真空灭弧室结构及原理讲解

真空灭弧室结构及原理

◆ 电弧

◆ 真空和真空度

◆ 真空电弧

◆ 交流真空电弧

◆ 真空击穿

◆ 灭弧原理

◆ 真空灭弧室的寿命

1、电弧

电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。气体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大的电场时，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力、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压到一定程度时，普通空气中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，这时，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。

2、真空和真空度

低于1个大气压的气体状态，都称为真空。描述真空程度的量叫真空度，用该气体的压力大小来表示。

l大气压= 760×133.332Pa＝1.013×105Pa（帕斯卡）或0.1013MPa 真空技术中将广阔的真空度范围划分为粗、低、高、超高、极高等区域。其中高真空区域的气体压力为 10-1～10-6Pa，这一区域的后半段，即 1.33 ×10-3～1.33 ×10-6就是真空灭弧室通常采用的真空度

范围。

在高真空区域中，单位体积内的气体分子数目大大减少了，气体分子之间碰撞的几率大大减少，气体分子之间的平均距离大大增加。

真空度的高低对灭孤能力有影响。实验表明：灭孤室真空度在10-3Pa数量级时就能够可靠地灭弧。真空灭弧定制造厂在产品出厂时，提高了灭孤室的真空度，达到 10-5～ 10-6 Pa，待经过20年的使用或贮存期，或多或少产生外部渗气等现象使其真空度下降到10-3Pa范围，仍能保证它的灭孤能力。

3、真空电弧

在真空环境中，气体非常稀薄，残存气体的电离可忽略不记。一对带电触头在这种高真空环境中的分离，便会产生真空电弧。真空电弧是这样产生的：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，致令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密度不断下降直到零，仍然恢复高真空状态。

3.1真空中电弧的形式：

真空中的电弧有两种形式，扩散形电弧和收缩形电弧。

3.1.1扩散型真空电弧：

当真空电弧电流不大时，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。

3.1.2收缩型真空电弧

若用铜作电极，当电弧电流增加超过10000A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在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，这种真空电弧叫做收缩型真空电弧。

任何一种真空电弧对真空灭弧室的灭弧及其电气寿命均有重大不良影响。

4、交流真空电弧

上面介绍的扩散型电弧、收缩型电弧等，都是在直流情况下讨论的。但在交流电路中,上述的概念仍然适用。交流电流方向虽在交变，但每一个瞬时，或在很小一段时间内，电流仍是单向的，仍是直流，只不过其瞬时值不断在改变罢了。当运用于交流时，请记住下列动态变化：

5、真空击穿

真空击穿是一个综合的复杂的物理过程，主要因素有：真空度，电极材料，电极距离，压力的影响，老练作用，开断电流的大小，操作条件的影响等。

真空间隙的电击穿有两方面因素：一是场发射，一是微粒撞击。对于小间隙场致发射作用较大，大间隙中微粒撞击可能性较多。

1).场致发射--经过机械磨光和洗净的电极两面，微观上仍然存在凹凸不平，存在许多微米级的尖峰突出物，尖峰处的局部电场可能增加上百倍，会发射电子流。如果电极表面有杂质或氧化物存在，电极表面的逸出功会降低，场致发射更易产生。尖峰发射的电子流虽不大，但因其面积小，电流密度却很大，会使局部发热，不仅电子发射增强，还可能产生蒸发、熔化，释放出金属蒸气，金属原子又与发射电子碰撞造成游离，出现击穿。

2). 微粒撞击--电极表面总是存在一些金属微粒，微粒在电场作用下携带电荷离开电极，加速撞击对方电极，由动能转为热能，引起局部加热、汽化，释放大量金属蒸气，形成金属云，导致间隙击穿。

6、灭弧原理：

真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧的唯一方只有将电弧电流减小到一定程度，不足以维持电弧的时候才有可能将其熄灭。在交流情况下，真空电弧电流有一个过零的时刻，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，使直流真空电弧有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。

6.1灭弧方法和电极触头的选择

真空灭弧室切断交流真空电弧成功与否，与触头之间弧区过零前的金属蒸汽浓度密切有关，金属蒸汽来自电极触头的热斑点，热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，触头间金属蒸汽降低的速度取决于斑点的冷却时间常数。对于扩散型电弧，它只有阴极斑点而无阳极斑点，各支弧均布于触头表面上且处于移动状态，所以热斑点熔区的面积小，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，使金属蒸汽浓度足够的低，同时金属蒸汽因温差、浓度差和压力差的作用迅速向孤区外扩散，电弧不能维持而熄灭。对于收缩型电弧，则这些熄弧条件比扩散型电弧差劣许多。