真空灭弧室基础知识及应用简介

一真空灭弧室的基本知识

1什么是真空

真空是指在给定的空间内，远低于一个环境大气压的气体状态。真空状态下气体的稀薄程度通常用真空度来描述,以压强值来表示。

l大气压= 760mmHg×133.3Pa/mmHg＝1.013×105Pa（帕斯卡）或0。1013MPa

压强越高则真空度越低；压强越低则真空度越高。

2什么是真空灭弧室

真空灭弧室也叫真空开关管或真空泡，是真空开关的核心器件。它是用一对密封在真空中的电极(触头）和其它零件，借助真空优良的绝缘和熄弧性能，实现电路的关合或分断，在切断电源后能迅速熄弧并抑止电流的真空器件。

3真空灭弧室的工作原理

要说明真空灭弧室的工作原理必须要弄清楚电弧、真空电弧、扩散电弧、集聚电弧、横向磁场、纵向磁场的概念

3.1电弧

电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。放电在性质上和外观上是各种各样的。在正常状态下，气体有良好的电气绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上足够强的电场时，就可以引起电流通过气体，这种现象称为放电。放电现象与气体的种类和压强、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。例如在正常状态下,给气体间隙两端的电极加电压到一定程度时，空气中游离的电子在电场作用下高速运动，与气体分子碰撞后产生较多的电子和离子。新生的电子和离子又同中性原子碰撞,产生更多的电子和离子，使气体开始发光，

两电极变为炽热,电流迅速增大。这种性质上的转变称为气体间隙的击穿，其所需的电压称为击穿电压.这时,由于电场的支持，放电并不停止，故称为自持放电。电弧则是气体自持放电的一种形式.电弧具有电流密度大和阴极电位降低的特点。

3。2真空电弧

在真空环境中，气体非常稀薄,真空度高于1.33x10—2Pa时气体分子极少。在1.33x10-2Pa的真空中，每立方厘米空间中含有的气体分子数仅为标准大气压环境下的千万分之一.在这样稀薄的气体中即使真空间隙中存在电子，它们从一个电极飞向另一个电极时,也很少有机会与气体分子碰撞造成真空间隙的电击穿。

真空中电极间电弧是这样产生的:当触头行将分离前,触头上原先施加的接触压力开始减弱，动静触头间的接触电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加.在触头刚要分离瞬间,动静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上，接触电阻急剧增大，同时电流密度又剧增,导致发热温度迅速提高，致使触头表面金属产生蒸发.同时微小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强烈的场致发射，间隙击穿，继而形成真空电弧。真空电弧一旦形成，就会出现电流密度在104A/cm2以上的阴极斑点,使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发,以维持真空电弧。在电弧熄灭后，电极之间与电极周围的金属蒸气迅速扩散，密度快速下降直到零，触头间恢复高真空绝缘状态。

3.3真空电弧的形态

真空中的电弧有两种形态，扩散型电弧和集聚型电弧。

3。3。1扩散型真空电弧

当真空电弧电流不大时，对于铜电极来说一般不超过7～8KA,阴极斑点将不停地运动，通常是由电极中心向边缘运动.当阴极斑点到达边缘，等离子锥便弯曲，接着阴极斑点就突然熄灭,在电极中心又会继续不断地产生新的阴极斑点。如果电流保持不变，阴极表面存在的阴极斑点数基本上维持不变。当电弧电流增大或减小时，阴极斑点也随之增加或减少.这种存在许多阴

极斑点的真空电弧，随着阴极斑点的运动不断地向四周扩散，所以叫扩散型真空电弧。见图一 3。3.2集聚型真空电弧

当真空电弧电流很大时，如对铜电极而言,当电弧电流超过10KA 时,电弧的外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，而是相互吸引,结果所有的阴极斑点都聚集成一个斑点团,阴极斑点团的直径可达1~2CM.此时阳极上出现了阳极斑点，阴极表面和阳极表面均有强烈的光柱，阴极光柱与阳极光柱自由地向电极的四周扩散成为数条连续的闪光，有时偶尔也与电极平行。真空电弧一旦聚集，阴极斑点与阳极斑点便不再移动或以很缓慢的速度运动,阳极和阴极表面被局部强烈加热，导致严重熔化，这种真空电弧叫做集聚型真空电弧。见图一

真空电弧中出现阳极斑点对真空灭弧室来说是一个不祥之兆，往往会导致电极的严重熔化，并产生过量的金属蒸汽.在真空灭弧室分断工频交流电弧时，电流过零后，这些过量的金属蒸汽在电极间还将持续一段时间，这时电极间的介质恢复速度降低,从而很可能导致真空灭弧室的分断失败。

扩散型真空电弧 扩散型真空电弧 集聚型真空电弧

图一 真空电弧

3.4真空灭弧室的灭弧原理 3。4。1真空电弧的熄弧条件

真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧必须将电弧电流

阳极

阴极 阳极

阴极

减小到一定程度，不足以维持电弧的时候才有可能将其熄灭。在交流情况下，真空电弧电流有很多个过零的时刻，这就给出了熄弧的条件；在直流情况下，必须设置一个电力转向装置，使直流真空电弧电流有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。

3.4。2小电流真空电弧的熄弧原理

真空灭弧室切断交流真空电弧成功与否，与触头之间弧区电流过零前的金属蒸汽浓度密切相关。当电流过零前弧区的金属蒸汽浓度很小时，电弧在电流过零时不足以维持便熄灭;反之当电流过零前弧区的金属蒸汽浓度很大，在电流过零时仍足以维持，电弧便不会熄灭。金属蒸汽来自触头的电弧斑点，电弧斑点和金属蒸汽都随着电弧电流瞬时值的增减而变化.电弧电流过零点前一小段时间里，触头间金属蒸汽浓度降低的速度取决于电弧斑点的冷却时间常数。

小电流真空电弧是一种扩散型电弧。对于扩散型电弧,它只有阴极斑点而无阳极斑点，各分支电弧均布于触头表面上且处于移动状态.所以触头表面电弧斑点熔区的面积小，深度浅，热惯性小,其冷却时间常数仅有数微秒，有足够的时间让阴极斑点冷却，因此金属蒸汽浓度低。金属蒸汽在温差、浓度差和压力差的作用下迅速向弧区外扩散。这样，当电弧电流过零时，电弧便不能维持而熄灭。

3.4。3大电流真空电弧的熄弧原理

大电流真空电弧是一种集聚型真空电弧。集聚型电弧会产生阳极斑点，从而导致电极的严重熔化，并产生过量的金属蒸汽。在真空灭弧室分断工频交流电弧时，电流过零后，这些过量的金属蒸汽在电极间还将持续一段时间，电极间的介质恢复速度降低,从而很可能导致真空灭弧室的分断失败。

因此，为了熄灭大电流真空电弧，必须要采取一定措施，避免阳极斑点的产生，从而避免产生过量的金属蒸汽。为了能开断10KA及以上的短路电流，设计时采取了在触头间施加横向磁场或纵向磁场,从而实现真空灭弧室开断大电流的功能。