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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(xiàn)路發(fā)生*接地故障，斷路器動(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被清除，則有電母線(xiàn)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(kāi)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)電壓的作用而不發(fā)生擊穿。因此，真空間隙的絕緣特性成為提高滅弧室斷口電壓，使單斷口真空斷路器向高電壓等級(jí)發(fā)展的主要研究課題。
真空斷路器
真空度的表示方式
壓力低于一個(gè)大氣壓的氣體稀薄的空間，稱(chēng)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方式: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(shuō)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(wàn)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(xiàn)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(qiáng)度。其擊穿機(jī)理至今還不清楚，因?yàn)檎婵諟缁∈覂?nèi)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(nèi)，發(fā)生碰撞的機(jī)率幾乎是零。因此不會(huì)發(fā)生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線(xiàn)是實(shí)驗(yàn)得出的，條件是在均勻電場(chǎng)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(shù)（間隙<5mm時(shí)a=1，>5mm時(shí)，a=0。5）
由派森定理的"V"形關(guān)系曲線(xiàn)中看出，當(dāng)真空度達(dá)103托時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)四周曲線(xiàn)變得平坦，擊穿電壓幾乎無(wú)變化。
當(dāng)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發(fā)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提高。
真空絕緣的破壞機(jī)理
前面已說(shuō)過(guò)，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，不會(huì)發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會(huì)擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會(huì)破壞的機(jī)理，場(chǎng)致發(fā)射引起擊穿，微塊引起擊穿和微放電導(dǎo)致?lián)舸?/p>
場(chǎng)致發(fā)射論對(duì)真空間隙所以能發(fā)生擊穿的解釋
間隙電場(chǎng)能量集中，在電極微觀表面的突出部分發(fā)生電子發(fā)射或蒸發(fā)逸出，撞擊陽(yáng)極使局部發(fā)熱，繼續(xù)放出離子或蒸汽，正離子再撞擊陰極發(fā)生二次發(fā)射，相互不斷積累，zui后導(dǎo)致間隙擊穿。
聞名的FowlerandNoraheim場(chǎng)發(fā)射電流I表達(dá)式為:
I=AE2e-B/E
式中 E------電場(chǎng)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）及短脈沖電壓情況下，可以合理地認(rèn)為真空間隙擊穿是由場(chǎng)致發(fā)射引起的，但在長(zhǎng)間隙及連續(xù)加壓與長(zhǎng)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:
?。?）陰極引起的擊穿；在強(qiáng)電場(chǎng)下，由于場(chǎng)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)到臨界點(diǎn)時(shí)，突出物熔化產(chǎn)生蒸汽引起擊穿。
?。?）陽(yáng)極引起的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束，轟擊陽(yáng)極使某點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生熔化和蒸汽而發(fā)生間隙擊穿。產(chǎn)生陽(yáng)極引起擊穿的條件與電場(chǎng)提高系數(shù)和間隙距離有關(guān)。
微塊引起擊穿的解釋
假設(shè)在電極表面附著較輕松的微塊，在電場(chǎng)作用下，微塊脫落而且加速，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，引起擊穿。
微放電導(dǎo)致真空間隙擊穿的解釋
電極的陰極表面沾污，將發(fā)生微放電現(xiàn)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(shí)間由50ms到幾ms，放電一般發(fā)生在大于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(guān)
真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實(shí)驗(yàn)前不同工況的分合閘操作有相應(yīng)的不同結(jié)果，意大利哥倫布（Colombo）工程師在設(shè)備討論會(huì)上有文論述過(guò)這方面的問(wèn)題:試驗(yàn)對(duì)象是24KV斷路器，銅鉻觸頭，額定開(kāi)斷電流16KA，額定電流630A，觸頭開(kāi)距15。8mm，觸頭分閘速度1。1m/s，合閘速度為0。6m/s。試驗(yàn)程序列于表1。
在關(guān)合---分閘操作（試驗(yàn)系列2~5）后產(chǎn)生的zui大擊穿電壓比空載循環(huán)（試驗(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?。煌瑫r(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的試驗(yàn)值，而電流過(guò)零波形和極性似乎無(wú)明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開(kāi)閉操作的形式對(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范圍內(nèi)，擊穿距離為0。6~2mm之間，擊穿時(shí)觸頭的電場(chǎng)強(qiáng)度為25~44kV。
意大利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷大電流后，其真空減小絕緣強(qiáng)度會(huì)下降是一種普遍現(xiàn)象。因此，我國(guó)早期的真空斷路器在開(kāi)斷故障后，間隙絕緣會(huì)下降，達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)條件的絕緣水平，故能源部對(duì)戶(hù)內(nèi)高壓真空斷路器訂貨要求（部標(biāo)DL403--91）答應(yīng)在真空斷路器電壽命試驗(yàn)后，極間耐壓值降為原標(biāo)準(zhǔn)的80作試驗(yàn)，假如通過(guò)，就認(rèn)為該斷路器的型式試驗(yàn)合格。那么，如何解釋目前許多真空斷路器制造廠在作產(chǎn)品介紹時(shí)，反復(fù)強(qiáng)調(diào)它們的真空斷路器電壽命試驗(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(lái)對(duì)此作說(shuō)明:真空滅弧室經(jīng)過(guò)技術(shù)和工藝改進(jìn)，極間絕緣水平同早期產(chǎn)品比較，提高很多例如可達(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）高得多，出廠新品按C值試驗(yàn)當(dāng)然不會(huì)擊穿，電壽命試驗(yàn)后，間隙絕緣水平由A值降為B值，但B值>C值，故按C值去校核其絕緣，試驗(yàn)時(shí)亦不會(huì)發(fā)生擊穿。而老產(chǎn)品的A''值是大于C值，出廠新品按C值考核，當(dāng)然能通過(guò)，開(kāi)斷故障后，由A"值降到B"值。
提高真空滅弧室絕緣耐受能力的措施
真空斷路器要向高電壓使用領(lǐng)域發(fā)展，提高真空滅弧室斷口極間絕緣耐受能力制成額定電壓較高的單獨(dú)斷口真空滅弧室的經(jīng)濟(jì)意義是巨大的，不但可減少串聯(lián)斷口的數(shù)量，而且使斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而提高了設(shè)備可靠性并使設(shè)備造價(jià)亦相應(yīng)降低。提高單斷口真空滅弧室的絕緣耐受能力主要在下列三方面采取措施。
真空滅弧室內(nèi)觸頭間耐壓強(qiáng)度的提高
前面以說(shuō)過(guò)，在滅弧室內(nèi)部高度真空的情況下，觸頭間存在的氣體非常，不會(huì)受極間電壓而產(chǎn)生游離，但極間發(fā)生擊穿是客觀存在，從而產(chǎn)生幾種真空絕緣破壞機(jī)理的解釋。真空間隙實(shí)際擊穿時(shí)，有可能是幾種機(jī)理同時(shí)發(fā)生作用，而且擊穿途徑中總是有游離氣體存在，這是由施加電壓后產(chǎn)生的金屬蒸汽或觸頭釋放了所吸附的氣體提供的?；诖它c(diǎn)出發(fā)，采取下列措施以提高真空滅弧室觸頭間隙的耐壓性能:
?。?）選擇熔點(diǎn)或沸點(diǎn)高，熱傳導(dǎo)率小，機(jī)械強(qiáng)度和硬度大的觸頭材料；
?。?）預(yù)先向觸頭間隙施加高電壓，使其反復(fù)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"老煉處理"；
?。?）清除吸附在觸頭或滅弧室表面上的氣體，即進(jìn)行加熱脫氣處理；
?。?）選擇合適的觸頭外形，改善觸頭的電場(chǎng)分布。
提高開(kāi)斷電流后觸頭極間的絕緣恢復(fù)速度
通常斷路開(kāi)斷電流成功的要害在于電弧電流過(guò)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)發(fā)生重燃而達(dá)到成功開(kāi)斷。真空滅弧室開(kāi)斷電流時(shí)，電弧放出的金屬蒸汽在電弧電流過(guò)零時(shí)會(huì)迅速擴(kuò)散，碰到觸頭或屏蔽罩表面會(huì)立即凝聚。因此欲求在開(kāi)斷電流相應(yīng)的觸頭尺寸，材質(zhì)，形態(tài)，觸頭間隙以及電流開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽密度，帶電粒子密度等影響因素進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)作分析研究。發(fā)現(xiàn)觸頭直徑越大且觸頭間隙越小，電流開(kāi)斷后的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)越快；縱向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)的采用，有極為良好的弧后絕緣恢復(fù)特性。
提高真空滅弧室的外部絕緣
真空滅弧室的外部表面，如處于正常的大氣之中，則絕緣耐壓是很低的，不能適合高電壓條件下使用，隨著真空斷路器向高電壓，小型化方向發(fā)展，對(duì)真空滅弧室外部表面采取下列強(qiáng)化措施:
?。?）用環(huán)氧樹(shù)脂絕緣包裹真空滅弧室陶瓷外殼表面，環(huán)氧樹(shù)脂具有高絕緣性能，其沖擊電壓為50kV/mm，工頻耐壓為30kV/mm，而且其制品機(jī)械強(qiáng)度高，澆注加工性能好，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)化的目的。并提高了耐污性能，使所需對(duì)地絕緣更趨合理化。戶(hù)外真空斷路則往往采用帶有裙邊的硅膠外套作管，復(fù)蓋于陶瓷外殼的表面，具有更好的抗霧閃性能，但機(jī)械強(qiáng)度則不如環(huán)氧樹(shù)脂制間。
?。?）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氣體只起絕緣作用，其充氣壓力一般是不高的。
關(guān)鍵詞：變頻串聯(lián)諧振裝置,互感器特性測(cè)試儀,地網(wǎng)接地電阻測(cè)試儀,開(kāi)關(guān)動(dòng)特性測(cè)試儀,變壓器繞組變形測(cè)試儀,介質(zhì)損耗,試驗(yàn)變壓器,高壓試驗(yàn),微機(jī)繼電保護(hù),工頻耐壓,串聯(lián)諧振,直流高壓發(fā)生器,sf6
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