《真空断路器》PPT课件

阴极斑点的数量与电弧电流的大小、阴极材料的熔点和热传导系数有关。材料的熔 点越低，热传导系数越小，每一斑点通导的电流也越小。
随着电弧电流的增大，阴极斑点的 数量也会增加，但每一阴极斑点仍 有自己的等离子区锥体，相邻的锥 体也可能重叠。阴极斑点在阴极表 面不停地运动，通常是由电极中心 向边缘运动。当阴极斑点到达电极 边缘时，等离子区的锥体弯曲，接 着阴极斑点突然消失，而在电极中 心又会出现新的斑点。有时阴极斑 点也会自动分裂产生新的阴极斑点。 这种阴极斑点不断消失、不断产生 且向边缘扩散的真空电弧称为扩散 型真空电弧。
不管触头表面如何平整，微观上看总是凹凸不平的。两触头接触 时只有少数表面突起部分接触，通过电流。接触点的多少和接触面积 的大小与接触压力有关。当触头在真空中开断电流时，随着触头分开， 接触压力减小，接触点的数量和接触面积也随之减少，电流集中在愈 来愈少的少数接触点上，损耗增加，接触点温度急剧升高，出现熔化。 随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断裂产生金属蒸 气。金属蒸气的温度很高，部分原子可能产生热电离，加上触头刚分 离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温、强电场的作 用下又会发射出大量电子，并很快发展成温度很高的阴极斑点。而阴 极斑点又会蒸发出新的金属蒸气和发射电子，这样触头间的放电将转 变为自持的真空电弧了。
• 电流老炼是让真空灭弧室多次(几十次到几百次)开合几百安的 交流电流。利用电弧高温去除电极表面一薄层材料，使电极表 面层中的气体、氧化物和杂质同时除去。电流老炼的作用主要 是除气和清洁电极表面，对真空灭弧室开断性能的提高有一定 的改善作用。
二、真空电弧的形态、特性及其熄弧原理 1.真空电弧的形成
• 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。
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
(2)纵向磁场
与弧柱轴线平行的磁场称为纵向磁场，它对电弧的形态、抑制阳极斑点的形 成、减小电弧电压有着显著的作用。从阴极斑点发射的电子和离子在向阳极 方向运动时，会同时向四周密度较低的地区扩散，具有一定的径向速度。当 存在纵向磁场强度时，电荷径向运动与纵向磁场产生的力是圆周方向的。它 特约束径向运动的电荷绕着电弧轴线方向作旋转运动，使径向扩散的电子和 离子数大为减少，延缓了在阳极附近出现离子贫乏现象。弧柱内比较容易维 持等离子体的平衡。
• 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。
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。
（2）微粒击穿机理
• 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游离，最终导致间隙的击穿。
• 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。
2.影响真空间隙击穿电压的因素
（1）真空间隙距离
（2）真空度
（3）电极材料
• 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。
真空断路器
• 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)
（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。 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。
• 集聚型真空电弧的弧柱区有很高的蒸汽压力，其电弧 电压比扩散型有明显增加，使电弧能量更大。
3.真空电弧特性
• 与高气压的电弧相同，真空电弧的电弧电压也 由阴极压降、弧柱(等离子区)压降和阳极压降 三部分组成。不同的是，前者以弧柱压降为主， 而真空电弧的长度很短，对电弧电压起主要作 用的是阴极和阳极压降。
由此可见，维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子，真空电弧实为 金属蒸气电弧。
金属蒸气来自触头材料的蒸发，因此电极材料的特性对真空电弧的性质 起支配作用。电极现象是研究真空电弧的出发点和重要内容。
2.扩散型和集聚型（收缩型）真空电弧
真空电弧有两种形态．即小电流(几千安)下的扩散型真空电弧和一万安以上 大电流的集聚型真空电弧。
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
• 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。
• 高气压电弧具有负的伏安特性，电弧电压随电 流增大而减小；真空电弧则相反，它具有正的 伏安特性，电弧电压随电流增大而增加。
4.磁场对真空电弧的影响
(1)横向磁场
横向磁场就是与弧柱轴线垂直的磁场。它与电弧电流作用产生的洛仑兹力 能使电弧沿着圆周方向运动，能防止电弧长时间停留在电极表面的某些点 上所造成的局部温度过高，从而抑制或推迟阳极斑点的产生，对提高真空 开关的开断性能有明显的效果。 横向磁场使电弧运动会把电弧弯曲拉长，电弧电压及电弧能量也将提高， 又会使真空开关开断电流的提高受到一定限制。 目前应用横向磁场原理制成的真空断路器的额定开断电流可达几十千安。
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。
• 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。
扩散型电弧的特点是阴极斑点数量多，且不断在阴极表面运动，电弧间隙中同时 存在着很多个并联支弧，而阳极表面尚未形成高温的阳极斑点。
• 当电弧电流大于某一临界值时，电弧外形将突然发生 变化，阴极斑点不再向四周扩散而是集聚在一个或几 个较大的面积上并出现阳极斑点，这种真空电弧称为 集聚型真空电弧。
• 通常认为出现了集聚型真空电弧形态即意味着达到了 极限开断能力。
• 当铜电极上电弧电流小于100A时， 阴极一般只存在一个高温的发光斑 点——阴极斑点。阴极斑点的电流 密度很高。阴极斑点是发射电子和 产生金属蒸气的场所。电子与金属 蒸气的原于碰撞会游离出新的电子 和正离子，这些电子和正离于依靠 自身的动能朝向阳极运动过程中还 会向径向密度低的地区扩散，因此 呈现出一个圆锥状的微弱发光区域。 圆锥的锥顶就是阴极斑点，朝着阳 极发散，锥顶角约60度。圆锥内有 着大量的离子、原子和电子，其中 正离子和电子的数量大致相同。这 就是真空电弧的等离子区，又称弧 柱区。在锥体以外地区，粒子的密 度是很低的。