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1、11. 真空电弧,11.1 概述 真空电弧：电极间为真空状态时产生的电弧，它实际上是电极金属蒸汽中的电弧。 （1）真空度与气压 粗真空： 1atm1.33102Pa; 低真空： 1.33102Pa-1.3310-1Pa; 高真空： 1.3310-1Pa-1.3310-6Pa; 超高真空：1.3310-6Pa -1.3310-10Pa； 极高真空： 1.3310-10Pa 真空度越高，气压越低,（2）击穿电压与气压的关系 Paschen定律描述了均匀场中击穿电压与pd的关系，它是一条V形曲线，对于一定距离的极间距，击穿电压与气压的关系如图。 当p 10-4pa时，Ub 基本不变，为了维持较高的击
2、穿电压，应使p 10-4pa，产生真空电弧时应使p 10-2pa。属于高真空。,（3）高真空间隙的绝缘强度,在电极表面光滑、电场均匀、高真空的条件下，取p=6.710-2Pa，电子的平均自由程为25cm,而极间距通常小于4cm，所以电极间基本不会因电子的碰撞电离而发生击穿。所以高真空间隙具有很高的绝缘强度。 由图可见，高真空间隙的绝缘强度比一个大气压下的空气、SF6气体和变压器油的高很多。 问题：一个大气压下，空气的击穿场强是多少？条件是什么？,（4）击穿电压与极间距的关系,a. 空气中均匀电场击穿电压与d的关系,b.高真空中Ub与d的关系,当d 1cm时， Ub基本上正比于d, 当d 1cm
3、后， Ub 趋于饱和，增大极间距不能有效地提高击穿电压。这就是研制高电压等级真空断路器的难点。,当d 1cm后， Ub 趋于饱和。 击穿电压随距离变化的原因是什么？如何解释？ 这涉及其击穿机理。现已提出几种假说。,11.2 真空间隙的击穿机理,为了解释击穿电压随极间距离增大的曲线特性，人们提出了多种理论。真空绝缘主要与电极过程和金属蒸汽有关。其击穿机理主要有如下两种： （1）场致发射机理 再光滑的电极表面都有许多的微观突起，这些微观突起被称为晶须。晶须的高度约为10-4cm，半径约为10-5cm，密度约为104个/cm2。由于尖端效应，晶须的尖端场强可增强数百倍。这样，在平均场强106V/cm
4、时，尖端场强可108V/cm，阴极晶须会在强电场作用下发射电子（Schottky 效应）。电子电流密度由Schottky公式表示。 晶须的尖端场强增强的程度可由电场的增强系数表示，晶须的高径比与极间距的比值越大，则增强系数就越大，若极间距增大，则增强系数就越小。所以这一机理仅成立于小极间距的情况。,在阴极发射电子电流的作用下，晶须的温度由两方面决定： a. 流过晶须的电流产生的焦耳热； 电极热传导引起的冷却。 物理过程：若晶须温度足够高汽化间隙内金属原子密度增大碰撞电离加剧等离子体膨胀扩散到电极间间隙击穿 晶须汽化需有一临界场强Ec，与其相应的间隙击穿电压Ub= Ecd 可见，间隙击穿电压与极
5、间距成正比。所以，当d1cm时，击穿由热电子发射或/和场致电子发射引起。,（2）微粒击穿机理,设阴阳极间为均匀电场E，电极表面的电荷面密度=0E，又设一微粒吸附在阴极表面，微粒所占阴极表面的面积为S，则微粒所带电量为Q= S= 0E S。该微粒在电场力作用下到达阳极时的动能为,Wk= QU= 0E SU= 0 SU2/d （1） 若微粒的动能足够大，当其撞击阳极表面时，使阳极表面温度升高、汽化而产生等离子体，就可使间隙击穿。此时的电压即为击穿电压，所以有,可见，Ub 与d的平方根成正比。这一结论与d 1cm的实验结果吻合。 另外，还有二次电子发射的机理。 这几种击穿的原因和作用是同时存在的，看
6、是哪种为主。,（3）影响击穿电压的因素,真空度； 极间距； 电极材料：铜钨合金、铜铋合金、铜铬合金 金属蒸汽的电离能与金属材料有关，电极材料对击穿电压和真空电弧的性质都有重要影响。 电极表面状况 老练情况,（4）击穿的物理过程,用真空触发管做实验 a.真空触发管的结构,b.实验电路,C.实验结果,触发瞬间 发展阶段 电弧形成,问题：1. 可见光的来源？它反映了什么？ 2. 电极间的一团等离子体如何运动？ 根据物理现象推断的击穿过程 开关的两个电极断开时，若阴极表面的电场强度超过某一阈值，就会由于场致发射而发射出电子，电子在电极间做加速运动，具有很高能量的电子撞击阳极就会轰击出正离子和金属蒸汽，
7、这之后就会发生两个过程：第一个过程是后续的电子就会与金属蒸汽中的金属原子发生雪崩式的碰撞电离，电离出的大量电子和正离子就在阳极附近形成了电弧等离子体；第二个过程是从阳极表面轰击出的正离子在强电场作用下加速运动，撞击阴极并轰击出电子和金属蒸汽，后续的正离子与金属蒸汽同样也会发生雪崩式的碰撞电离，结果就在阴极附近形成电弧等离子体。 随后阴极和阳极附近的等离子体迅速向整个间隙扩散（双极性扩散），最终使间隙导通，电极间的电压迅速下降到电弧的维持值。,由阴极电子发射发展到电弧形成，这一过程涉及真空放电物理,要研究高电压等级的真空开关，就要研究这一过程 能否阻止阴极发射电子？采用高（ Tb）的阴极材料和特
8、别平滑的阴极表面？ 如何阻止电弧形成？或者，如何阻止阴极发射的电子向阳极运动？,11.3 真空电弧,真空电弧的形成 真空灭弧室内的动静触头是平面接触式的平面圆盘电极，当动静触头分离的瞬间，电流集中在少数接触点上， 电流产生的焦耳热接触点迅速升温 金属熔化形成一个个的亮点阴极斑点金属蒸汽电子碰撞金属蒸汽电弧等离子体 所以真空电弧是金属蒸汽中的电弧。 真空电弧按形状可分为两种类型： 扩散形真空电弧 几千安培的电流 集聚形真空电弧 几十千安培的电流,2. 扩散形电弧,对于铜电极，每个阴极斑点的通导电流为几十100A，随着电流增大，斑点增多。阴极斑点是发射电子和产生金属蒸汽的源，电子与金属蒸汽碰撞产生
9、新的电子和正离子，从而形成电弧等离子体，但金属蒸汽压不高。由于真空电弧弧柱中带电粒子多，电导率高，场强很低，且由于斑点喷射出的粒子动能较大，所以正离子也和电子一样向阳极运动。阴极斑点附近的粒子密度最大，它们在向阳极运动的过程中会发生扩散，从而形成锥顶角为60度的圆锥状弧柱，所以称为扩散形电弧。,扩散性电弧的特点是：只有阴极斑点而阳极表面没有斑点；阴极斑点不断移动。 由于阴极斑点在阴极表面快速移动，电极的局部区域加热时间短，阴极表面的平均温度低于金属材料的熔点。 扩散型电弧熄灭后，几微秒内就恢复为真空间隙，从而能承受很高的电压。,随着电流地增大，阴极斑点增多，相邻的锥体发生重叠。 阴极斑点通常从
10、中心区域向边缘不断移动，然后弯曲变长，因不能维持弧柱电压而熄灭，但瞬间在电极中心区域又会产生新的阴极斑点。,3.集聚形电弧,形成过程：电流 阴极斑点数 电子数 轰击阳极表面使其温度 阳极斑点形成 喷射带正电的金属蒸汽和正离子 带电粒子数 电导率 阳极斑点所在弧柱的弧柱电压 其它阴极斑点所对应的弧柱电压不能维持而熄灭，阴极表面只剩下与阳极斑点正对面的阴极斑点 形成集聚形电弧。 阴极斑点和阳极斑点都是明亮可见的，阳极斑点的直径可达12cm，熔区的冷却需要毫秒量级。电流过零后，阳极斑点仍喷发金属蒸汽，因此间隙无法承受恢复电压而重燃。 集聚形电弧弧柱中可达数个大气压，其伏安特性为负阻特性。,电流自身磁
11、场对形成集聚形电弧的作用 将圆锥状电弧近似视为圆柱状，设其半径为R， 则电流产生的磁场BI， I为总电流，又设距轴线r处的电流密度为j，则该电流所受磁压力为f Ij，这个力使弧柱箍缩，但弧柱内粒子的气压要使其膨胀，所以弧柱的直径取决于这两个力的大小。 I 磁压力f Ij 使弧柱箍缩集聚形电弧 集聚形电弧的特点是：阴极斑点团和阳极斑点移动缓慢，甚至不动，阴阳极表面局部升温剧烈，导致严重熔融汽化。,4. 电弧电压,高气压电弧：负的伏安特性，以弧柱压降为主 真空电弧：小电流时为正的伏安特性，因为弧柱短，以阴极压降和阳极压降之和为主；大电流时仍呈现负阻特性。 （1）阴极压降Uc 由阴极材料的沸点温度T
12、b和热导率的乘积决定 沸点温度Tb 金属蒸汽不易产生 热导率 阴极斑点温度不易 两者的乘积大 要产生足够的金属蒸汽所需的能量 阴极压降,阴极压降与阴极材料物性（ Tb）的关系,（2）弧柱压降Uz,电流I 阴极斑点 锥体重叠 粒子密度 碰撞 运动阻力 要维持大电流，需场强 弧柱压降 Uz：0.1V/cm(小电流）几V/cm(几千安以上） 因极间距不大于4cm，所以Uz在电弧电压中所占比例很小。,（3）阳极压降Ua与真空电弧的伏安特性,小电流时，电子、正离子都可凭其初始动能到达阳极，阳极附近正负电荷基本相等，阳极压降Ua基本等于零，电弧电压基本为阴极压降，如图中a区所示。 电流I 弧柱场强Ez与U
13、z都（原因同前，如b区所示）， 若Uz 、Ez增大到一定值正离子在电场中减速并转向阴极运动阳极附近只剩下电子（离子贫乏） 形成阳极场强和阳极压降Ua（c区的曲线1） 若电流I 继续 形成阳极斑点 喷射带正电的金属蒸汽和正离子 阳极压降Ua （c区的曲线2） 形成集聚形电弧。伏安特性？ 结论：小电流时为正的伏安特性， 大电流时仍为负的伏安特性,5. 磁场对真空电弧的影响,（1）横向磁场 磁力线与弧柱轴线垂直 优点：电弧电流在横向磁场中受到的洛仑兹力使电弧在电极表面运动，避免电极局部温度过高，抑制或推迟阳极斑点的产生。 缺点：使电弧弯曲变长，电弧电压和电弧能量增加，限制了开断电流的提高。角向磁场o
14、r径向磁场or X向磁场? 电弧电压高更易于灭弧 （2）纵向磁场 磁力线与弧柱轴线平行 优点：a. 对作径向运动的带电粒子有抑制作用，延缓了离子贫乏现象和阳极斑点的产生； b. 可降低电弧电压（?）和电弧能量； c. 部分抵消了电弧本身磁场产生的箍缩作用（向心力），延缓了集聚形电弧的形成。,C1:40kA， C2: 30kA，C3：20kA 图 电弧电压与纵向磁场强度的关系,6. 交流真空电弧的熄灭,(1) 双极性扩散的速度几个cm/s，所以真空间隙可在几微秒内恢复绝缘性能 (2) 只要没有集聚型电弧，电流过零后就不会再有电弧。 开断大电流时，需避免形成集聚型电弧。可采取外施磁场的措施： 采用
15、纵向磁场触头，提高集聚电流值； 采用横向磁场触头，使集聚性电弧迅速移动，避免电极表面局部升温；在后半周电流减小时使电弧重新变为扩散型电弧，这样电流过零时就没有阳极斑点。 (3) 小电流的截流现象 截流与钨的含量有关，不含钨的电极的截流值很小。 (4) 散热方式：以辐射和经电极、屏蔽罩的热传导为主，散热条件较差。,7.电压、电流波形与截流问题,（1）直流条件下小电流时的电弧电压波形 随着电流从50A减小到10A，电弧电压也逐渐从1819V降低到1516V 50A时，噪声电压峰值45V； 25A时，噪声电压峰值8V，个别脉冲超过20V； 10A时，大多数噪声电压峰值超过25V，个别脉冲超过60V. 另外，在电流陡峭变化时，噪声电压可超过上千伏,噪声电压的频率从几KHz到几MHz，其持续时间可达几十微秒。 噪声电压形成的原因：因为电流小，阴极表面局部因电子爆炸发射出一阵阵极高密度的电子流（Explosive Centre, Ecton for short），电子爆炸发射具有随机的性质。 由于是间歇式地发射电子，这些电子就在间隙中建立起高频电场（噪声电场），从而引起间隙间带电粒子的高频振荡。,（2）电流较大时的情况,交流时几百安培的条件下，电弧电压和电流的波形都很光滑。这是因为有了持续性的阴极斑点，源源不断地发射电子，没有高频电场。,（3）大电流时的电弧电压波形,在即
