真空断路器绝缘特性的主要研究

　摘要： 真空断路器处于合闸位置时，其对地绝缘由支持绝缘子承受，一旦真空断路器所连接的线路发生永久接地故障，断路器动作跳闸后，接地故障点又未被清除，则有电母线的对地绝缘亦要由该断路器断口的真空间隙承受；各种故障开断时，断口一对触子间的真空绝缘间隙要耐受各种恢复电压的作用而不发生击穿。因此，真空间隙的绝缘特性成为提高灭弧室断口电压，使单断口真空断路器向高电压等级发展的主要研究课题。  
　　 真空断路器处于合闸位置时，其对地绝缘由支持绝缘子承受，一旦真空断路器所连接的线路发生永久接地故障，断路器动作跳闸后，接地故障点又未被清除，则有电母线的对地绝缘亦要由该断路器断口的真空间隙承受；各种故障开断时，断口一对触子间的真空绝缘间隙要耐受各种恢复电压的作用而不发生击穿。因此，真空间隙的绝缘特性成为提高灭弧室断口电压，使单断口真空断路器向高电压等级发展的主要研究课题。  
　　 真空度的表示方式  
　　　绝对压力低于一个大气压的气体稀薄的空间，称为真空空间，真空度越高即空间内气体压强越低。真空度的单位有三种表示方式:托(即1个mm水银柱高)，毫巴(103bar)或帕(帕斯卡a)。(1托=131。6Pa，1毫巴=100Pa)我们通常所说真空灭弧室内部的真空度要达10-4托是指灭弧室内的气体压强仅为"万分之一mm水银柱高"，亦即是1。31x10-2Pa。  
　　　“派森定理”亦有译为“巴申定律”，是指间隙电压耐受强度与气体压力之间的关系。图1表示派森定理的关系曲线呈"V"字形，即充气压力的增加或降低，都能提高极间间隙绝缘强度。其击穿机理至今还不清楚，因为真空灭弧室内部真空度高于10-4托，这样稀薄空气的空间，气体分子的自由行程为103mm，在真空灭弧室这么大小的容积内，发生碰撞的机率几乎是零。因此不会发生碰撞游离而使真空间隙击穿。派森定理的"V"形曲线是实验得出的，条件是在均匀电场的情况下，其间隙击穿电压Uj可表示为:  
　　　Uj=KLa  
　　　L------间隙距离；  
　　　a------间隙系数(间隙<5mm时a=1，>5mm时，a=0。5)  
　　　由派森定理的"V"形关系曲线中看出，当真空度达103托时出现拐点，拐点附近曲线变得平坦，击穿电压几乎无变化。  
　　 当真空度和间隙距离相同时，其击穿电压则随触头电极材料发生变化，电极材料机械强度高，熔点高时，真空间隙的击穿电压亦随之提高。  
　　 真空绝缘的破坏机理  
　　　前面已说过，在真空灭弧室这样高度真空度的空间内，气体分子的自由行程很大，不会发生碰撞分离而使真空间隙在高压电作用下会击穿又是客观存在，于是就有种解释真空绝缘会破坏的机理，场致发射引起击穿，微块引起击穿和微放电导致击穿。
　　　场致发射论对真空间隙所以能发生击穿的解释  
　　　间隙电场能量集中，在电极微观表面的突出部分发生电子发射或蒸发逸出，撞击阳极使局部发热，继续放出离子或蒸汽，正离子再撞击阴极发生二次发射，相互不断积累，最后导致间隙击穿。  
　　　著名的Fowler and Noraheim场发射电流I表达式为:  
　　　I=AE2e-B/E  
　　　式中　E------电场强度；  
　　　　　　A------常数，与发射点的面积有关；  
　　　　　　B------常数，与电极表面的逸出有关。  
　　　在小的间隙(<1mm)及短脉冲电压情况下，可以合理地认为真空间隙击穿是由场致发射引起的，但在长间隙及连续加压与长脉冲电压下，有的学者认为真空的击穿尚存在其它机理:  
　　(1)阴极引起的击穿；在强电场下，由于场发射电流的焦耳发热效应，使阴极表面突出物的温度升高，当温度达到临界点时，突出物熔化产生蒸汽引起击穿。  
　　(2)阳极引起的击穿:由于阴极发射的电子束，轰击阳极使某点发热产生熔化和蒸汽而发生间隙击穿。产生阳极引起击穿的条件与电场提高系数和间隙距离有关。  
　　 微块引起击穿的解释  
　　　假设在电极表面附着较轻松的微块，在电场作用下，微块脱落而且加速，这微块撞击对面的电极时，由于冲击发热可使其本身熔化产生蒸汽，引起击穿。  
　　 微放电导致真空间隙击穿的解释  
　　　电极的阴极表面沾污，将发生微放电现象。微放电是一种小的自抑制熄灭的电流脉冲，它的总放电电荷3107C，存在时间由50ms到几ms，放电一般发生在大于1mm的间隙中。  
　　　这些真空间隙的击穿机理表明，真空电极的材料与电极的表面状况对真空间隙的绝缘都是非常关键的因素。  
　　 真空间隙的绝缘耐受能力与在先的分合闸操作工况有关  
　　　真空断路器接触间隙的击穿电压，因耐压实验前不同工况的分合闸操作有相应的不同结果，意大利哥伦布(Colombo)工程师在设备讨论会上有文论述过这方面的问题:试验对象是24KV断路器，铜铬触头，额定开断电流16KA，额定电流630A，触头开距15。8mm，触头分闸速度1。1m/s，合闸速度为0。6m/s。试验程序列于表1。  
　　　在关合---分闸操作(试验系列2~5)后产生的最大击穿电压比空载循环(试验系列1)后给出的数值低，这意味着触头击穿距离受电弧电流的影响而减小；同时，系列2和系列5所测得的数值亦小于系列3和系列4的试验值，而电流过零波形和极性似乎无明显影响。试验结果证实了开闭操作的形式对断路器触头之间的绝缘耐受能力有影响，击穿电压在30~50kV范围内，击穿距离为0。6~2mm之间，击穿时触头的电场强度为25~44kV。
　　　意大利哥伦布工程师上述实验的结果表明，真空开关在开断大电流后，其真空减小绝缘强度会下降是一种普遍现象。因此，我国早期的真空断路器在开断故障后，间隙绝缘会下降，达不到产品技术条件的绝缘水平，故能源部对户内高压真空断路器订货要求(部标DL403--91)允许在真空断路器电寿命试验后，极间耐压值降为原标准的80%作试验，如果通过，就认为该断路器的型式试验合格。那么，如何解释目前许多真空断路器制造厂在作产品介绍时，反复强调它们的真空断路器电寿命试验后，间隙的绝缘强调不降低呢?我们以10kV真空断路器为例来对此作说明:真空灭弧室经过技术和工艺改进，极间绝缘水平同早期产品比较，提高很多例如可达到A值，远比产品标准规定的耐压值C(工频42kV，冲击75kV)高得多，出厂新品按C值试验当然不会击穿，电寿命试验后，间隙绝缘水平由A值降为B值，但B值>C值，故按C值去校核其绝缘，试验时亦不会发生击穿。而老产品的A值是大于C值，出厂新品按C值考核，当然能通过，开断故障后，由A值降到B值。热B　　 提高真空灭弧室绝缘耐受能力的措施  
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