真空斷路器的概述,真空斷路器工作原理及作用

長葛市正宇電器有限公司“真空斷路器”因其滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優點，在配電網中應用較為普及。 

真空斷路器的概述

1893年，美國的里頓豪斯提出了結構簡單的真空滅弧室，并獲得了設計專利。1920年瑞典佛加公司第一次制成了真空開關。1926年美國索倫森等公布的研究成果也顯示了在真空中分斷電流的可能性，但因分斷能力小，又受到真空技術和真空材料發展水平的限制，尚不能投入實際使用。隨著真空技術的發展，50年代美國才制成第一批適用于切斷電容器組等特殊要求的真空開關,分斷電流尚停在4千安的水平。由于真空材料冶煉技術上的進步和真空開關觸頭結構研究上所取得的突破，1961年，美國通用電氣公司開始生產15千伏、分斷電流為12.5千安的真空斷路器。1966年試制成15千伏、26千安和31.5千安的真空斷路器，從而使真空斷路器進入了高電壓、大容量的電力系統。80年代中期，真空斷路器的分斷能力已達100千安。 

中國從1958年開始研制真空開關，1960年西安交通大學和西安開關整流器廠共同研制成第一批6.7千伏、分斷能力為600安的真空開關;隨后又制成10千伏、分斷能力為 1.5千安的三相真空開關。1969年華光電子管廠和西安高壓電器研究所制成了 10千伏、2千安單相快速真空開關。70年代以后，中國已能獨立研制和生產各種規格的真空開關。

真空斷路器工作原理及作用

絕對壓力低于一個大氣壓的氣體稀薄的空間，稱為真空空間，真空度越高即空間內氣體壓強越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個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部的真空度要達10-4托是指滅弧室內的氣體壓強僅為"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度與氣體壓力之間的關系。圖1表示派森定理的關系曲線呈"V"字形，即充氣壓力的增加或降低，都能提高極間間隙絕緣強度。其擊穿機理至今還不清楚，因為真空滅弧室內部真空度高于10-4托，這樣稀薄空氣的空間，氣體分子的自由行程為103mm，在真空滅弧室這么大小的容積內，發生碰撞的機率幾乎是零。因此不會發生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實驗得出的，條件是在均勻電場的情況下，其間隙擊穿電壓Uj可表示為:

Uj=KLa

L------間隙距離；

a------間隙系數(間隙<5mm時a=1，>5mm時，a=0。5)

由派森定理的"V"形關系曲線中看出，當真空度達103托時出現拐點，拐點四周曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。

當真空度和間隙距離相同時，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發生變化，電極材料機械強度高，熔點高時，真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。

真空絕緣的破壞機理

前面已說過，在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內，氣體分子的自由行程很大，不會發生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會破壞的機理，場致發射引起擊穿，微塊引起擊穿和微放電導致擊穿。

場致發射論對真空間隙所以能發生擊穿的解釋

間隙電場能量集中，在電極微觀表面的突出部分發生電子發射或蒸發逸出，撞擊陽極使局部發熱，繼續放出離子或蒸汽，正離子再撞擊陰極發生二次發射，相互不斷積累，最后導致間隙擊穿。

聞名的FowlerandNoraheim場發射電流I表達式為:

I=AE2e-B/E

式中　E------電場強度；

A------常數，與發射點的面積有關；

B------常數，與電極表面的逸出有關。

在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下，可以合理地認為真空間隙擊穿是由場致發射引起的，但在長間隙及連續加壓與長脈沖電壓下，有的學者認為真空的擊穿尚存在其它機理:

(1)陰極引起的擊穿；在強電場下，由于場發射電流的焦耳發熱效應，使陰極表面突出物的溫度升高，當溫度達到臨界點時，突出物熔化產生蒸汽引起擊穿。

(2)陽極引起的擊穿:由于陰極發射的電子束，轟擊陽極使某點發熱產生熔化和蒸汽而發生間隙擊穿。產生陽極引起擊穿的條件與電場提高系數和間隙距離有關。

微塊引起擊穿的解釋

假設在電極表面附著較輕松的微塊，在電場作用下，微塊脫落而且加速，這微塊撞擊對面的電極時，由于沖擊發熱可使其本身熔化產生蒸汽，引起擊穿。

微放電導致真空間隙擊穿的解釋

電極的陰極表面沾污，將發生微放電現象。微放電是一種小的自抑制熄滅的電流脈沖，它的總放電電荷3107C，存在時間由50ms到幾ms，放電一般發生在大于1mm的間隙中。

這些真空間隙的擊穿機理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對真空間隙的絕緣都是非常要害的因素。

真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關

真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實驗前不同工況的分合閘操作有相應的不同結果，意大利哥倫布(Colombo)工程師在設備討論會上有文論述過這方面的問題:試驗對象是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。試驗程序列于表1。

在關合---分閘操作(試驗系列2~5)后產生的最大擊穿電壓比空載循環(試驗系列1)后給出的數值低，這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減??；同時，系列2和系列5所測得的數值亦小于系列3和系列4的試驗值，而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗結果證實了開閉操作的形式對斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響，擊穿電壓在30~50kV范圍內，擊穿距離為0。6~2mm之間，擊穿時觸頭的電場強度為25~44kV。