真空断路器结构、特点概述
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真空断路器结构、 特点概述
• 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)
真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域
（1）粗真空：真空压力范围为1.01105Pa~1.33102Pa （2）低真空：真空压力范围为1.33102Pa~1.33101Pa （3）高真空：真空压力范围为1.33101Pa~1.33106Pa （4）超高真空：真空压力范围为1.33106Pa~1.331010Pa （5）极高真空：真空压力范围为1.331010Pa
• 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。 气体分子的碰撞电离基本不起作用，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。
• 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。
• 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。
（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。
• 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。
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。
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
（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。
（2）Hale Waihona Puke Baidu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电离，最终导致间隙的击穿。
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 生碰撞电离，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。
• 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。
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。
• 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)
真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域
（1）粗真空：真空压力范围为1.01105Pa~1.33102Pa （2）低真空：真空压力范围为1.33102Pa~1.33101Pa （3）高真空：真空压力范围为1.33101Pa~1.33106Pa （4）超高真空：真空压力范围为1.33106Pa~1.331010Pa （5）极高真空：真空压力范围为1.331010Pa
• 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。 气体分子的碰撞电离基本不起作用，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。
• 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。
• 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。
（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。
• 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。
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。
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
（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。
（2）Hale Waihona Puke Baidu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电离，最终导致间隙的击穿。
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 生碰撞电离，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。
• 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。
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。