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/m2）、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）（1bar=105Pa）和torr（托）。MPa=10pa工程大气压（at）=1kgf/cm²=1bar=9.80665×104paTorr=1mmHg=1.33322×10²pa=1.33×10-4M

2、Pa标准大气压（atm）=760mmHg=101325pa=0.1MPa1-2、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。式中：A0、B0——与气体种类和温度有关的系数γ——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u~pd曲线，它将是一个有极小值的V曲线。对于间隙为12mm的铜电极，可以得到如图1的u~pd关系。巴曲线的特点是

3、：（1）、当真空度（气压）小到一定值（约10-2pa）时，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102pa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”λ，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

4、（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，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

5、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1~10µm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

6、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”（choppingcurrent），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

7、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，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µs内迅速消失（吸附在屏蔽罩表面上），此时触

8、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