真空断路器处于合闸位置时

　　真空断路器处于合闸位置时。真空断路器处于合闸位置时， 其对地绝缘由支持绝缘子承受，一旦真空断路器所 连接的线路发生永久接地故障，断路器动作跳闸后，接地故障点又未被清除，则 有电母线的对地绝缘亦要由该断路器断口的真空间隙承受；各

　　真空断路器处于合闸位置时， 其对地绝缘由支持绝缘子承受，一旦真空断路器所 连接的线路发生永久接地故障，断路器动作跳闸后，接地故障点又未被清除，则 有电母线的对地绝缘亦要由该断路器断口的真空间隙承受；各种故障开断时，断 口一对触子间的真空绝缘间隙要耐受各种恢复电压的作用而不发生击穿。因此， 真空间隙的绝缘特性成为提高灭弧室断口电压， 使单断口真空断路器向高电压等 级发展的主要研究课题。 真空度的表示方式 绝对压力低于一个大气压的气体稀薄的空间，称为真空空间，真空度越高即 空间内气体压强越低。真空度的单位有三种表示方式:托(即 1 个 mm 水银柱高)， 毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1 托=131。6Pa，1 毫巴=100Pa)我们通常所说 真空灭弧室内部的线 托是指灭弧室内的气体压强仅为万分之一 mm 水银柱高，亦即是 1。31x10-2Pa。 派森定理亦有译为巴申定律， 是指间隙电压耐受强度与气体压力之间的 关系。图 1 表示派森定理的关系曲线呈V字形，即充气压力的增加或降低，都 能提高极间间隙绝缘强度。 其击穿机理至今还不清楚，因为真空灭弧室内部线 托，这样稀薄空气的空间，气体分子的自由行程为 103mm，在真空 灭弧室这么大小的容积内， 发生碰撞的机率几乎是零。因此不会发生碰撞游离而 使真空间隙击穿。派森定理的V形曲线是实验得出的，条件是在均匀电场的情 况下，其间隙击穿电压 Uj 可表示为: Uj=KLa L------间隙距离； a------间隙系数(间隙5mm 时 a=1，5mm 时，a=0。5) 由派森定理的V形关系曲线 托时出现拐点，拐点四周 曲线变得平坦，击穿电压几乎无变化。 当真空度和间隙距离相同时，其击穿电压则随触头电极材料发生变化，电极 材料机械强度高，熔点高时，真空间隙的击穿电压亦随之提高。 真空绝缘的破坏机理 前面已说过， 在真空灭弧室这样高度真空度的空间内，气体分子的自由行程 很大， 不会发生碰撞分离而使真空间隙在高压电作用下会击穿又是客观存在，于 是就有种解释真空绝缘会破坏的机理，场致发射引起击穿，微块引起击穿和微放 电导致击穿。 场致发射论对真空间隙所以能发生击穿的解释 间隙电场能量集中，在电极微观表面的突出部分发生电子发射或蒸发逸出， 撞击阳极使局部发热，继续放出离子或蒸汽，正离子再撞击阴极发生二次发射， 相互不断积累，最后导致间隙击穿。 闻名的 FowlerandNoraheim 场发射电流 I 表达式为: I=AE2e-B/E 式中 E------电场强度； A------常数，与发射点的面积有关； B------常数，与电极表面的逸出有关。 在小的间隙(1mm)及短脉冲电压情况下， 可以合理地认为真空间隙击穿是由 场致发射引起的， 但在长间隙及连续加压与长脉冲电压下，有的学者认为真空的 击穿尚存在其它机理: (1)阴极引起的击穿；在强电场下，由于场发射电流的焦耳发热效应，使阴极表 面突出物的温度升高，当温度达到临界点时，突出物熔化产生蒸汽引起击穿。 (2)阳极引起的击穿:由于阴极发射的电子束， 轰击阳极使某点发热产生熔化和蒸 汽而发生间隙击穿。产生阳极引起击穿的条件与电场提高系数和间隙距离有关。 微块引起击穿的解释 假设在电极表面附着较轻松的微块，在电场作用下，微块脱落而且加速，这 微块撞击对面的电极时，由于冲击发热可使其本身熔化产生蒸汽，引起击穿。 微放电导致真空间隙击穿的解释 电极的阴极表面沾污， 将发生微放电现象。微放电是一种小的自抑制熄灭的 电流脉冲，它的总放电电荷 3107C，存在时间由 50ms 到几 ms，放电一般发生在 大于 1mm 的间隙中。 这些真空间隙的击穿机理表明， 真空电极的材料与电极的表面状况对真空间 隙的绝缘都是非常要害的因素。 真空间隙的绝缘耐受能力与在先的分合闸操作工况有关 真空断路器接触间隙的击穿电压， 因耐压实验前不同工况的分合闸操作有相 应的不同结果，意大利哥伦布(Colombo)工程师在设备讨论会上有文论述过这方 面的问题:试验对象是 24KV 断路器，铜铬触头，额定开断电流 16KA，额定电流 630A，触头开距 15。8mm，触头分闸速度 1。1m/s，合闸速度为 0。6m/s。试验 程序列于表 1。 在关合---分闸操作(试验系列 2~5)后产生的最大击穿电压比空载循环(试 验系列 1)后给出的数值低，这意味着触头击穿距离受电弧电流的影响而减小； 同时， 系列 2 和系列 5 所测得的数值亦小于系列 3 和系列 4 的试验值，而电流过 零波形和极性似乎无明显影响。 试验结果证实了开闭操作的形式对断路器触头之 间的绝缘耐受能力有影响，击穿电压在 30~50kV 范围内，击穿距离为 0。6~2mm 之间，击穿时触头的电场强度为 25~44kV。 表 1 试验程序及内容表 试验序号 1 试验电流 项号 1-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 操作/试验顺序 合闸-分闸 冲击绝缘电流 1 分钟工频试验 高频熄弧能力试验 关合--开断 冲击绝缘试验 1 分钟工频试验 高频熄弧能力试验 用 30 额定开断电流值，不同的电 流波极性按 2。1~2。4 逐项试验 用 60 额定开断电流值重复进行 2。 1~2。4 的逐项试验 2 100 额定开断电流 3 4 30 额定开断电流 10 额定开断电流 意大利哥伦布工程师上述实验的结果表明，真空开关在开断大电流后，其真 空减小绝缘强度会下降是一种普遍现象。因此，我国早期的真空断路器在开断故 障后，间隙绝缘会下降，达不到产品技术条件的绝缘水平，故能源部对户内高压 真空断路器订货要求(部标 DL403--91)答应在真空断路器电寿命试验后，极间耐 压值降为原标准的 80 作试验，假如通过，就认为该断路器的型式试验合格。那 么， 如何解释目前许多真空断路器制造厂在作产品介绍时，反复强调它们的真空 断路器电寿命试验后， 间隙的绝缘强调不降低呢?我们以 10kV 真空断路器为例来 对此作说明:真空灭弧室经过技术和工艺改进，极间绝缘水平同早期产品比较， 提高很多例如可达到 A 值， 远比产品标准规定的耐压值 C(工频 42kV， 冲击 75kV) 高得多，出厂新品按 C 值试验当然不会击穿，电寿命试验后，间隙绝缘水平由 A 值降为 B 值，但 B 值C 值，故按 C 值去校核其绝缘，试验时亦不会发生击穿。 而老产品的 A值是大于 C 值， 出厂新品按 C 值考核， 当然能通过， 开断故障后， 由 A值降到 B值。 提高真空灭弧室绝缘耐受能力的措施 真空断路器要向高电压使用领域发展， 提高真空灭弧室断口极间绝缘耐受能 力制成额定电压较高的单独断口真空灭弧室的经济意义是巨大的， 不但可减少串 联断口的数量， 而且使断路器结构简单，从而提高了设备可靠性并使设备造价亦 相应降低。提高单断口真空灭弧室的绝缘耐受要在下列三方面采取措施。 真空灭弧室内触头间耐压强度的提高 前面以说过， 在灭弧室内部高度真空的情况下， 触头间存在的气体非常稀少， 不会受极间电压而产生游离， 但极间发生击穿是客观存在，从而产生几种真空绝 缘破坏机理的解释。真空间隙实际击穿时，有可能是几种机理同时发生作用，而 且击穿途径中总是有游离气体存在， 这是由施加电压后产生的金属蒸汽或触头释 放了所吸附的气体提供的。 基于此点出发，采取下列措施以提高真空灭弧室触头 间隙的耐压性能: (1)选择熔点或沸点高，热传导率小，机械强度和硬度大的触头材料； (2)预先向触头间隙施加高电压，使其反复放电，使触头表面附着的金属或绝缘 微粒熔化，蒸发，即所谓老炼处理； (3)清除吸附在触头或灭弧室表面上的气体，即进行加热脱气处理； (4)选择合适的触头外形，改善触头的电场分布。 提高开断电流后触头极间的绝缘恢复速度 通常断路开断电流成功的要害在于电弧电流过零后， 触头间隙绝缘恢复速度 快于触头间隙间的暂态恢复电压速度，就不会发生重燃而达到成功开断。真空灭 弧室开断电流时， 电弧放出的金属蒸汽在电弧电流过零时会迅速扩散，碰到触头 或屏蔽罩表面会立即凝聚。因此欲求在开断电流相应的触头尺寸，材质，形态， 触头间隙以及电流开断时产生的金属蒸汽密度， 带电粒子密度等影响因素进行反 复实验取得试验数据作分析研究。发现触头直径越大且触头间隙越小，电流开断 后的绝缘强度恢复越快； 纵向磁场触头结构的采用，有极为良好的弧后绝缘恢复 特性。 提高真空灭弧室的外部绝缘 真空灭弧室的外部表面，如处于正常的大气之中，则绝缘耐压是很低的，不 能适合高电压条件下使用，随着真空断路器向高电压，小型化方向发展，对真空 灭弧室外部表面采取下列强化措施: (1)用环氧树脂绝缘包裹真空灭弧室陶瓷外壳表面，环氧树脂具有高绝缘性能， 其冲击电压为 50kV/mm，工频耐压为 30kV/mm，而且其制品机械强度高，浇注加 工性能好， 可以较轻易成型复盖于陶瓷外壳表面，从而达到灭弧室外表面绝缘强 化的目的。并提高了耐污性能，使所需对地绝缘更趋合理化。户外真空断路则往 往采用带有裙边的硅胶外套作管，复盖于陶瓷外壳的表面，具有更好的抗雾闪性 能，但机械强度则不如环氧树脂制间。 (2)将线 气体之中，使陶瓷外壳为 SF6 气体所包围，由于 SF6 气体只起绝缘作用，其充气压力一般是不高的。 断路器的结构和工作原理 真空的断路器分类按使用条件分为户内 ZNX 和户外 ZWX 两种类型, 主要由框架部分,灭弧部分(真空泡),和操动结构部分组成 断路器本体部分由导电回路 ,绝缘系统, 密封件和壳体 .整体结构为三 相共箱式,其中导电回路由进出线导电杆,进出线绝缘支座,导电夹,软 连接与真空灭弧室连接而成. 机构为电动储能 , 电动分合闸 ,同时具有手动功能 ,整个结构由合闸弹 簧,储能系统,过流脱扣器,分合闸线圈,手动分合闸系统,辅助开关,储能 指示等部件组成 工作原理 真空断路器利用高真空中电流流过零点时， 等离子体迅速扩散而熄灭 电弧，完成切断电流的目的。 动作原理 储能过程：当电机 14 接通电源时，电机带动偏心轮转动，通过紧靠 在偏心轮上的滚子 10 带动拐臂 9 及连扳 7 摆动，推动储能棘爪 6 摆 动，使棘轮 11 转动。当棘轮 11 上的销与储能轴套 32 的板靠住以后， 二者一起运动，使挂在储能轴套上的 32 上的合闸弹簧 21 拉长。储能 轴套 32 由定位销 13 固定，维持储能状态，同时储能轴套 32 上的拐 臂推动行程开关 5 切断储能电机 14 的电源，并且储能棘爪被抬起， 与棘轮可靠脱离。 合闸操作过程: 当机构接到合闸信号后（开关处于断开，已储能状态） ，合闸磁铁 15 的铁心被吸向下运动，拉动定位杆 13 向逆时针方向转动，解除储能 维持合闸弹簧 21 带动储能轴套 32 逆时针方向转动， 其凸轮压动传动 轴套 30，带动连板 29 及摇臂 27 运动，使使摇臂 27 扣住半轴 25，使 机构处于合闸状态。此时，连锁装置 28 锁住定位件，使定位牛不能 逆时针方向转动，达到机构联销的目的，保证了机构在合闸位置不能 合闸操作。 分闸操作过程 断路器合闸后，分闸电磁铁接到信号，铁心吸合，分闸脱扣器 19 的 顶杆向上运动，使脱扣轴 16 转动，带动顶杆 18 向上运动，顶杆弯板 26 并带动半轴 25 向反时针方向转动。 半轴 25 与摇臂 27 解扣， 在分闸弹簧的作用下， 断路器完成分闸操作。