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摘要： 真空斷路器處于合閘位置時(shí)，其對(duì)地絕緣由支持絕緣子承受，一旦真空斷路器所連接的線路發(fā)生永久接地故障，斷路器動(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被清除，則有電母線的對(duì)地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受；各種故障開斷時(shí)，斷口一對(duì)觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復(fù)電壓的作用而不發(fā)生擊穿。因此，真空間隙的絕緣特性成為提高滅弧室斷口電壓，使單斷口真空斷路器向高電壓等級(jí)發(fā)展的主要研究課題。
真空斷路器處于合閘位置時(shí)，其對(duì)地絕緣由支持絕緣子承受，一旦真空斷路器所連接的線路發(fā)生永久接地故障，斷路器動(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被清除，則有電母線的對(duì)地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受；各種故障開斷時(shí)，斷口一對(duì)觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復(fù)電壓的作用而不發(fā)生擊穿。因此，真空間隙的絕緣特性成為提高滅弧室斷口電壓，使單斷口真空斷路器向高電壓等級(jí)發(fā)展的主要研究課題。
真空度的表示方式
絕對(duì)壓力低于一個(gè)大氣壓的氣體稀薄的空間，稱為真空空間，真空度越高即空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個(gè)mm水銀柱高)，毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1托=131。6Pa，1毫巴=100Pa)我們通常所說真空滅弧室內(nèi)部的真空度要達(dá)10-4托是指滅弧室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)僅為"萬分之一mm水銀柱高"，亦即是1。31x10-2Pa。
“派森定理”亦有譯為“巴申定律”，是指間隙電壓耐受強(qiáng)度與氣體壓力之間的關(guān)系。圖1表示派森定理的關(guān)系曲線呈"V"字形，即充氣壓力的增加或降低，都能提高極間間隙絕緣強(qiáng)度。其擊穿機(jī)理至今還不清楚，因?yàn)檎婵諟缁∈覂?nèi)部真空度高于10-4托，這樣稀薄空氣的空間，氣體分子的自由行程為103mm，在真空滅弧室這么大小的容積內(nèi)，發(fā)生碰撞的機(jī)率幾乎是零。因此不會(huì)發(fā)生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實(shí)驗(yàn)得出的，條件是在均勻電場(chǎng)的情況下，其間隙擊穿電壓Uj可表示為:
Uj=KLa
L------間隙距離；
a------間隙系數(shù)(間隙<5mm時(shí)a=1，>5mm時(shí)，a=0。5)
由派森定理的"V"形關(guān)系曲線中看出，當(dāng)真空度達(dá)103托時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)附近曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。
當(dāng)真空度和間隙距離相同時(shí)，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發(fā)生變化，電極材料機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高時(shí)，真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。
真空絕緣的破壞機(jī)理
前面已說過，在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內(nèi)，氣體分子的自由行程很大，不會(huì)發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會(huì)擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會(huì)破壞的機(jī)理，場(chǎng)致發(fā)射引起擊穿，微塊引起擊穿和微放電導(dǎo)致?lián)舸?BR> 場(chǎng)致發(fā)射論對(duì)真空間隙所以能發(fā)生擊穿的解釋
間隙電場(chǎng)能量集中，在電極微觀表面的突出部分發(fā)生電子發(fā)射或蒸發(fā)逸出，撞擊陽極使局部發(fā)熱，繼續(xù)放出離子或蒸汽，正離子再撞擊陰極發(fā)生二次發(fā)射，相互不斷積累，最后導(dǎo)致間隙擊穿。
著名的Fowler and Noraheim場(chǎng)發(fā)射電流I表達(dá)式為:
I=AE2e-B/E
式中 E------電場(chǎng)強(qiáng)度；
A------常數(shù)，與發(fā)射點(diǎn)的面積有關(guān)；
B------常數(shù)，與電極表面的逸出有關(guān)。
在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下，可以合理地認(rèn)為真空間隙擊穿是由場(chǎng)致發(fā)射引起的，但在長間隙及連續(xù)加壓與長脈沖電壓下，有的學(xué)者認(rèn)為真空的擊穿尚存在其它機(jī)理:
(1)陰極引起的擊穿；在強(qiáng)電場(chǎng)下，由于場(chǎng)發(fā)射電流的焦耳發(fā)熱效應(yīng)，使陰極表面突出物的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，突出物熔化產(chǎn)生蒸汽引起擊穿。
(2)陽極引起的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束，轟擊陽極使某點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生熔化和蒸汽而發(fā)生間隙擊穿。產(chǎn)生陽極引起擊穿的條件與電場(chǎng)提高系數(shù)和間隙距離有關(guān)。
微塊引起擊穿的解釋
假設(shè)在電極表面附著較輕松的微塊，在電場(chǎng)作用下，微塊脫落而且加速，這微塊撞擊對(duì)面的電極時(shí)，由于沖擊發(fā)熱可使其本身熔化產(chǎn)生蒸汽，引起擊穿。
微放電導(dǎo)致真空間隙擊穿的解釋
電極的陰極表面沾污，將發(fā)生微放電現(xiàn)象。微放電是一種小的自抑制熄滅的電流脈沖，它的總放電電荷3107C，存在時(shí)間由50ms到幾ms，放電一般發(fā)生在大于1mm的間隙中。
這些真空間隙的擊穿機(jī)理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對(duì)真空間隙的絕緣都是非常關(guān)鍵的因素。
真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關(guān)
真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實(shí)驗(yàn)前不同工況的分合閘操作有相應(yīng)的不同結(jié)果，意大利哥倫布(Colombo)工程師在設(shè)備討論會(huì)上有文論述過這方面的問題:試驗(yàn)對(duì)象是24KV斷路器，銅鉻觸頭，額定開斷電流16KA，額定電流630A，觸頭開距15。8mm，觸頭分閘速度1。1m/s，合閘速度為0。6m/s。試驗(yàn)程序列于表1。
在關(guān)合---分閘操作(試驗(yàn)系列2~5)后產(chǎn)生的最大擊穿電壓比空載循環(huán)(試驗(yàn)系列1)后給出的數(shù)值低，這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減小；同時(shí)，系列2和系列5所測(cè)得的數(shù)值亦小于系列3和系列4的試驗(yàn)值，而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開閉操作的形式對(duì)斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響，擊穿電壓在30~50kV范圍內(nèi)，擊穿距離為0。6~2mm之間，擊穿時(shí)觸頭的電場(chǎng)強(qiáng)度為25~44kV。
意大利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，真空開關(guān)在開斷大電流后，其真空減小絕緣強(qiáng)度會(huì)下降是一種普遍現(xiàn)象。因此，我國早期的真空斷路器在開斷故障后，間隙絕緣會(huì)下降，達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)條件的絕緣水平，故能源部對(duì)戶內(nèi)高壓真空斷路器
真空斷路器處于合閘位置時(shí)，其對(duì)地絕緣由支持絕緣子承受，一旦真空斷路器所連接的線路發(fā)生永久接地故障，斷路器動(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被清除，則有電母線的對(duì)地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受；各種故障開斷時(shí)，斷口一對(duì)觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復(fù)電壓的作用而不發(fā)生擊穿。因此，真空間隙的絕緣特性成為提高滅弧室斷口電壓，使單斷口真空斷路器向高電壓等級(jí)發(fā)展的主要研究課題。
真空度的表示方式
絕對(duì)壓力低于一個(gè)大氣壓的氣體稀薄的空間，稱為真空空間，真空度越高即空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個(gè)mm水銀柱高)，毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1托=131。6Pa，1毫巴=100Pa)我們通常所說真空滅弧室內(nèi)部的真空度要達(dá)10-4托是指滅弧室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)僅為"萬分之一mm水銀柱高"，亦即是1。31x10-2Pa。
“派森定理”亦有譯為“巴申定律”，是指間隙電壓耐受強(qiáng)度與氣體壓力之間的關(guān)系。圖1表示派森定理的關(guān)系曲線呈"V"字形，即充氣壓力的增加或降低，都能提高極間間隙絕緣強(qiáng)度。其擊穿機(jī)理至今還不清楚，因?yàn)檎婵諟缁∈覂?nèi)部真空度高于10-4托，這樣稀薄空氣的空間，氣體分子的自由行程為103mm，在真空滅弧室這么大小的容積內(nèi)，發(fā)生碰撞的機(jī)率幾乎是零。因此不會(huì)發(fā)生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實(shí)驗(yàn)得出的，條件是在均勻電場(chǎng)的情況下，其間隙擊穿電壓Uj可表示為:
Uj=KLa
L------間隙距離；
a------間隙系數(shù)(間隙<5mm時(shí)a=1，>5mm時(shí)，a=0。5)
由派森定理的"V"形關(guān)系曲線中看出，當(dāng)真空度達(dá)103托時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)附近曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。
當(dāng)真空度和間隙距離相同時(shí)，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發(fā)生變化，電極材料機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高時(shí)，真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。
真空絕緣的破壞機(jī)理
前面已說過，在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內(nèi)，氣體分子的自由行程很大，不會(huì)發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會(huì)擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會(huì)破壞的機(jī)理，場(chǎng)致發(fā)射引起擊穿，微塊引起擊穿和微放電導(dǎo)致?lián)舸?BR> 場(chǎng)致發(fā)射論對(duì)真空間隙所以能發(fā)生擊穿的解釋
間隙電場(chǎng)能量集中，在電極微觀表面的突出部分發(fā)生電子發(fā)射或蒸發(fā)逸出，撞擊陽極使局部發(fā)熱，繼續(xù)放出離子或蒸汽，正離子再撞擊陰極發(fā)生二次發(fā)射，相互不斷積累，最后導(dǎo)致間隙擊穿。
著名的Fowler and Noraheim場(chǎng)發(fā)射電流I表達(dá)式為:
I=AE2e-B/E
式中 E------電場(chǎng)強(qiáng)度；
A------常數(shù)，與發(fā)射點(diǎn)的面積有關(guān)；
B------常數(shù)，與電極表面的逸出有關(guān)。
在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下，可以合理地認(rèn)為真空間隙擊穿是由場(chǎng)致發(fā)射引起的，但在長間隙及連續(xù)加壓與長脈沖電壓下，有的學(xué)者認(rèn)為真空的擊穿尚存在其它機(jī)理:
(1)陰極引起的擊穿；在強(qiáng)電場(chǎng)下，由于場(chǎng)發(fā)射電流的焦耳發(fā)熱效應(yīng)，使陰極表面突出物的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，突出物熔化產(chǎn)生蒸汽引起擊穿。
(2)陽極引起的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束，轟擊陽極使某點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生熔化和蒸汽而發(fā)生間隙擊穿。產(chǎn)生陽極引起擊穿的條件與電場(chǎng)提高系數(shù)和間隙距離有關(guān)。
微塊引起擊穿的解釋
假設(shè)在電極表面附著較輕松的微塊，在電場(chǎng)作用下，微塊脫落而且加速，這微塊撞擊對(duì)面的電極時(shí)，由于沖擊發(fā)熱可使其本身熔化產(chǎn)生蒸汽，引起擊穿。
微放電導(dǎo)致真空間隙擊穿的解釋
電極的陰極表面沾污，將發(fā)生微放電現(xiàn)象。微放電是一種小的自抑制熄滅的電流脈沖，它的總放電電荷3107C，存在時(shí)間由50ms到幾ms，放電一般發(fā)生在大于1mm的間隙中。
這些真空間隙的擊穿機(jī)理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對(duì)真空間隙的絕緣都是非常關(guān)鍵的因素。
真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關(guān)
真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實(shí)驗(yàn)前不同工況的分合閘操作有相應(yīng)的不同結(jié)果，意大利哥倫布(Colombo)工程師在設(shè)備討論會(huì)上有文論述過這方面的問題:試驗(yàn)對(duì)象是24KV斷路器，銅鉻觸頭，額定開斷電流16KA，額定電流630A，觸頭開距15。8mm，觸頭分閘速度1。1m/s，合閘速度為0。6m/s。試驗(yàn)程序列于表1。
在關(guān)合---分閘操作(試驗(yàn)系列2~5)后產(chǎn)生的最大擊穿電壓比空載循環(huán)(試驗(yàn)系列1)后給出的數(shù)值低，這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減小；同時(shí)，系列2和系列5所測(cè)得的數(shù)值亦小于系列3和系列4的試驗(yàn)值，而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開閉操作的形式對(duì)斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響，擊穿電壓在30~50kV范圍內(nèi)，擊穿距離為0。6~2mm之間，擊穿時(shí)觸頭的電場(chǎng)強(qiáng)度為25~44kV。
意大利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，真空開關(guān)在開斷大電流后，其真空減小絕緣強(qiáng)度會(huì)下降是一種普遍現(xiàn)象。因此，我國早期的真空斷路器在開斷故障后，間隙絕緣會(huì)下降，達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)條件的絕緣水平，故能源部對(duì)戶內(nèi)高壓真空斷路器
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