第8章 真空断路器(ppt)

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1、第第8 8章章 真空断路器真空断路器vv真空断路器结构及特点真空断路器结构及特点vv真空绝缘及其破坏机理真空绝缘及其破坏机理vv真空电弧的基本特性真空电弧的基本特性vv触头结构与材料触头结构与材料vv真空中的开断真空中的开断主要内容第一节 概 述一、真空断路器以真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器。二、什么是真空真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常 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。 三、真空度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.即1N/m2 的作用力。

2、一个标准大气压约为0.1 MPa。过去习惯使用毫米 汞柱(mmHg)标准大气压： 真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域。真空灭弧室： 1.331021.33105Pa 真空度真空压力范围粗真空1.011051.33102Pa低真空1.331021.33101Pa高真空1.331011.33106Pa超高真空1.331061.331010Pa极高真空 1.331010Pa四、真空断路器的发展 真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游 离的几率很小，所以绝缘性能好。 早在1893 年，美国人里顿豪斯(Rittenhause)就设计出世界 上第1 只真空灭弧室并以专利的形式发

3、表；1920年，瑞典 佛加（Birka）公司研制出世界上第一台真空开关；1926年 ，加里福尼亚工学院的索伦森(Sornsen)教授发表了真空开 关的试验结果，并预言应用真空开关的时代不久就会到来 。由于当时的真空技术还很落后，使得真空开关在工业上 的实际应用被大大推迟了。 到1950年前后，随着真空技术以及相关技术如冶金技术等 的发展，真空灭弧室的制造技术得到了提高，又重新开始 了真空开关在工业上应用的研究。1956年，罗斯(H Cross) 试制出了15kV、200A的真空开关。 1961年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研 制成功额定电压15kV、12.5kA的真空断路器，19

4、66年相继 研制成功额定电压为15kV、开断电流为25kA和31.5kA的 真空断路器，从此真空开关正式进入电力开关的行列，美 国也因此成为世界上最早批量生产和使用真空开关的国家 ，在其影响和推动下，欧洲和亚洲的部分国家也相继开始 了研制工作，真空开关从此在全球范围内得到认同和发展 。 二十世纪70年代初，全球范围掀起的中压开关无油化浪潮 给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借自身巨大的 技术优势，真空开关仅用了不到20年的时间就取代少油开 关而成为中压领域的主导产品。目前单断口真空断路器已 达到145kV 电压等级，短路开断电流已达到200kA 四、真空断路器的发展 真空间隙的气体稀薄，分

5、子的自由行程较大，发生碰撞游 离的几率很小，所以绝缘性能好。 利用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就已提出，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。 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了 12kV额定开断电流为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，使额定开断 电流提高到30kA的水平。 70年代掀起中压开关无油化浪潮（真空、SF6），日本东 芝电气公司研制成功

6、了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，额定开断电流已能 做到50kA-100kA。 在世界中压市场的份额： 日本中压市场几乎100%采用真空断路器 我国1993年起电力部门大力推广真空断路器。中压真空断 路器的产量2000年已占全部中压断路器产量的87.36%, 2002年已占92.27%，当年生产12kV真空断路器13359台。 我国已成为世界中压真空断路器生产大国之一。 我国12kV级的真空断路器的额定开断电流已达到63kA的水 平，与国外产品的技术水平基本相同。40.5kV级的真空断路 器的额定

7、开断电流为25kA。1980198519901995200020%46%55%62%70%五、真空断路器的特点 它以真空作为绝缘和灭弧介质，因而耐电压强度高，开 断能力大; 使用安全，既不受外部环境影响，也不对环境造成污染 ，无喷油、排气、火灾和爆炸的危险，特别适合于城市 变电站和石油、化工、煤炭等部门使用; 开关的触头开距比其他开关装置小得多，因而对操动机 构的要求较低，使开关的总体体积减小，重量减轻，很 适合城市小型化、紧凑型变电站的工作条件; 操作寿命长，能满足频繁操作的要求; 易维护，灭弧室无需检修。 无辅助灭弧，容量受限。六、真空断路器的结构真空灭弧室绝缘子操动机构传动机构接线端子支

8、撑杆1.总体结构 真空断路器的两种布置方式（1）落地式 是将真空灭弧室安装在上方，用绝缘子支持， 操动机构设置在底座的下方，上下两部分由传动机构通过绝缘杆连接起来。落地式优点：传动效率高，分合闸操作时直上直下，传动环节少，摩擦阻力小；稳定性好，操作时振动小；便于操作人员观察和更换灭弧室；产品系列性强，而且容易实现户内外产品的相互交换。落地式缺点：总体高度较高，操动机构检修不方便。落地式（）悬挂式 真空断路器，是将真空灭弧室用绝缘子悬挂在底座框架前方，而操动机构设置在后方（即框架内部），前后两部分用（绝缘传动）杆连接起来。真空断路器装在一个手车上，主要由机架、真空灭弧室及传动系统 组成。悬挂式优

9、点：宜用于手车式开关柜。由于操动机构与高电压隔离，便于检修。悬挂式缺点：总体深度尺寸大，用铁多，质量重；绝缘子承受弯曲力；操作时灭弧室振动大；传动效率不高。因此，悬挂式真空断路器一般只适用于中等电压以下的产品。 悬挂式2.真空断路器的灭弧室法兰波纹管屏蔽罩外壳静触头动触头很像一个大型的真空电子管，真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，分别焊接在各自的导电杆上，波纹管可以在轴向上自由伸缩。作用：外壳是真空灭弧室的密封容器，它不仅要容纳和支 持灭弧室内的各种部件，而且当动、静触头在断开位置时 起绝缘作用。因此，整个外壳通常由绝缘材料和金属组成 。

10、要求：对外壳的要求首先是气密性要好；其次是要有一定 的机械强度（安装、运输）；再是有良好的绝缘性能。 材料：玻璃、陶瓷、微晶玻璃(1)绝缘外壳玻璃：成本低，易加工，气密性及绝缘性好， 易监视（漏气时电弧颜色改变），缺点是耐 冲击性差 陶瓷（高氧化铝）：机械强度高，气密及绝缘 性好，缺点是焊接工艺复杂，成本高(2)屏蔽罩微晶玻璃：又称玻璃陶瓷。它是乳白色的不透明体，但也有 些是半透明的。它不透气、不吸水，机械强度比氧化铝陶 瓷还高。绝缘良好，价格低于氧化铝陶瓷，是制造真空灭 弧空的理想材料之一。作用： 真空灭弧室开断电流时，电弧会使触头材料熔化、 蒸发和喷溅。有了屏蔽罩后可以有效地防止金属蒸 气

11、喷溅到绝缘外壳的内表面，避免内表面绝缘性能 下降； 吸收冷凝金属蒸气，利于介质恢复； 使灭弧室内部电场均匀分布，利于灭弧。 材料：屏蔽罩要求散热性能好，材料大多采用铜，厚 度在1mm左右。(3)波纹管作用：能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全 密封。 固定方式：一端固定在灭弧室的一个端面上，另一端运动 ，连在动触头的导杆上。 允许伸缩量决定了触头的最大开距。一般十几mm.灭弧室中 最薄弱的元件。动、静触头每分合一次，波纹管的波纹状 薄壁就要产生一次大的机械变形。长期频繁和剧烈的变形 容易使波纹管因材料疲劳而损坏，导致灭弧室漏气无法使 用。因此波纹管的疲劳寿命也决定了灭弧室的机械寿命.材

12、料：不锈钢（最佳）、磷青铜、铍青铜。 加工方式： 液压成形： 0.10.2mm钢管液压而成，工艺简单，成本低，但长度受限，寿命短。 膜片焊接：先将0.10.15mm钢片冲压成环形薄片，再经氩弧焊焊接而成，长度可根据需要加工，寿命长达几百 万次，工艺复杂，用于高压大行程开关。第二节 真空绝缘及其破坏机理一、真空间隙的绝缘强 度 高真空间隙中，气体分子的平均自由路程较长（比触 头间隙距离大一个数量级），碰撞游离不起作用密度自由行程标标准大气压压2.681019 /cm33.710-5 cm高真空1.3310-2Pa3.41012 /cm3282 mm 高真空间隙的绝缘强度比变压器油、标 准压力的压

13、缩空气和六氟化硫气体高得 多 间隙距离增大，则绝缘强度（击穿电压）升高，但有“饱 和现象” 。间隙长度小于lcm时，击穿电压与间隙长度成 正比，再增大间隙距离，击穿电压提高的效果就不那样显 著了。这就是开发高电压等级真空灭弧室的一个难点。 真空断路器单断口的额定电压一般只能达到72/84kV,SF6断 路器单断口的额定电压已能达到30OkV-500kV。显然后者 适宜用在高压和超高压电力系统中，而真空断路器只是在 10kV-35kV配电系统中得到广泛的应用。击穿电压 众所周知，电极表面在强电场作用下会产生冷电子发射。 电极表面电子发射的电流密度可由经典的肖特基 (Schottky)公式描述（略

14、） 匀强电场中，要产生间隙击穿，电场强度须大于109V/m。 实际情况，电场强度为大于l07V/m时，间隙击穿。如1cm长 的高真空间隙的击穿电压约为100kV。 原因：电极表面微观结构凹凸不平，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-100倍。一、真空击穿的机理（假说） 1.场致发射击穿机理 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

15、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。2.微粒击穿机理F两种机理相互关联，同时作用，间隙l较小时，以场致发射 为主，间隙l较大时，以微粒击穿为主。电极形状及表面状况： 电极的几何形状对电场的分布有很大的影响，其中电极 边缘的曲率半径是重要因素之一。通常曲率半径越大， 击穿越困难。 击穿电压也随着电极面积增加而降低，随着电极面积的 增加，引发击穿的弱点数目也相应增加，从而使放电概 率增加。 电极表面状况对真空间隙的击穿电压影响很大。电极表 面的氧化物、灰尘和金属微粒都会使真空间隙的击穿电 压明显下降。 电极间隙l的大小二、影响真空击穿的因素间隙

16、饱和点1cm击穿电压电极材料：电极材料对击穿电压有很大影响。硬度、熔点 、气化点、逸出功。真空度： 钨电极真空间隙的击穿电压随真空度的变化曲线如图。可见，当压力低于l0-2Pa时，击穿电压基本保持不变 。这是因为气体分子的碰撞游离已经不起作用，击穿电压 由其它条件如电极的表面情况决定。在曲线的右半部当压 力高于103Pa时，击穿电压曲线呈现直线上升的趋势。可利 用这一特点，通过定期检查真空灭弧室中触头间隙的耐压 情况，判断真空灭弧室有无漏气。电极老炼： 老炼是一种电极表面处理措施，即通过在电极上加高压 使电极间隙发生连续的火花放电。经过若干次的这种火 花放电处理后，间隙的击穿电压有显著的提高。近几年 的试验表明，火花老炼对提高间隙的绝缘强度是有效的 ，其原因可以认为是老炼时的火花放电消除和钝化了电 极表面的部分击穿弱点，大大降低发生重燃的概率。 方式：