真空斷路器工作原理及作用

    真空斷路器處于合閘位置時(shí)，其對(duì)地絕緣由支持絕緣子承受，一旦真空斷路器所連接的線路產(chǎn)生*接地故障，斷路器動(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被斷根，則有電母線的對(duì)地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受；各種故障開斷時(shí)，斷口一對(duì)觸子間的真柴油發(fā)電機(jī)組
真空斷路器處于合閘位置時(shí)，其對(duì)地絕緣由支持絕緣子承受，一旦真空斷路器所連接的線路產(chǎn)生*接地故障，斷路器動(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被斷根，則有電母線的對(duì)地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受；各種故障開斷時(shí)，斷口一對(duì)觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復(fù)電壓的感化而不產(chǎn)生擊穿。

是以，真空間隙的絕緣特點(diǎn)成為進(jìn)步滅弧室斷口電壓，使單斷口真空斷路器向高電壓等第成長的主要研究課題。真空度的表示編制 *壓力低于一個(gè)大年夜氣壓的氣體淡薄的空間，稱為真空空間，真空度越高即空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)越低。真空度的單位有三種表示編制:托（即1個(gè)mm水銀柱高，毫巴（103bar或帕（帕斯卡:Pa。（1托=131。

6Pa，1毫巴=100Pa我們通常所說真空滅弧室內(nèi)部的真空度要達(dá)10-4托是指滅弧室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)僅為"萬分之一mm水銀柱高"，亦即是1。31x10-2Pa。"派森定理"亦有譯為"巴申定律"，是指間隙電壓耐受強(qiáng)度與氣體壓力之間的關(guān)系。圖1表示派森定理的關(guān)系曲線呈"V"字形，即充氣壓力的增加或降低，都能進(jìn)步極間間隙絕緣強(qiáng)度。其擊穿機(jī)理至今還不清楚。

由于真空滅弧室內(nèi)部真空度高于10-4托，這樣淡薄空氣的空間，氣體分子的自由行程為103mm，在真空滅弧室這么大年夜小的容積內(nèi)，產(chǎn)生碰撞的機(jī)率幾乎是零。是以不會(huì)產(chǎn)生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實(shí)驗(yàn)得出的，前提是在平均電場的環(huán)境下，其間隙擊穿電壓Uj可表示為: Uj=KLa L間隙距離； a間隙系數(shù)（間隙5mm時(shí)，a=0。

5 由派森定理的"V"形關(guān)系曲線中看出，認(rèn)真空度達(dá)103托時(shí)呈現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)四周曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。認(rèn)真空度和間隙距離相同時(shí)，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料產(chǎn)生變化，電極材料機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高時(shí)，真空間隙的擊穿電壓亦隨之進(jìn)步。真空絕緣的粉碎機(jī)理 前面已說過，在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內(nèi)，氣體分子的自由行程很大年夜。

不會(huì)產(chǎn)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電感化下會(huì)擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會(huì)粉碎的機(jī)理，場致發(fā)射引發(fā)擊穿，微塊引發(fā)擊穿和微放電致使擊穿。場致發(fā)射論對(duì)真空間隙所以能產(chǎn)生擊穿的解釋 間隙電場能量集中，在電極微觀表面的突出部分產(chǎn)生電子發(fā)射或蒸發(fā)逸出，撞擊陽極使局部發(fā)熱，繼續(xù)放出離子或蒸汽，正離子再撞擊陰極產(chǎn)生二次發(fā)射，相互不斷積累。

zui后致使間隙擊穿。聞名的FowlerandNoraheim場發(fā)射電流I表達(dá)式為: I=AE2e-B/E 式中　E電場強(qiáng)度； A常數(shù)，與發(fā)射點(diǎn)的面積有關(guān)； B常數(shù)，與電極表面的逸出有關(guān)。在小的間隙（<1mm及短脈沖電壓環(huán)境下，可以公道地認(rèn)為真空間隙擊穿是由場致發(fā)射引發(fā)的，但在長間隙及持續(xù)加壓與長脈沖電壓下，有的學(xué)者認(rèn)為真空的擊穿尚存在其它機(jī)理: （1陰極引發(fā)的擊穿；在強(qiáng)電場下。

由于場發(fā)射電流的焦耳發(fā)熱效應(yīng)，使陰極表面突出物的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)光臨界點(diǎn)時(shí)，突出物熔化產(chǎn)生蒸汽引發(fā)擊穿。（2陽極引發(fā)的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束，轟擊陽極使某點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生熔化和蒸汽而產(chǎn)生間隙擊穿。產(chǎn)生陽極引發(fā)擊穿的前提與電場進(jìn)步系數(shù)和間隙距離有關(guān)。微塊引發(fā)擊穿的解釋 假設(shè)在電極表面附著較輕松的微塊，在電場感化下。

微塊脫落并且加速，這微塊撞擊對(duì)面的電極時(shí)，由于沖擊發(fā)熱可使其本身熔化產(chǎn)生蒸汽，引發(fā)擊穿。微放電致使真空間隙擊穿的解釋 電極的陰極表面沾污，將產(chǎn)生微放電現(xiàn)象。微放電是一種小的自按捺熄滅的電流脈沖，它的總放電電荷3107C，存在時(shí)間由50ms到幾ms，放電一般產(chǎn)生在大年夜于1mm的間隙中。這些真空間隙的擊穿機(jī)理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對(duì)真空間隙的絕緣都長短常關(guān)鍵的身分。

真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操縱工況有關(guān) 真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實(shí)驗(yàn)前分歧工況的分合閘操縱有相應(yīng)的分歧結(jié)果，意大年夜利哥倫布（Colombo工程師在設(shè)備會(huì)商會(huì)上有文闡述過這方面的問題:實(shí)驗(yàn)對(duì)象是24KV斷路器，銅鉻觸頭，額定開斷電流16KA，額定電流630A，觸頭開距15。8mm。

觸頭分閘速度1。1m/s，合閘速度為0。6m/s。實(shí)驗(yàn)法度列于表1。在關(guān)合分閘操縱（實(shí)驗(yàn)系列2~5后產(chǎn)生的zui大年夜擊穿電壓比空載輪回（實(shí)驗(yàn)系列1后給出的數(shù)值低，這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減??；同時(shí)，系列2和系列5所測(cè)得的數(shù)值亦小于系列3和系列4的實(shí)驗(yàn)值，而電流過零波形和極性仿佛無較著影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開閉操縱的情勢(shì)對(duì)斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響。

擊穿電壓在30~50kV規(guī)模內(nèi)，擊穿距離為0。6~2mm之間，擊穿時(shí)觸頭的電場強(qiáng)度為25~44kV。表1實(shí)驗(yàn)法度及內(nèi)容表 實(shí)驗(yàn)序號(hào) 實(shí)驗(yàn)電流 項(xiàng)號(hào) 操縱/實(shí)驗(yàn)挨次 1 1-1 1-2 1-3 1-4 合閘-分閘 沖擊絕緣電流 1分鐘工頻實(shí)驗(yàn) 高頻熄弧能力實(shí)驗(yàn) 2 100額定開斷電流 2-1 2-2 2-3 2-4 關(guān)合--開斷 沖擊絕緣實(shí)驗(yàn) 1分鐘工頻實(shí)驗(yàn) 高頻熄弧能力實(shí)驗(yàn) 3 30額定開斷電流 用30額定開斷電流值，分歧的電流波極性按2。

1~2。4逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn) 4 10額定開斷電流 用60額定開斷電流值重復(fù)進(jìn)行2。1~2。4的逐項(xiàng)實(shí)驗(yàn) 意大年夜利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，真空開關(guān)在開斷大年夜電流后，其真空減小絕緣強(qiáng)度會(huì)下降是一種遍及現(xiàn)象。是以，我國早期的真空斷路器在開斷故障后，間隙絕緣會(huì)下降，達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)前提的絕緣程度，故能源部對(duì)戶內(nèi)高壓真空斷路器訂貨要求（部標(biāo)DL403--91承諾在真空斷路器電壽命實(shí)驗(yàn)后。

極間耐壓值降為原標(biāo)準(zhǔn)的80作實(shí)驗(yàn)，假如通過，就認(rèn)為該斷路器的型式實(shí)驗(yàn)合格。那么，如何解釋今朝很多真空斷路器制造廠在作產(chǎn)品介紹時(shí)，幾次強(qiáng)調(diào)它們的真空斷路器電壽命實(shí)驗(yàn)后，間隙的絕緣強(qiáng)調(diào)不降低呢?我們以10kV真空斷路器為例來對(duì)此作申明:真空滅弧室顛末技術(shù)和工藝改進(jìn)，極間絕緣程度同早期產(chǎn)品比較，進(jìn)步很多例如可達(dá)到A值，遠(yuǎn)比產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐壓值C（工頻42kV。

沖擊75kV高很多，出廠新品按C值實(shí)驗(yàn)固然不會(huì)擊穿，電壽命實(shí)驗(yàn)后，間隙絕緣程度由A值降為B值，但B值>C值，故按C值去校核其絕緣，實(shí)驗(yàn)時(shí)亦不會(huì)產(chǎn)生擊穿。而老產(chǎn)品的A值是大年夜于C值，出廠新品按C值查核，固然能通過，開斷故障后，由A"值降到B"值。進(jìn)步真空滅弧室絕緣耐受能力的辦法 真空斷路器要向高電壓使用范疇成長，進(jìn)步真空滅弧室斷口極間絕緣耐受能力制成額定電壓較高的伶仃斷口真空滅弧室的經(jīng)濟(jì)意義是巨大年夜的。

不但可減少串連斷口的數(shù)目，并且使斷路器結(jié)構(gòu)簡單，從而進(jìn)步了設(shè)備靠得住性并使設(shè)備造價(jià)亦相應(yīng)降低。進(jìn)步單斷口真空滅弧室的絕緣耐受能力主要在下列三方面采納辦法。真空滅弧室內(nèi)觸頭間耐壓強(qiáng)度的進(jìn)步 前面以說過，在滅弧室內(nèi)部高度真空的環(huán)境下，觸頭間存在的氣體非常，不會(huì)受極間電壓而產(chǎn)生游離，但極間產(chǎn)生擊穿是客觀存在，從而產(chǎn)生幾種真空絕緣粉碎機(jī)理的解釋。

真空間隙實(shí)際擊穿時(shí)，有多是幾種機(jī)理同時(shí)產(chǎn)生感化，并且擊穿途徑中老是有游離氣體存在，這是由施加電壓后產(chǎn)生的金屬蒸汽或觸頭開釋了所吸附的氣體供給的?；诖它c(diǎn)解纜，采納下列辦法以進(jìn)步真空滅弧室觸頭間隙的耐壓機(jī)能: （1選擇熔點(diǎn)或沸點(diǎn)高，熱傳導(dǎo)率小，機(jī)械強(qiáng)度和硬度大年夜的觸頭材料； （2預(yù)先向觸頭間隙施加高電壓，使其幾次放電。

使觸頭表面附著的金屬或絕緣微粒熔化，蒸發(fā)，即所謂"老煉措置"； （3斷根吸附在觸頭或滅弧室表面上的氣體，即進(jìn)行加熱脫氣措置； （4選擇合適的觸頭外形，改善觸頭的電場分布。進(jìn)步開斷電流后觸頭極間的絕緣恢復(fù)速度 通常斷路開斷電流成功的關(guān)鍵在于電弧電流過零后，觸頭間隙絕緣恢復(fù)速度快于觸頭間隙間的暫態(tài)恢復(fù)電壓速度，就不會(huì)產(chǎn)生重燃而達(dá)到成功開斷。

真空滅弧室開斷電流時(shí)，電弧放出的金屬蒸汽在電弧電流過零時(shí)會(huì)靈敏分散，碰著觸頭或樊籬罩表面會(huì)當(dāng)即凝集。是以欲求在開斷電流相應(yīng)的觸頭尺寸，材質(zhì)，形態(tài)，觸頭間隙和電流開斷時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽密度，帶電粒子密度等影響身分進(jìn)行幾次實(shí)驗(yàn)取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作分析研究。發(fā)現(xiàn)觸頭直徑越大年夜且觸頭間隙越小，電流開斷后的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)越快；縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)的采取，有極為杰出的弧后絕緣恢復(fù)特點(diǎn)。

進(jìn)步真空滅弧室的外部絕緣 真空滅弧室的外部表面，如處于正常的大年夜氣之中，則絕緣耐壓是很低的，不能合適高電壓前提下使用，跟著真空斷路器向高電壓，小型化標(biāo)的目標(biāo)成長，對(duì)真空滅弧室外部表面采納下列強(qiáng)化辦法: （1用環(huán)氧樹脂絕緣包裹真空滅弧室陶瓷外殼表面，環(huán)氧樹脂具有高絕緣機(jī)能，其沖擊電壓為50kV/mm，工頻耐壓為30kV/mm。

并且其制品機(jī)械強(qiáng)度高，澆注加工機(jī)能好，可以較輕易成型復(fù)蓋于陶瓷外殼表面，從而達(dá)到滅弧室外表面絕緣強(qiáng)化的目標(biāo)。并進(jìn)步了耐污機(jī)能，使所需對(duì)地絕緣更趨公道化。戶外真空斷路則往往采取帶有裙邊的硅膠外套作管，復(fù)蓋于陶瓷外殼的表面，具有更好的抗霧閃機(jī)能，但機(jī)械強(qiáng)度則不如環(huán)氧樹脂制間。（2將真空滅弧室置于SF6氣體之中，使陶瓷外殼為SF6氣體所包圍。

由于SF6氣體只起絕緣感化，其充氣壓力通常為不高的。