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电力开关设备及应用（高压电器部分）真空断路器电力开关设备及应用（高压电器部分）利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低干正常大气压力的状态都可称为真空状态。绝对压力等于零的空间称为绝对真空，这才是真正的真空或理想的真空。真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真空度越高。在国际单位制中，压力以帕(Pa)为单位。一个工程大气压约为0.1MPa(兆帕)。过去习惯使用毫米汞柱(mmHg)或托(Torr)电力开关设备及应用（高压电器部分）真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域真空灭弧室的真空度(即真空压力值)在10-4Torr一10-7Torr，即1.33×10-2Pa—1.33×10-5Pa，属于高真空范畴。在这样高的真空度下，气体的密度很低，气体分子的平均自由路程很长，因此触头间隙的绝缘强度很高。5221166101011.0110~1.331021.3310~1.331031.3310~1.331041.3310~1.331051.3310PaPaPaPaPaPaPaPaPa（）粗真空：真空压力范围为（）低真空：真空压力范围为（）高真空：真空压力范围为（）超高真空：真空压力范围为（）极高真空：真空压力范围为电力开关设备及应用（高压电器部分）真空开关电器发展简述早期的理论研究阶段。利用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就已提出，20世纪20年代制造出了最早的真空灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制，当时并未实现实用化。深入的理论研究和关键工艺发展的阶段。20世纪50年代以后，随着电子工业发展起来的许多新技术，解决了真空灭弧室制造中的很多难题，使真空开关逐渐达到实用水平。50年代中期美国通用电气公司批量生产12kV额定短路开断电流为12kA的真空断路器。随后在50年代末由于发展了具有横向磁场触头的真空灭弧室，使额定短路开断开断电流提高到30kA的水平。真空开关电器的全面发展预广泛应用阶段。70年代后，日本东芝电气公司研制成功具有纵向磁场触头的真空灭弧室，使额定开断电流又进一步提高到50kA以上。目前真空断路器已广泛用于10kV、35kV配电系统中，额定短路开断电流已能做到50kA—100kA。电力开关设备及应用（高压电器部分）一、真空间隙的绝缘特性理想的真空间隙是指电极表面光滑的真空间隙。高真空间隙中，气体分子的平均自由行程很长，比真空开关中的触头间隙距离大一个数量级。气体分子的碰撞游离基本不起作用，这就是高真空间隙具有很高绝缘强度的根本原因。高真空间隙的绝缘强度比变压器油、高压力的压缩空气和六氟化硫气体高得多。随着间隙距离的增大，高真空间隙的绝缘强度出现“饱和现象”，即距离过分增大，击穿电压增加不多。电力开关设备及应用（高压电器部分）1.真空间隙的击穿机理大量研究表明，真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引起，而主要由电极现象决定。随着电极表面温度和外加电场强度的增大，电极表面电子发射的电流密度也增大。实验证明，当电流密度达到某一临界值时，真空间隙就被击穿了。如果只考虑电场作用，要产生间隙击穿，电场强度必须达到109V/m以上。但实际情况下的电场强度值要小得多，例如1cm长的高真空间隙的击穿电压约为100kV，相应的电场强度为107V/m。电力开关设备及应用（高压电器部分）（1）场致发射击穿机理电极表面微观凹凸不平。实际电极表面微观结构是凹凸不平的．存在有很多微小的局部突起点，在这些微凸处，电场将局部增强，实验及计算都能证实，这些微凸处的电场强度是间隙平均电场强度的10倍一l00倍。电极表面杂质。电极表面杂质和氧化膜使电极表面的电子逸出功减小，使场致发射容易发生。电极表面局部发热。发射电子的微小凸起点有一定的电阻，发射电子时会使这些微小凸起点局部发热熔化和蒸发，产生大量的金属蒸气，从电极表面发射的电子穿过间隙时会与这些金属蒸气的原子和分子产生碰撞游离，出现与气体间隙相似的击穿过程，容易造成间隙击穿。按照场致发射的击穿机理，击穿的发生是以一定临界击穿电场强度条件，因此真空间隙的击穿电压应与间隙距离成正比，这与小间隙下击穿电压的试验结果是一致的。电力开关设备及应用（高压电器部分）（2）微粒击穿机理电极表面不可避免地总会粘有一些微粒质点，它们在电场作用下会附着电荷运动，具有一定的动能。如果电场足够强，微粒直径又适当，在穿过间隙到达另一电极时已经具有很大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，使微粒本身熔化和蒸发，蒸发产生的金属蒸气又会与场致发射的电子产生碰撞游离，最终导致间隙的击穿。根据微粒击穿机理，真空间隙的击穿电压与间隙距离0.5次方成正比。电力开关设备及应用（高压电器部分）（3）电极的二次发射间隙中的正离子和光子等，撞击阴极而引起二次电子发射，或加强了场致发射而引起绝缘击穿。当电极表面吸附了许多气体和有机物时，从阴极放出的一次电子在电极间加速并打击阳极。阳极受到一次电子打击后，其表面的气体电离，产生正离子和光子，它们再受电场的作用，加速后又打到阴极上，使阴极发射二次电子。这一过程反复进行下去，如果二次电子不断增加，使间隙中的带电粒子数越来约多，电流将迅速增大，造成真空间隙的击穿。电力开关设备及应用（高压电器部分）这三种引起真空击穿的原因并不是孤立的、是相互关联而又同时发生作用的。许多研究者认为；当真空间隙(电极间距离)很小时，击穿主要由场致发射引起；真空间隙较大时，微粒的作用成为击穿的主要原因。而电场的二次发射造成击穿的可能性极小。真空中的绝缘击穿电压，根据电极材料与表面状态的不同而有显著差别。通常，电极材料的熔点或机械强度越高其绝缘击穿电压也越高。在电极表面有突起的部分时，其耐压强度即显著降低。为消除此种电极表面的突起，需要进行放电处理(老炼处理)。此外，电极表面附着有气体或有机物时，在较低电压下即发生绝缘击穿，因此，必须注意使电极表面非常清洁。真空间隙击穿所需时间极短，一般在数十至一百多纳秒内。真空击穿初始阶段的电流由间隙的分布电容贮能提供，当电源功率足够大时，击穿才能发展成真空电弧。在电力系统中，电源功率很大，所以其中触头间的击穿通常都能转变成真空电弧。电力开关设备及应用（高压电器部分）2.影响真空间隙击穿电压的因素（1）真空间隙距离电力开关设备及应用（高压电器部分）（2）真空度电力开关设备及应用（高压电器部分）（3）电极材料1——铜—铬合金；2——铜—铋合金电力开关设备及应用（高压电器部分）（4）电极表面状况电力开关设备及应用（高压电器部分）电压老炼就是通过放电消除电极表面的微观凸起、杂质和缺陷。经过小电流的放电使表面的微观凸起点烧熔、蒸发，使电极表面光滑平整，局部电场的增强效应减小，提高了击穿电压。老炼对电极表面的纯化作用也是很重要的。由于电极表面的电子发射容易出现在逸出功较低的杂质所在处，击穿放电同样能使杂质熔化和挥发，同样能提高间隙的击穿电压。老炼过程中若能同时抽气，把蒸发的气态物抽走，效果更佳。电压老炼只适宜用在真空间隙击穿电压的提高，对真空灭弧室触头间隙击穿电压的提高不会有太大的效果。电弧对触头表面的饶损将使电压老炼的效果全部失效。电流老炼是让真空灭弧室多次(几十次到几百次)开合几百安的交流电流。利用电弧高温去除电极表面一薄层材料，使电极表面层中的气体、氧化物和杂质同时除去。电流老炼的作用主要是除气和清洁电极表面，对真空灭弧室开断性能的提高有一定的改善作用。（5）电极老炼电力开关设备及应用（高压电器部分）二、真空电弧的形态、特性及其熄弧原理不管触头表面如何平整，微观上看总是凹凸不平的。两触头接触时只有少数表面突起部分接触，通过电流。接触点的多少和接触面积的大小与接触压力有关。当触头在真空中开断电流时，随着触头分开，接触压力减小，接触点的数量和接触面积也随之减少，电流集中在愈来愈少的少数接触点上，损耗增加，接触点温度急剧升高，出现熔化。随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断裂产生金属蒸气。金属蒸气的温度很高，部分原子可能产生热电离，加上触头刚分离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温、强电场的作用下又会发射出大量电子，并很快发展成温度很高的阴极斑点。而阴极斑点又会蒸发出新的金属蒸气和发射电子，这样触头间的放电将转变为自持的真空电弧了。由此可见，维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子，真空电弧实为金属蒸气电弧。1.真空电弧的形成金属蒸气来自触头材料的蒸发，因此电极材料的特性对真空电弧的性质起支配作用。电极现象是研究真空电弧的出发点和重要内容。电力开关设备及应用（高压电器部分）2.扩散型和集聚型（收缩型）真空电弧当铜电极上电弧电流小于100A时，阴极一般只存在一个高温的发光斑点——阴极斑点。阴极斑点的电流密度很高。阴极斑点是发射电子和产生金属蒸气的场所。电子与金属蒸气的原于碰撞会游离出新的电子和正离子，这些电子和正离于依靠自身的动能朝向阳极运动过程中还会向径向密度低的地区扩散，因此呈现出一个圆锥状的微弱发光区域。圆锥的锥顶就是阴极斑点，朝着阳极发散，锥顶角约60度。圆锥内有着大量的离子、原子和电子，其中正离子和电子的数量大致相同。这就是真空电弧的等离子区，又称弧柱区。在锥体以外地区，粒子的密度是很低的。真空电弧有两种形态．即小电流(几千安)下的扩散型真空电弧和一万安以上大电流的集聚型真空电弧。电力开关设备及应用（高压电器部分）随着电弧电流的增大，阴极斑点的数量也会增加，但每一阴极斑点仍有自己的等离子区锥体，相邻的锥体也可能重叠。阴极斑点在阴极表面不停地运动，通常是由电极中心向边缘运动。当阴极斑点到达电极边缘时，等离子区的锥体弯曲，接着阴极斑点突然消失，而在电极中心又会出现新的斑点。有时阴极斑点也会自动分裂产生新的阴极斑点。这种阴极斑点不断消失、不断产生且向边缘扩散的真空电弧称为扩散型真空电弧。扩散型电弧的特点是阴极斑点数量多，且不断在阴极表面运动，电弧间隙中同时存在着很多个并联支弧，而阳极表面尚未形成高温的阳极斑点。阴极斑点的数量与电弧电流的大小、阴极材料的熔点和热传导系数有关。材料的熔点越低，热传导系数越小，每一斑点通导的电流也越小。电力开关设备及应用（高压电器部分）当电弧电流大于某一临界值时，电弧外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周扩散而是集聚在一个或几个较大的面积上并出现阳极斑点，这种真空电弧称为集聚型真空电弧。通常认为出现了集聚型真空电弧形态即意味着达到了极限开断能力。集聚型真空电弧的弧柱区有很高的蒸汽压力，其电弧电压比扩散型有明显增加，使电弧能量更大。电力开关设备及应用（高压电器部分）3.真空电弧特性与高气压的电弧相同，真空电弧的电弧电压也由阴极压降、弧柱(等离子区)压降和阳极压降三部分组成。不同的是，前者以弧柱压降为主，而真空电弧的长度很短，对电弧电压起主要作用的是阴极和阳极压降。高气压电弧具有负的伏安特性，电弧电压随电流增大而减小；真空电弧则相反，它具有正的伏安特性，电弧电压随电流增大而增加。电力开关设备及应用（高压电器部分）4.磁场对真空电弧的影响横向磁场就是与弧柱轴线垂直的磁场。它与电弧电流作用产生的洛仑兹力能使电弧沿着圆周方向运动，能防止电弧长时间停留在电极表面的某些点上所造成的局部温度过高，从而抑制或推迟阳极斑点的产生，对提高真空开关的开断性能有明显的效果。横向磁场使电弧运动会把电弧弯曲拉长，电弧电压及电弧能量也将提高，又会使真空开关开断电流的提高受到一定限制。目前应用横向磁场原理制成的真空断路器的额定开断电流可达几十千安。(1)横向磁场电力开关设备及应用（高压电器部分）(2)纵向磁场与弧柱轴线平行的磁场称为纵向磁场，它对电弧的形态、抑制阳极斑点的形成、减小电弧电压有着显著的作用。从阴极斑点发射的电子和离子在向阳极方向运动时，会同时向四周密度较低的地区扩散，具有一定的径向速度。当存在纵向磁场强度时，电荷径向运动与纵向磁场产生的力是圆周方向的。它特约束径向运动的电荷绕着电