSOL），針對 GIS 內部的高壓絕緣結構進行電場分析，以確保設備在運行電壓或雷擊突波下不會發生 閃絡 (Flashover) 或 擊穿 (Breakdown)。

由於 GIS 將高壓導體封裝在充滿絕緣氣體（通常是 六氟化硫，或新型環保氣體）的金屬桶槽內，內部空間非常狹窄，因此電場控制 (Electric Field Stress Control) 是設計成敗的關鍵。

首先需要建立3D模型與材料設定，如圖中的模型為GIS中一部分，黃色部件為銅導體電壓110×√2kV; 綠色為絕緣盆子，介電常數5.3；透明部件為鋁外殼，電壓為0；我們使用靜電場求解。

選擇表中全部電力線（場圖中的電力線也同時被選中），點擊evaluate，軟體會計算critical length臨界長度和U inception臨界電壓。 這兩個數據可以做絕緣材料的選擇參考。GIS 的絕緣模擬，本質上就是一場「消除尖端場強」與「保護三相點(註)」 的幾何優化遊戲。

「保護三相點」聽起來很抽象，但如果用簡單的物理圖像來解釋，它的目標只有一個：讓這個最脆弱的點「感受不到」電場。在 GIS（氣體絕緣開關）中，三相點是指 金屬（導體）、固體（絕緣子/Epoxy）、氣體（SF6） 這三種材料交會的那一條線（在 2D 截面上是一個點）。

在三相點附近的氣體側，電場強度會瞬間放大約 4 倍！ 此外，如果金屬表面和絕緣體表面之間有微小的夾角（Wedge），電場會在尖角處形成 奇異點 (Singularity)，理論上電場趨近無限大。

如果不保護它： 這個點會最先發生 局部放電 (Partial Discharge)，放電會燒蝕 Epoxy 表面，形成碳化通道，最後導致整個絕緣子沿面閃絡 (Flashover) 爆炸。

圖1-1

兩導體電場評估

第二個例子是兩個導體其中間是介質與空氣。我們利用模擬來設計金屬導角。通過繪製電力線，來評估電極形狀。如圖1-2。製作成電場動畫更能理解金屬導角對電場的影響，如圖1-3。

圖1-2

圖1-3

延伸上面模擬，我們在第一層金屬上面加介質層來觀測電場跳耀的情形。

圖1-4

金屬放電觀察

第三個例子，是一個125V的金屬放電觀察。在當中有銅與Epoxy和空氣層。藉由繪製電力線可以觀測金屬放電的情形來設計絕緣。

圖1-5

Summary

在 Ansys Maxwell 中做絕緣設計，並不是看「電阻」有多大，而是看 「電場強度」 (Gradient of Voltage) 是否超過了材料的極限。

• 輸入: 幾何結構 + 電壓 + 介電常數 ($\varepsilon_r$)。

• 輸出: 電場分布 ($V/m$)。

• 決策: $E_{max} < E_{breakdown} \times \text{Safety Margin}$。

總結來說，要設計有效的絕緣來避免電場擊穿，要考慮以下因素：

1. 選擇適當的絕緣材料：絕緣材料應具有高的耐電壓和絕緣強度，以防止電場穿透。常見的絕緣材料包括橡膠、塑料、玻璃、瓷器等。

2. 適當的絕緣厚度：絕緣材料的厚度應足夠以防止電場穿透。厚度的選擇取決於設計電路的電壓等級和絕緣材料的耐電壓等級。

3. 絕緣材料的檢查：在製造過程中應該對絕緣材料進行檢查，以確保它們符合規格，沒有裂縫、氣泡或其他缺陷。

4. 避免污染：絕緣材料應該保持乾燥和清潔，以防止污染物導致局部放電和擊穿。

5. 適當的設計和結構：應該設計適當的結構和間距，以防止電場激發放電。

6. 測試：在使用絕緣材料前，應對其進行電壓測試，以確定其耐壓水平。

總而言之，設計有效的絕緣需要考慮多個因素，並根據具體情況制定適當的絕緣措施，善用模擬可以做到最佳化並且節省未來開發的時間。