真空断路器

高压电器
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1.01105 Pa ~ 1.33102 Pa （2）低真空：真空压力范围为1.33102 Pa ~ 1.33101 Pa （3）高真空：真空压力范围为1.33101 Pa ~ 1.33106 Pa （4）超高真空：真空压力范围为1.33106 Pa ~ 1.331010 Pa （5）极高真空：真空压力范围为1.331010 Pa
• 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
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• 理想的真空间隙是指电极表面光滑的真空间隙。
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
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• 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
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（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。
• 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。
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• 这三种引起真空Biblioteka Baidu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。
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真空断路器
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• 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)
（2）微粒击穿机理
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• 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。
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（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。
• 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。
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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。