第8章 真空断路器_物理_自然科学_专业资料。第8章 线 概 述 真空断路器的独特优点： 以真空作为绝缘和灭弧介质，耐压高，开断能力 强； 电弧在真空容器中燃烧，对周围环境无要求； 开关触头开距小，总体积小； 寿命长，
第8章 线 概 述 真空断路器的独特优点： 以真空作为绝缘和灭弧介质，耐压高，开断能力 强； 电弧在真空容器中燃烧，对周围环境无要求； 开关触头开距小，总体积小； 寿命长，适合频繁操作开合； 无环境污染、无噪声； 可靠性高，免维修。 8-2 真空绝缘及其击穿 引起真空绝缘破坏的机理（击穿原因）： ①场致发射 ②粒子交换 ③微放电 1、场致发射和预击穿过程 触头端的小尖端和微观突起，引起电场增强， 导致金属中自由电子的冷阴极发射，形成预击穿 电流。使阴极突起的自发熔化和蒸发，产生大量 金属蒸汽，被场致发射电子引起间隙击穿---阴极 加热击穿； 由阴极发射的电子流轰击阳极，使其局部受热 产生热斑，阳极材料熔化击穿---阳极加热击穿。 场致发射击穿通常发生在电极间距较小时。 2. 微粒迁移引起的击穿 对于尺寸在0.1～100um的金属/非金属大原子团， 电极表面松散吸附的微粒、金属尘埃等称为一次 微粒； 大电流燃弧时的电侵蚀作用熔滴形成大量金属颗 粒称为二次微粒。 这些微粒对真空间隙击穿有很大作用。且击穿电 压与间隙距离有关系。 3. 电极的二次发射 间隙中的正离子、负离子等撞击阴极而引 起二次电子发射，间隙中带电微粒数越来越多， 电流迅速增大造成击穿。 4、真空击穿的统计特性 真空间隙击穿的引发因素主要来源于电极表面， 可用“击穿弱点”统一描述。 击穿弱点：存在于电极表面、在电场应力作用下 有可能引发击穿的各种因素的总称。 5、影响真空击穿的因素 电极的几何形状和大小 电极的几何形状直接影响电场分布，曲率半径 越大击穿越困难。 但当D1MM时，半径小反而能提高击穿电压； 电极面积越大，引发击穿的弱点数目越多，放 电概率增加，真空击穿电压降低。 电极间隙的大小与击穿类型有关 电极材料 见表8-1 材料越硬、 机械强度越高 、 击穿电压越高。 如材料的熔点、比热、密度等 真空度 由大气压开始抽真空时，击穿电压有所下降，但 进一步降压时又会上升。 老练作用 是一种电极表面处理措施，通过在电极上加高 压使电极间隙发生连续的火花放电。 若干次处理后，间隙击穿电压显著提高。 8.3线.真空电弧的引燃 ①间隙绝缘击穿引弧 ②外界高压脉冲触发引弧 ③触头分开是由金属蒸汽桥爆炸产生电弧 真空电弧是由阴极斑点产生的金属蒸汽维 持的一种低压电弧。 单个阴极斑点所承载的电流是一定的（如 铜100A），斑点数目与电流大小和阴极材 料有关。如图8-3 2. 真空电弧的形态 电弧一旦产生，即处在综合力作用下： ①自身环向磁场产生的收缩力； ②内部各种粒子相互碰撞产生的气体压力； ③外界磁场产生的磁场力。 1）扩散型真空电弧 A、发生在小电流切断中，一个斑点电弧电流约 100A，而从阴极向阳极的金属蒸汽电弧呈锥形弧 柱； B、大于100A的大电流，会形成多个斑点和多个锥 形电弧，互不影响； C、阴极斑点在触头表面不停的在移动，运动趋势 是由电极中心向边缘运动。出现“逆向运动”与 符合安培定律所指方向相反。 D、在阳极没有斑点，因阳极接收电子和离子，且 电弧一直在运动，所以阳极表面温度很低，有利 熄弧． E、阴极斑点也在不停运动，所以阴极斑点不会熔 化，在电流过零时，也很快熄灭． ２）集聚型真空电弧 当电弧电流大到某一临界值后，阴级斑点不再向 外围移动，而是集聚在一个或几个较大的面积上， 并使阳极也开始出现斑点，这种热量集中会使斑 点熔化，形成更多金属蒸汽，电弧电压降低，使 电弧很难熄灭，达到极限开断能力． 3.真空电弧的伏安特性 真空电弧电压（扩散型）的伏安特性是正特性， 即电弧电压随电流增加而上升。 8-4触头结构与材料 触头结构与材料是影响开断能力和寿命的关 键 分类：非磁吹触头---平板圆柱型 磁吹触头（横磁触头、纵磁触头） ①横磁触头 电流在转弯处形成横向磁场，电流在此 横向磁场作用下，向外沿受力移动达到 触头边缘，最终熄灭。 ②纵磁触头 电流依靠触头特殊结构形成纵向磁场， 可以稳定电弧，防止大电流真空电弧在 阳极表面集聚，提高了分断力。 关键是使电流在触头表面横向流动，从 而产生纵向磁场，使电弧在圆盘边缘燃 烧。 8-5真空中的开断 真空电弧是依靠阴极斑点产生电子、正离 子及中性金属蒸汽来维持电弧，当蒸汽不 足即电流过零时就会熄灭。 直流电弧电压降很小，很难熄灭，故可制 造人造零点（采用一个换向装置）。 断口间隙在电弧熄灭后，会被恢复电压 击穿重燃。 重燃的原因为： ①电极过量放气，当空间超过100M个原子 时会击穿重燃； ②阴极表面微小颗粒维护强烈的场致复发 形成新斑点； ③当外场增强到500KV/cm发生击穿； ④电流过零后，间隙中等离子消散速度不 够，影响介质绝缘恢复。 弧后介质强度恢复过程 电流在过零时（在过零点前），突然灭弧电流 提前到零（发生截流现象），间隙中导电离子 向外扩散，这时间隙由完全导电状态过渡到绝 缘状态------介质绝缘强度恢复过程，相应的时 间称恢复时间 间隙能否再击穿，电弧能否不再重燃决定于间 隙恢复电压和介质恢复过程的竞争。这是微秒 级的速度。 弧后电流 在开断大电流时，电流过零后，仍会现一些发射 电流、预击穿电流和暂态放电称为弧后电流 产生原因： ①间隙存在剩余带电粒子； ②电流过零时，等离子体区中性粒子和离子的碰撞 会产生二次电子和离子； ③在过零时，电极表面还存在发射过程，形成发射 电流、预击穿电流和其它暂态放电。 真空断路器的线 与外壳封接的法兰盘 6 金属波纹管 7 玻壳 SF6断路器灭弧室结构示意图 1 静触头 2 绝缘喷嘴 3 动触头 4 气缸 5 压气活塞(固定) 6 电弧
