真空开关电器概述

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1、真空开关电器概述真空开关电器的原理、结构及应用1、真空介质及其绝缘与熄弧特性1-1、真空介质的物质特性、真空度真空是空气中气体分子相当稀少的物质状态。它的度量即真空度是以气体中的压强作为单位，其法定单位是 Pa（帕斯克） （N/m 2） 、MPa（兆帕） ，工程中常用 MPa。在文献中，关于真空度西方以前常用 bar（巴） （1 bar=10 5 Pa）和 torr（托） 。MPa=10 pa6工程大气压（at）=1 kgf / cm=1 bar =9.8066510 4 paTorr= 1 mm Hg =1.3332210 pa= 1.3310-4 MPa标准大气压（atm）=760 mm

2、Hg = 101325 pa =0.1 MPa1-2、真空介质的击穿（放电）特性由气体放电现象的研究得出一个均匀电场中击穿电压与气体压力和极间距离乘积的函数关系巴森（Paschen）定律。 0(/)()ln1BpdTpdUfA式中：A 0、B 0 与气体种类和温度有关的系数 与电极材料和表面状况有关的系数P 气体压力D 极间距离T0、T 标准温度和试验时的温度在温度一定时，U=f (pd)若绘制上式的 upd 曲线，它将是一个有极小值的 V 曲线。对于间隙为 12 mm 的铜电极，可以得到如图 1 的 upd 关系。巴曲线的特点是：（1） 、当真空度（气压）小到一定值（约 10-2 pa）时，

3、击穿电压与真空度无关，为比空气中击穿电压高得多的定值，其值取决于触头材料和表面状况。（2） 、在 102 pa 附近有极小值。物理解释：根据气体放电的规律，气体击穿的电子碰撞理论在高电压下，气体分子运动中会发生碰撞，同时放出自由电子，自由电子在电场作用下，经过一段“自由行程”，积累了能量与其它分子碰撞，碰撞中自由电子呈几何级数如同雪崩一样增长（又称“电子雪崩” ） ，形成带电粒子流，最终导致电场击穿。气体自由电子的平均自由行程 对气体击穿起到关键作用，在低气压 P（高真空度）下，平均自由行程 增大，当它大到大于电极间距或灭弧室的尺寸时，电子碰撞不再发生，当气压高（真空度低）到一定程度， 过小，

4、积累不起足以形成碰撞以致形成“电子雪崩”的能量，所以也不容易击穿，二者之间有极小值。事实上，电子平均自由行程再大，也还会击穿，除了电子碰撞理论之外，还有场致发射和阴极二次电子发射理论的作用（它们都得到实验验证） ，根据这二个理论，影响真空击穿的因素主要是：（1） 、电极材料及其表面状况：材料的硬度、微观光洁度、触头形状影响极大。（2） 、间隙距离（3） 、电场的不均匀系数1-3、真空电弧与真空介质强度恢复特性1-3-1、真空电极之间一旦击穿，形成大量带点的金属蒸汽金属离子组成的等离子体。因此一般用等离子物理学的理论来分析真空电弧的本质。1-3-2、真空电弧电流大小不同，电弧的形成和电气特点有明

5、显不同。1-3-2-1、小电流（不大于几百安）电弧扩散型电弧形成由阴极斑点出发的圆锥状等离子体弧柱，斑点半径在 110m 之间，斑点的电流密度达 108A / cm2。扩散型电弧的特点是：（1） 、弧电压主要取决于材料特性，数值不高（几十伏） ，在弧隙中分布较平坦。（2） 、交流电过零前，阴极斑点迅速冷却，电弧赖以维持的金属蒸汽少到一定程度，电弧燃烧不稳定，在振荡中产生突然截断现象称为“截流效应”（chopping current ） ，它是真空分断形成过电压的主要原因。（3） 、阳极表面没有烧损。（4） 、锥形弧柱在正离子运动的磁场干扰下，作与安培左手定则方向相反的运动逆动现象，从而形成互相

6、排斥，在电极间作无规则运动。这种现象使得触头表面保持不很高的温度和较少的阴极烧损。1-3-2-2、大电流（几千安甚至更大）电弧集聚型电弧电极表面形成金属熔区，大量金属等离子体迁移至阳极，产生强烈的电子轰击，使阳极局部熔化形成阳极斑点，它不象小电流电弧，阴极斑点不断运动，而是形成集聚状高压电流密度的弧柱。集聚型电弧的特点是：（1） 、电弧燃烧由阴极、阳极共同维持，电流过零前有足够的金属蒸汽维持电弧，没有截流现象。（2） 、电弧的电压降有振盈现象。（3） 、在磁场作用下，集聚型电弧弧柱受洛仑兹力作用而运动。1-3-3、真空介质强度恢复速度真空电弧在过零时，维持电弧的能量减少，在设计合理的灭弧室中，

7、电弧熄灭后残存的金属蒸汽和离子，由于原有的电动斥力及热惯性，以很快的速度（真空中没有阻力）向四周扩散，在几十 s 内迅速消失（吸附在屏蔽罩表面上） ，此时触头已拉开，恢复原来的真空绝缘状况（承受住了 TRV 和工频恢复电压的作用） 。1-3-4、真空熄弧能力真空良好的熄弧能力是合理的灭弧室设计与优良的绝缘、介质强度恢复速度特性相结合的产物。（1） 、电弧被拉长或受冷却，或各种去游离作用，使供给能量不足以维持电弧，使之熄灭；（2） 、熄弧以后，电极间的介质强度恢复速度足够大，足以承受电极间的恢复电压的作用，从而不再击穿、复燃。在真空介质中，只要真空灭弧室（Vacuum Interrupter）设

8、计合理，就能发挥真空介质强度高和介质强度恢复速度快的特点，保证可靠熄弧，同时由于燃弧时间极短（可以做到0.8 m/s 。3-2-2、合闸弹跳合闸弹跳过大影响正常工作，引起极间击穿，造成触头烧损甚至熔焊。触头弹跳的时间估算经验公式：(s)00(2.46)1/ptNmvKFm动触头端规化质量 （kg）关合时的瞬时速度 （m/s）0vKv碰撞损失系数触头初压力 （N ）0F3-2-3、接触电阻Rc=KFc-0.5 ()K与材料有关的系数 （对于 Cu 及 Cu 基合金取 80-140 之间）Fc触头终压力 （N ）3-2-4、触头压力闭合的对接式触头有电动斥力 FEFE= ln 10-7 (N)12

9、yI2()Rr其中 r 为实际微观接触的等效半径2cbH为保证正常发热所需的触头压力cF考虑触头弹性变形的修正系数，值可取 1，Fc 大时可取的大些。13材料硬度b因此外加触头压力 271ln()10bmcEcycRHFIF（N）以上计算未及波纹管自闭力和纵向磁场产生的斥力，必要时也应予考虑。可以参考下表来设计触头压力额定短路开断电流 KA 8 12.5 16 25 31.5 40触头终压力 Kg 3050 5070 70110 170260 180300 250500硬度较高的触头（Cu Te Sn）取下限，较低的触头（Cu Cr 等）取上限4、真空开关电器的一些应用问题4-1、真空开关 V

10、I 的真空度检测在历史上，尤其是真空开关刚问世时，用户对 VI 在运行中真空度的保持十分担心，因为一有漏气，就有可能发生极间击穿、短路事故。由于 VI 的制造工艺水平的提高，使得 VI 具有一定的机械强度和真空寿命，事实证明，合理的设计与使用，它可以可靠使用二、三十年甚至更久。定期的检查 VI 的耐电压水平是必要的，工频耐压试验实际上间接地检测了 VI 的真空状态。对于玻璃外壳的 VI，使用高频火花仪，可以方便地检查出 VI 的真空度是否已达到临介（允许值）状态。一种 VI 真空度测量仪可供用户检测其真空度，它的原理是把直流高压（1060 KV）施于打开的动静触头之间，测量泄漏电流量，当电流量

11、小于 0.3 mA 时，可定性表明 VI 内真空度不低于 1 Pa，该值被认为是 VI 尚具有一定绝缘与开断能力的临界真空度。目前已有一种根据磁控放电原理专门设计的真空度检测仪，可定量检测 VI 的真空度（测量范围为 Pa） ，但仅适用于组装前的 VI。70对于 VI 真空度的在线检测，尚无理想仪器问世。七、八十年代曾有一些测量三相中心点电位的在线检测的仪器投放使用，最终因为 VI 的很长的真空寿命及仪器本身体积较大，不经济而被淘汰。4-2、操作过电压及其保护措施4-2-1、产生原因：截流现象：对于小电流真空电弧，在过零之前发生振盈、不稳定，由于真空的很高的去游离特性，会产生电流突然截断， ，

12、会达到很高值。diuLtmoLukiCK衰减系数 （电动机取 0.60.8，变压器取 0.25）线路波阻挠LZC截止电流值oi一般情况下， 5 A，认为它产生的 不具有破坏性。muCu-Cr 触头材料的真空开关 96.6 %累积概率的 5 Aoi重燃过电压：开关刚分时，由于截流过电压及介质恢复强度并不高，会产生重击穿，在 L、C 负载作用下产生高频电流，而高频电流过零时也会熄灭，然后发生多次重燃，过电压幅值由于选加而变得很高，而且这种多次重燃过电压的陡度极高，破坏性比较大。 （操作过电压对负载的作用反映于电压幅值与电压上升率陡度二个方面）三相感应过电压4-2-2、保护措施R-C 过电压抑制器

13、（保护装置）R-C 装置可改变线路波阻抗，限制过电压幅值，同时具有改善过电压陡度的作用，因此是经济、有效的措施。但也有不少缺点：、一般用油浸式电容器，不能做到“无油化” ；、体积较大、开关柜中不易安置；、增加了电容电流，产生高次谐波影响到电能质量。氧化锌压敏电阻或 ZnO 避雷器利用氧化锌（ZnO）碳化硅（ SiC）特殊的电压 电流的非线性特征，能有效地抑制过电压。这类过电压抑制器，曾大量用于低压电器中保护电子元件。由于外线性电阻片技术的提高也逐渐用于中压真空开关过过电压保护，实际使用的保护装置体积不大，而且还有串联间隙，提高了安全性。4-3、X 射线问题自由电子撞击电极会产生 X 射线，在实际使用条件下，X 射线很微弱，一般在进行工频耐压、试验时有较大剂量的 X 光，但在 2 m 之外也是安全的。5、真空开关的发展前景 真空开关从上世纪五十年代进入工业运行以来已成为中压范围的主要开关电器，由于它具有体积小、寿命长、几乎无须维护，使用与生产量一直高速增长。目前的技术前沿问题是：、提高工作电压，在超高压领域内推广使用。、增大容量，应用于发电机保护开关。、通过先进的设计和手段（建模电场分析和真空电弧仿真设计） ，提高单断口的工作电压、优化结构。、提高 VI 的工艺制造技术，降低成本。