真空开关基础知识

真空开关基础知识—真空的绝缘性能一、真空的基本概念真空技术中，“真空”泛指在给定的空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，也就是说，同正常的大气压相比，是较为稀薄的一种气体状态。真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。根据真空技术的理论，真空度的高低通常都用气体的压强来表示。在国际单位制中，压强是以帕(Pa)为单位1Pa=1N/m2。另外常用的单位还有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、毫巴(mbar)、工程大气压(公斤／厘米2)等。真空区域的划分没有统一规定，我国通常是这样划分的：粗真空：(760～10)托低真空：(10～10-3)托高真空：(10-3～10-8)托超高真空：(10-8～10-12)托极高真空：10-12托托和帕的关系：1托=1毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa，1帕=7.5×10-3托。真空区域的特点不同其应用也不同，例如吸尘器工作于粗真空区域，暖瓶、灯泡等工作于低真空区域，而真空开关管和其它一些电真空器件则是工作在高真空区域。二、真空间隙的绝缘特性真空中放置一对电极，加上高压时，在一定的电压下也会产生电极之间的电击穿。它的击穿与空气中的电击穿有很大不同。空气中的击穿是由于气体中的少量自由电子在电场作用下高速度运动，与气体分子碰撞产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子。这种雪崩式的电离过程，在电极间形成了放电通道，产生了电弧。而真空中，由于压强较低，气体分子极少，在这样的环境中，即使电极间隙中存在着电子，它们从一个电极飞向另一个电极时，也很少有机会与气体分子碰撞。因而不可能有电子和气体分子碰撞造成雪崩式的电击穿。正是因为气体分子十分稀少，真空间隙电击穿需要在非常高的电压下出现场致发射等其它现象时才有可能形成。从理论上推测，电场强度需达到108V/cm以上时才会造成电击穿，实际上真空间隙的绝缘强度由于一系列不利因素例如电极表面粗糙度、洁净度等的影响，将低于理论计算值几个数量级。真空灭弧室中的真空度很高，一般为10-3～10-6帕，此时真空间隙的绝缘强度远远高于1个大气压的空气和SF6的绝缘强度，比变压器油的绝缘强度还要高。正因为真空的绝缘强度很高，真空灭弧室中的所有电气间隙都可以做得很小。例如12kV真空灭弧室的触头开距只有8～12mm，40.5kV真空灭弧室的触头开距也只要18～25mm，真空灭弧室中的其它电气间隙也在此尺度范围。三、影响真空绝缘水平的主要因素真空绝缘是一个十分复杂的物理过程，其机理到目前为止仍没有明确的结论。从实际应用情况来看，主要有以下几个方面：1、电极的几何形状电极的几何形状对电场的分布有很大的影响，往往由于几何形状不够恰当，引起电场在局部过于集中而导致击穿，这一点在高电压的真空产品中尤其突出。电极边缘的曲率半径大小是重要因素。一般来说，曲率半径大的电极承受击穿电压的能力比曲率半径小的大。此外，击穿电压还和电极面积的大小成反比，即随着电极面积的增大而有所降低。面积增大导致耐压降低的原因主要是放电概率增加。2、间隙距离真空的击穿电压与间隙距离有着比较明确的关系。试验表明，当间隙距离较小时（≤5mm），击穿电压随着间隙距离的增加而线性增长，但随着间隙距离的进一步增加，击穿电压的增长减缓，即真空间隙发生击穿的电场强度随着间隙距离的增加而减小。当间隙达到一定的长度后（≥20mm），单靠增加间隙距离提高耐压水平已经十分困难，这时采用多断口反而比单断口有利。一般认为短间隙下的电击穿主要是场致发射引起的，而长间隙下的的电击穿则主要是微粒效应所致。3、电极材料真空开关工作在10-2Pa以上的高真空，由于此时气体分子十分稀少，气体分子的碰撞游离对击穿已经不起作用，因此击穿电压表现出和电极材料有较强的相关性。真空间隙的击穿电压随着电极材料的不同而不同，研究者发现击穿电压和材料的硬度与机械强度有关。一般来说，硬度和机械强度较高的材料，往往有较高的绝缘强度。比如，钢电极在淬火后硬度提高，其击穿电压较淬火前可提高80%。此外，击穿电压还和阴极材料的物理常数如熔点、比热和密度等正相关，即熔点较高的材料其击穿电压也较高。对比热和密度而言亦然。这一问题的实质是在相同热能的作用下，材料发生熔化的概率越大，则击穿电压越低。4、真空度图一显示了间隙击穿电压和气体压强之间的关系。由图可以看到真空度高于10-2Pa（10-4托）时，击穿电压基本上不再随着气体压力的下降而增大，因为气体分子碰撞游离现象已不再起作用。当气体压力从l0-2Pa逐步升高时(真空度下降)，击穿强度逐渐下降，而在接近1托(102Pa左右)最低，以后又随气压的增高而增高。从曲线上可以看出真空度高于10-2Pa时其耐压强度基本上保持不变。这就表明，真空灭弧室的真空度在10-2Pa以上时完全能够满足正常的使用需求。图一真空度和击穿电压的关系5、电极的表面状况电极的表面状况对真空间隙的击穿电压影响较大。电极表面的氧化物、杂质和金属微粒都会使真空间隙的击穿电压明显下降。此外，无论真空灭弧室的电极表面在制造中加工得如何，大电流开断均会使电极表面变得凸凹不平，这也将使得击穿电压降低。6、老炼效应电极老炼有电压老炼和电流老炼两种。一个新的真空间隙进行试验时，最初几次的击穿电压往往较低。随着试验次数的增加击穿电压也逐渐增大，最后会稳定在某一数值上。这种击穿电压随击穿次数增大的现象就是电压老炼的作用。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。电弧对触头表面的烧损将使电压老练的效果全部失效。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定的改善作用。为什么要测试真空度灭弧室的寿命由三部分组成：电寿命、机械寿命和真空寿命。其中以真空寿命最为重要，真空寿命要随时监测，所以要用真空测试仪。①电寿命：额定电压，额定电流，额定短路开断电流。②机械寿命：生产时自设的，这主要由波纹管的寿命来决定，一般开关出厂时自设的机械寿命是动作10000次——20000次。③真空寿命：当灭弧室出厂后在整个运行过程中是一个变化的量，因而，要随时监控真空度的变化，从而掌握真空灭弧室的运行状况。●为什么真空度是不断变化的，且制造好后是人为不能改变的？因为在地球上，真空只是一个相对的概念，绝对的真空是做不到的，主要体现在时间上的相对性和空间上的相对性。●为什么会有时间上的相对性?真空灭弧室的漏气是绝对的，不漏只是一个相对的概念。真空灭弧室产生漏气的原因有三种：A.慢漏；即标准漏孔的漏气（分接点）。B.渗漏；即玻璃分子与空气分子之间产生作用。C.材料放气；即材料中吸收的空气在真空状态下又会释放出来。●相对性压强和真空度是一个物理量的两个表达方式：真空度每提高一个数量级，压强（气体分子密度）就减少一个数量级。●平均自由程相邻气体分子相邻两次碰撞的路程叫自由程，求平均值即是平均自由程。随着真空度的增大，平均自由程随之增大路程。2、一支灭弧室在测量时为什么要静置一段时间后才可以开始第二次测量，原因是什么？真空测量依第一次测量为准，连续测量时真空度要升高，因为每测一次，灭弧室内部气体就会电离掉一部分，被两个触头吸收，重新释放出来后需要一定的时间。3、我们的产品在一次测量时对被测对象有什么特殊要求吗？对所测灭弧室的数量有限制吗？首先，被测对象应该是真空灭弧室。其次，它的管型应是管型曲线中的一种，或等效管型（例如，同样的灭弧室，在宝光和旭光的型号就不同）。我们现在已有绝大多数宝光产品的曲线，而宝光又是全国最大的真空灭弧室生产厂家，产品数量最全。因此，其他厂家的产品可向厂家询问相应于宝光的对应关系。如果不知道管型，可依据断路器的额定参数，参考说明书的附录二进行测量。在测试数量上，没有任何限制，在产品的耐用强度上和散热上做了很多的试验，可放心使用。我们的产品现在宝光做灭弧室出厂检验时经常一天要连续测量500只以上的灭弧室，因此没有任何问题。4、在我们真空度测试仪空载时（未测试时），仪器显示应该如何解释？仪器输入端悬空时仍能测出真空度数值，是因为悬空线犹如天线，会产生感应电势进而产生感应电流，但此时数值一般很小。在1×10e-4pa以上，用潘宁放电原理测量真空度时已误差很大，因而，1×10e-4pa以上，我们只要求分辩，1×10e-4pa已是最好的灭弧室，在这里电离因素和其他因素造成的放电都会产生离子流，因而，用1×10e-4pa显示更切合实际。真空度测试1、产品综合功能真空度测试仪是真空灭弧室的真空度的检测设备。它以单片计算机为主控单元，测试过程完全实现自动化。该仪器在原理上改变了国内外同类产品采用电流峰值做标定的方法，而采用电离电荷量来做标定。这样，在物理原理上有更好的准确性，而且，有效地抑制了测试过程中脉冲电源的干扰，使测试稳定可靠。该仪器采用两次采样的方法扣除由于环境因素产生的漏电电流，并且在测量过程中考虑了完全漏气的真空灭弧室的判别，使真空灭弧室的测量更加准确可靠。目前，仪器中已存有35条真空灭弧室的测量标准曲线，涵盖了国内外绝大多数管型。该仪器质量可靠，造形美观，使用方便。2、产品适用范围本仪器用于如下测试目的：★用于真空灭弧室生产线中灭弧室的质量控制和断路器生产厂家的灭弧室入厂检验。这类测试仪配以固定式线圈。★用于检测安装于开关整机上的真空灭弧室的真空度。这类检测主要用于供电部门的例行检修及容量试验中对真空灭弧室承受能力的判定，这类测试仪配可拆式线圈。在上述两种使用方式中，均可用系统计算机通过RS-232C接口控制测量，并将所测结果及日期存盘，进行检索及计算漏率。3、产品主要技术内涵★基于电离电荷的采样技术VC系列真空度测试仪均采用基于电离电荷的采样技术。我公司专家在磁控放电的研究中发现：在外激励电源、真空灭弧室的几何尺寸、所用材料一定时，真空灭弧室内的真空度与电离的电荷量有非常准确的对应关系，而与电离电流的峰值仅有概率上的相关性。因此，我公司首创了基于电离电荷的采样技术，显著提高了真空灭弧室的真空度计量的准确性。★漏电电流的处理对处于分断状态的真空灭弧室两端加高压时，会有数值不等的几个微安的漏电电流，此漏电电流即使是同型号的真空灭弧室也有较大的个体差异。尤其是对于装在整机上的真空灭弧室，由于其周边的绝缘支撑件也有漏电，这些漏电的总和有更大的不稳定性和不可预测性，并且在数值上与10E-4Pa数量级的真空灭弧室的电离电流相当。我们采用两次起动高压的方法，扣除了漏电电流，保证了无论是装于整机上还是待装的真空灭弧室的真空计量精度。★判别完全漏气的真空灭弧室在VC系列真空度测试仪中，通过高压击穿的方式判别真空灭弧室是否完全漏气。★PC机控制测量、计算漏率、形成测量数据库这部分是选配件。通过界面进行管型、电流或真空度、所用数据库的整定，由PC机控制整个测量过程、显示测量结果并将数据存入整定时指定的数据库。同一只真空灭弧室在两次测量后，可通过界面控制进行漏率计算。★内置国内外几乎所有真空灭弧室的测量曲线真空灭弧室由于其几何尺寸、材料的不同，当内部真空度和外加激励电源一定时，其放电电荷量是不同的，并且有相当的差异。为准确测量，对每一种真空灭弧室必须有对应的从电离电荷量到真空度推算曲线。我公司的专家通过与国内主要真空灭弧室生产厂家的密切合作，取得了几乎国内外所有真空灭弧室的电离电荷和真空度关系的数据，通过数学处理，将其特征参数送入VC系列产品。因此，VC系列产品内置国内外几乎所有真空灭弧室的测