[信息与通信]真空断路器

1、真空断路器一、概一、概 述述利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。真空断路器。真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低干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。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。一个工程大气压约为0.1mpa(兆帕)。过去习惯使用毫米汞柱(mmhg)或托(torr)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的真空度(即真空压力值)在10-4torr一10-7torr，

2、即1.3310-2pa1.3310-5pa ，属于高真空范畴。在这样高的真空度下，气体的密度很低，气体分子的平均自由路程很长，因此触头间隙的绝缘强度很高。5221166101011.01 101.33 1021.33 101.33 1031.33 101.33 1041.33 101.33 1051.33 10papapapapapapapapa（）粗真空：真空压力范围为（ ）低真空：真空压力范围为（ ）高真空：真空压力范围为（ ）超高真空：真空压力范围为（ ）极高真空：真空压力范围为真空开关电器发展简述真空开关电器发展简述早期的理论研究阶段早期的理论研究阶段。利用真空介质来熄灭电弧的设想在1

3、9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。深入的理论研究和关键工艺发展的阶段。深入的理论研究和关键工艺发展的阶段。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12kv额定短路开断电流为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，使额定短路开断开断电流提高到30ka的水平。真空开关电器的全面发展预广泛应用阶段。真空开关电器的全面发展预广泛应用阶段。70年代后，日本东芝电气公司

4、研制成功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，额定短路开断电流已能做到50ka100ka。二、真空间隙的绝缘特性二、真空间隙的绝缘特性理想的真空间隙是指电极表面光滑的真空间隙。高真空间隙中，气体分子的平均自由行程很长，比真空开关中的触头间隙距离大一个数量级。气体分子的碰撞游离基本不起作用，这就是高真空间隙具有很高绝缘强度的根本原因。高真空间隙的绝缘强度比变压器油、高压力的压缩空气和六氟化硫气体高得多。随着间隙距离的增大，高真空间隙的绝缘强度出现“饱和现象”，即距离过分增大，击穿电压增加不多。1. 真空间隙的

5、击穿机理真空间隙的击穿机理大量研究表明，真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引起，而主要由电极现象决定。随着电极表面温度和外加电场强度的增大，电极表面电子发射的电流密度也增大。实验证明，当电流密度达到某一临界值时，真空间隙就被击穿了。如果只考虑电场作用，要产生间隙击穿，电场强度必须达到109v/m以上。但实际情况下的电场强度值要小得多，例如1cm长的高真空间隙的击穿电压约为100kv，相应的电场强度为107v/m。（1 1）场致发射击穿机理）场致发射击穿机理由场发射理论可导出发射电流密度与电场强度之间的关系 kteethmekj2/12/3422exp4 j场发射电流密度 m电子质

6、量 e电子电荷 k玻尔兹曼常数 h普朗克常数 电子逸出功 t电极温度 e电场强度 电极表面微观凹凸不平。电极表面微观凹凸不平。实际电极表面微观结构是凹凸不平的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倍一l00倍。电极表面杂质。电极表面杂质。电极表面杂质和氧化膜使电极表面的电子逸出功减小，使场致发射容易发生。电极表面局部发热。电极表面局部发热。发射电子的微小凸起点有一定的电阻，发射电子时会使这些微小凸起点局部发热熔化和蒸发，产生大量的金属蒸气，从电极表面发射的电子穿过间隙时会与这些金属蒸气的原子和分子产生碰撞游离，

7、出现与气体间隙相似的击穿过程，容易造成间隙击穿。按照场致发射的击穿机理，击穿的发生是以一定临界击穿电场强度条件，因此真空间隙的击穿电压应与间隙距离成正比，这与小间隙下击穿电压的试验结果是一致的。（2 2）微粒击穿机理）微粒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。根据微粒击穿机理，真空间隙的击穿电压与间隙距离0.5次方成正比。2/12/1

8、21kllrkwub bu击穿电压 w微粒动能 r微粒半径 l触头间隙 1k04645. 1，0为真空介电常数 21/rkwk ，其值约为255/105 . 2102 . 1cmv （3 3）电极的二次发射）电极的二次发射间隙中的正离子和光子等，撞击阴极而引起二次电子发射，或加强了场致发射而引起绝缘击穿。 当电极表面吸附了许多气体和有机物时，从阴极放出的一次电子在电极间加速并打击阳极。阳极受到一次电子打击后，其表面的气体电离，产生正离子和光子，它们再受电场的作用，加速后又打到阴极上，使阴极发射二次电子。这一过程反复进行下去，如果二次电子不断增加，使间隙中的带电粒子数越来约多，电流将迅速增大，造

9、成真空间隙的击穿。 这三种引起真空击穿的原因并不是孤立的、是相互关联而这三种引起真空击穿的原因并不是孤立的、是相互关联而又同时发生作用的。又同时发生作用的。许多研究者认为；当真空间隙(电极间距离)很小时，击穿主要由场致发射引起；真空间隙较大时，微粒的作用成为击穿的主要原因。而电场的二次发射造成击穿的可能性极小。真空中的绝缘击穿电压，根据电极材料与表面状态的不同真空中的绝缘击穿电压，根据电极材料与表面状态的不同而有显著差别。而有显著差别。通常，电极材料的熔点或机械强度越高其绝缘击穿电压也越高。在电极表面有突起的部分时，其耐压强度即显著降低。为消除此种电极表面的突起，需要进行放电处理(老炼处理)。

10、此外，电极表面附着有气体或有机物时，在较低电压下即发生绝缘击穿，因此，必须注意使电极表面非常清洁。真空间隙击穿所需时间极短，一般在数十至一百多纳秒内。真空击穿初始阶段的电流由间隙的分布电容贮能提供，当电源功率足够大时，击穿才能发展成真空电弧。在电力系统中，电源功率很大，所以其中触头间的击穿通常都能转变成真空电弧。2.2.影响真空间隙击穿电压的因素影响真空间隙击穿电压的因素（1）真空间隙距离（2）真空度（3）电极材料1铜铬合金；2铜铋合金（4）电极表面状况电压老炼电压老炼就是通过放电消除电极表面的微观凸起、杂质和缺陷。经过小电流的放电使表面的微观凸起点烧熔、蒸发，使电极表面光滑平整，局部电场的增

11、强效应减小，提高了击穿电压。老炼对电极表面的纯化作用也是很重要的。由于电极表面的电子发射容易出现在逸出功较低的杂质所在处，击穿放电同样能使杂质熔化和挥发，同样能提高间隙的击穿电压。老炼过程中若能同时抽气，把蒸发的气态物抽走，效果更佳。电压老炼只适宜用在真空间隙击穿电压的提高，对真空灭弧室触头间隙击穿电压的提高不会有太大的效果。电弧对触头表面的饶损将使电压老炼的效果全部失效。电流老炼电流老炼是让真空灭弧室多次(几十次到几百次)开合几百安的交流电流。利用电弧高温去除电极表面一薄层材料，使电极表面层中的气体、氧化物和杂质同时除去。电流老炼的作用主要是除气和清洁电极表面，对真空灭弧室开断性能的提高有一

12、定的改善作用。（5）电极老炼三、真空电弧 不管触头表面如何平整，微观上看总是凹凸不平的。两触头接触时只有少数表面突起部分接触，通过电流。接触点的多少和接触面积的大小与接触压力有关。当触头在真空中开断电流时，随着触头分开，接触压力减小，接触点的数量和接触面积也随之减少，电流集中在愈来愈少的少数接触点上，损耗增加，接触点温度急剧升高，出现熔化。随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断裂产生金属蒸气。金属蒸气的温度很高，部分原子可能产生热电离，加上触头刚分离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温、强电场的作用下又会发射出大量电子，并很快发展成温度很高的阴极斑点。而阴极斑点又会蒸发出新

13、的金属蒸气和发射电子，这样触头间的放电将转变为自持的真空电弧了。 由此可见，维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子，真空电弧实为金属蒸气电弧。真空电弧实为金属蒸气电弧。1.1.真空电弧的形成真空电弧的形成 金属蒸气来自触头材料的蒸发，因此电极材料的特性对真空电弧的性质起支配作用。电极现象是研究真空电弧的出发点和重要内容。2.扩散型和集聚型（收缩型）真空电弧当铜电极上电弧电流小于100a时，阴极一般只存在一个高温的发光斑点阴极斑点。阴极斑点的电流密度很高。阴极斑点是发射电子和产生金属蒸气的场所。电子与金属蒸气的原于碰撞会游离出新的电子和正离子，这些电子和正离于依靠自身的动能朝向阳极运动过程中还会

14、向径向密度低的地区扩散，因此呈现出一个圆锥状的微弱发光区域。圆锥的锥顶就是阴极斑点，朝着阳极发散，锥顶角约60度。圆锥内有着大量的离子、原子和电子，其中正离子和电子的数量大致相同。这就是真空电弧的等离子区，又称弧柱区。在锥体以外地区，粒子的密度是很低的。真空电弧有两种形态即小电流(几千安)下的扩散型真空电弧和一万安以上大电流的集聚型真空电弧。随着电弧电流的增大，阴极斑点的数量也会增加，但每一阴极斑点仍有自己的等离子区锥体，相邻的锥体也可能重叠。阴极斑点在阴极表面不停地运动，通常是由电极中心向边缘运动。当阴极斑点到达电极边缘时，等离子区的锥体弯曲，接着阴极斑点突然消失，而在电极中心又会出现新的斑

15、点。有时阴极斑点也会自动分裂产生新的阴极斑点。这种阴极斑点不断消失、不断产生且向边缘扩散的真空电弧称为扩散扩散型真空电弧型真空电弧。扩散型电弧的特点是阴极斑点数量多，且不断在阴极表面运动，电弧间隙中同时存在着很多个并联支弧，而阳极表面尚未形成高温的阳极斑点。阴极斑点的数量与电弧电流的大小、阴极材料的熔点和热传导系数有关。材料的熔点越低，热传导系数越小，每一斑点通导的电流也越小。当电弧电流大于某一临界值时，电弧外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周扩散而是集聚在一个或几个较大的面积上并出现阳极斑点，这种真空电弧称为集聚型真空电弧集聚型真空电弧。通常认为出现了集聚型真空电弧形态即意味着达到了极限开

16、断能力。集聚型真空电弧的弧柱区有很高的蒸汽压力，其电弧电压比扩散型有明显增加，使电弧能量更大。3.3.真空电弧特性真空电弧特性与高气压的电弧相同，真空电弧的电弧电压也由阴极压降、弧柱(等离子区)压降和阳极压降三部分组成。不同的是，前者以弧柱压降为主，而真空电弧的长度很短，对电弧电压起主要作用的是阴极和阳极压降。高气压电弧具有负的伏安特性，电弧电压随电流增大而减小；真空电弧则相反，它具有正的伏安特性，电弧电压随电流增大而增加。4.4.磁场对真空电弧的影响磁场对真空电弧的影响横向磁场就是与弧柱轴线垂直的磁场。它与电弧电流作用产生的洛仑兹力能使电弧沿着圆周方向运动，能防止电弧长时间停留在电极表面的某

17、些点上所造成的局部温度过高，从而抑制或推迟阳极斑点的产生，对提高真空开关的开断性能有明显的效果。横向磁场使电弧运动会把电弧弯曲拉长，电弧电压及电弧能量也将提高，又会使真空开关开断电流的提高受到一定限制。目前应用横向磁场原理制成的真空断路器的额定开断电流可达几十千安。(1)横向磁场(2)纵向磁场与弧柱轴线平行的磁场称为纵向磁场，它对电弧的形态、抑制阳极斑点的形成、减小电弧电压有着显著的作用。从阴极斑点发射的电子和离子在向阳极方向运动时，会同时向四周密度较低的地区扩散，具有一定的径向速度。当存在纵向磁场强度时，电荷径向运动与纵向磁场产生的力是圆周方向的。它将约束径向运动的电荷绕着电弧轴线方向作旋转

18、运动，使径向扩散的电子和离子数大为减少，延缓了在阳极附近出现离子贫乏现象。弧柱内比较容易维持等离子体的平衡。另外，电子和离子绕电弧轴线作旋转运动时产生的离心力，将局部抵消电弧本身磁场产生的磁压力(向心力)的作用，从而延缓电弧直径的减小，电弧电压也会降低。这对推迟集聚型电弧的出现也是非常有利的。纵向磁场强度也不宜过大纵向磁场强度也不宜过大，否则围绕电弧轴线作旋转运动的电子和离子会因速度过大而产生过多的碰撞，使电子朝着阳极方向运动时的阻力增大，以致必须提高弧拄电压才能维持新的平衡。因而纵向磁场过大也会导致电弧电压的升高。在某一电流下有一最佳的纵向磁场值，此时的电弧电压最低。它随着电流的加大而增加，

19、利用电弧电流本身产生纵向磁场的方法可以基本满足这一要求。纵向磁场可以降低真空电弧的电弧电压，减小电弧能量。根据高速摄影对纵向磁场中真空电弧的观察，即使在大电流下，阴极斑点在电极表面上的分布仍是均匀的，这就大大减小了电极的磨损和金属蒸气的蒸发。即使在大电流下，电弧仍能维持在扩散型。因此，采用纵向磁场原理制成的真空断路器，其额定开断电流可达50ka甚至达到100ka。5.交流真空电弧的熄灭交流真空电弧电压的变化反映了真空电弧形态的变化。根据电弧电压的波形可以大致判断真空电弧是否转变成集聚型，真空开关的开断电流是否已接近极限。另外，由于真空电弧的正伏安特性，使交流真空电弧电压的变化不像其它高气压交流

20、电弧那样具有马鞍形的特点，也没有燃弧和熄灭尖峰。交流电弧的电流是随时间作正弦变化的且有电流自然过零的特点，这给熄灭交流真空电弧带来了极大的方便。四、真空灭弧室的结构和工作原理四、真空灭弧室的结构和工作原理1动导电杆2导向套3波纹管4动端盖板5波纹管屏蔽罩6绝缘筒7主屏蔽罩8触头9静导电杆10静端盖板1.外壳由绝缘筒、静端盖板、动端盖板和波纹管组成，构成密封真空容器，同时作为动、静触头之间的绝缘支持。绝缘筒：玻璃、陶瓷、微晶玻璃外壳金属材料和绝缘材料的焊接：过渡金属波纹管：液压成型和薄片焊接两种。最薄弱的环节，决定了真空灭弧室的寿命。 波纹管能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全密封。从机

21、械上讲，它是真空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。因此真空灭弧室的机械寿命主要决定于波纹管。 波纹管种类很多，用在真空灭弧室中的有液压成形的波纹管和薄片焊接成形的波纹管。液压成形的波纹管由0.1mm0.2mm厚的不锈钢管经液压成形后成为波纹管的主坯，再经过加工、修正和热处理后，制成具有一定弹性和标准尺寸的波纹管。由于受到加工条件的限制，波纹管不能做得很长，加上波纹管的最大压缩行程仅为自由长度的20一30，因此它的绝对行程也不可能做得很大。在最大压缩行程下，波纹管的疲劳

22、寿命只有数万次，这对真空断路器的机械寿命要求几万次乃至十万次，负荷开关10万次30万次，真空接触器上百万次的要求就很难适应了。理论分析表明，波纹管的疲劳寿命与压缩行程的3.5次幂成正比，显然减小压缩行程对提高波纹管的机械寿命是非常有效的。因此在调试真空开关时要防止波纹管受到过量的压缩，开关操作时还应注意过冲行程不宜过大以防止波纹管因压缩行程过大而降低使用寿命。液压成形的波纹管的加工工艺相对简单，价格也比较便宜。 薄片焊接波纹管是用0.10mm0.15mm厚的非导磁不锈钢片冲压成环形薄片后依次逐个用氩弧焊焊接成形的，薄片焊接波纹管的长度可以根据需要任意增长，同时工作行程可达自由长度的60以上。另

23、外由于波纹管的厚度比较均匀，每片的变形又不太大，因此疲劳寿命长，一般可达几百万次，比液压成形波纹管的寿命长得多。由于焊接工艺复杂、价格昂贵，使它的应用受到一定的限制。通常用于机械寿命要求长、额定电压等级高、触头行程大的真空开关中。2.触头 真空灭弧室内最为重要的元件，决定其开断能力和电气寿命。目前真空开关的触头的接触方式都是对接式的。触头结构：平板圆柱形触头，横向磁场触头、纵向磁场触头。横向磁场触头螺旋槽触头横向磁场触头杯状触头纵向磁场触头铁芯式纵磁触头纵向磁场触头线圈式纵磁触头纵向磁场触头杯状纵磁触头纵向磁场触头增强型线圈式纵磁触头触头材料是影响灭弧室性能的重要因素，这是因为真空电弧是由触头

24、材料蒸发出的金属蒸汽来维持的。基本要求：l开断能力l截流水平l耐电压强度l抗熔焊能力l含气量l高电导率、高导热系数和小的接触电阻以及高的机械强度l电磨损率小l低的热电子发射能力真空触头材料的要求是十分苛刻的，而且上述要求有些还是相互矛盾的。 难熔金属材料的耐弧和抗熔焊性能好。由于难熔金属的熔点高，在加工时可采用高温除气处理，使材料中含气明显减少。另外在灭弧时，金属蒸气在冷凝前还有吸附气体的作用。早期的真空开关都采用难熔金属作为触头材料。由于大电流开断后的介质强度恢复慢，限制了开断电流的提高。 良导电材料由于抗熔焊性能和耐弧性能不好也难以在真空开关中使用。 要想从纯金属材料中找到各方面性能均能满

25、意的材料已不可能。近年来，在合金材料方面进行了大量研究工作，找到了多种比较理想的触头材料，它对推动真空开关性能的提高起了巨大的推动作用。 当前用于真空断路器采用最多的合金触头材料是铜铬合金。铜铅粉末冶金触头材料是在20世纪70年代由美国西屋公司和英国gec公司等研制成功的。 铜铬合金材料的质量取决于铬粉的质量，特别是其中的含气量。国外生产的铬粉的含气量很低，因而用这种铬粉制成的铜铬材料的质量高。 铜铬合金触头的开断性能比铜碲硒触头高10，同时具有更好的绝缘性能，更低的触头烧损和弧后重燃概率，在燃弧过程中还具有吸气作用。缺点是抗熔焊性能稍差。铜铬合金材料适宜用在高电压、大开断电流的真空断路器中。

26、3.屏蔽罩真空灭弧室内常用的屏蔽罩有主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压屏蔽罩。主屏蔽罩环绕着电弧间隙，主要作用如下：(1)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。有了主屏蔽罩后可以有效地防止金属蒸气喷溅到绝缘外壳的内表面，避免内表面绝缘性能下降(2)屏蔽罩可使交流电流过零时，灭弧室内剩余的金属蒸气和导电粒子径向快速地扩散到屏蔽罩上，冷却、复合和凝结，有利于电流过零后弧隙介质强度的提高，改善了灭弧室的开断性能。屏蔽罩的温度愈低，冷凝效果愈好。显然在一定程度上加大屏蔽罩的表面积增大散热效果将有利于开断性能的提高。(3)屏蔽罩的存在会影响动、静触头间的电场分布。屏蔽罩设计得当将有利于触头间

27、绝缘强度的提高。 主屏蔽罩要求散热性能好，材料大多采用铜和不锈钢，厚度在1mm左右。主屏蔽罩的固定方式分两大类，即固定电位式和悬浮电位式。固定电位式是将屏蔽罩固定在动触头(或静触头)上因而电位是固定的。这种方式的优点是结构简单。但在开断大电流时电弧可能转移到静触头与屏蔽罩间，导致屏蔽罩损坏。另外，也可将屏蔽罩固定在动触头上，这可能导致触头间电场分布恶化，影响电流过零后介质强度的恢复。因而这种固定方式只用在电压不高、开断电流不大的真空接触器和负荷开关中。悬浮电位式屏蔽罩有四种不同的固定方式(1)中间封接式：主屏蔽罩固定在绝缘外壳中部的金属圆环上。触头间的电场分布比较均匀。(2)绝缘支柱式：由瓷柱或玻璃圆筒来支撑屏蔽罩。生产工艺简单，成本较低。(3)外屏蔽罩式：绝缘外壳焊在主屏蔽罩的两端。主屏蔽且是外壳的组成部分、有利于屏蔽罩散热。(4)绝缘端盖式：主屏蔽罩就是真空灭弧室的外壳。动、静触头间的沿面放电距离由高氧化铝瓷盘制成的端盖承担，因而沿面放电距离受到灭弧室直径的限制，一般只用于12kv及以下的真空灭弧室中。 波纹管屏蔽罩包在波纹管四周，防止金属蒸气溅落在波纹管上，妨碍波纹管工作和降低其使用寿命，波纹管屏蔽罩的厚度较薄，约为0.5mm一1mm，材料为铜，也可采用不锈钢。 均压屏蔽且装置在