摘要：真空斷路器處于合閘位置時，其對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，斷路器動作跳閘后，接地故障點又未被清除，則有電母線的對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，斷口一對觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復電壓的作用而不發(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發(fā)展的主要研究課題。

 

    關鍵詞：真空斷路器 絕緣特性 斷口電壓

 

    真空斷路器處于合閘位置時，其對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，斷路器動作跳閘后，接地故障點又未被清除，則有電母線的對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，斷口一對觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復電壓的作用而不發(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發(fā)展的主要研究課題。

 

    真空度的表示方式

 

    絕對壓力低于一個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)氣體壓強越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個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10-4托是指滅弧室內(nèi)的氣體壓強僅為"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度與氣體壓力之間的關系。圖1表示派森定理的關系曲線呈"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度。其擊穿機理至今還不清楚，因為真空滅弧室內(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)生碰撞的機率幾乎是零。因此不會發(fā)生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實驗得出的，條件是在均勻電場的情況下，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a=1，>5mm時，a=0。5)

 

    由派森定理的"V"形關系曲線中看出，當真空度達103托時出現(xiàn)拐點，拐點附近曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。

 

    當真空度和間隙距離相同時，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發(fā)生變化，電極材料機械強度高，熔點高時，真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。

 

    真空絕緣的破壞機理

 

    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，不會發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會破壞的機理，場致發(fā)射引起擊穿，微塊引起擊穿和微放電導致?lián)舸��?

 

    場致發(fā)射論對真空間隙所以能發(fā)生擊穿的解釋

 

    間隙電場能量集中，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，最后導致間隙擊穿。

 

   著名的FowlerandNoraheim場發(fā)射電流I表達式為:

 

    I=AE2e-B/E

 

    式中E------電場強度；

 

    A------常數(shù)，與發(fā)射點的面積有關；

 

    B------常數(shù)，與電極表面的逸出有關。

 

    在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下，可以合理地認為真空間隙擊穿是由場致發(fā)射引起的，但在長間隙及連續(xù)加壓與長脈沖電壓下，有的學者認為真空的擊穿尚存在其它機理:

 

    (1)陰極引起的擊穿；在強電場下，由于場發(fā)射電流的焦耳發(fā)熱效應，使陰極表面突出物的溫度升高，當溫度達到臨界點時，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提高系數(shù)和間隙距離有關。

 

    微塊引起擊穿的解釋

 

    假設在電極表面附著較輕松的微塊，在電場作用下，微塊脫落而且加速，這微塊撞擊對面的電極時，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理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對真空間隙的絕緣都是非常關鍵的因素。

 

    真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關

 

    真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實驗前不同工況的分合閘操作有相應的不同結果，意大利哥倫布(Colombo)工程師在設備討論會上有文論述過這方面的問題:試驗對象是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。試驗程序列于表1。

 在關合---分閘操作(試驗系列2~5)后產(chǎn)生的最大擊穿電壓比空載循環(huán)(試驗系列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��；同時，系列2和系列5所測得的數(shù)值亦小于系列3和系列4的試驗值，而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗結果證實了開閉操作的形式對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，擊穿時觸頭的電場強度為25~44kV。

意大利哥倫布工程師上述實驗的結果表明，真空開關在開斷大電流后，其真空減小絕緣強度會下降是一種普遍現(xiàn)象。因此，我國早期的真空斷路器在開斷故障后，間隙絕緣會下降，達不到產(chǎn)品技術條件的絕緣水平，故能源部對戶內(nèi)高壓真空斷路器訂貨要求(部標DL403--91)允許在真空斷路器電壽命試驗后，極間耐壓值降為原標準的80%作試驗，如果通過，就認為該斷路器的型式試驗合格。

那么，如何解釋目前許多真空斷路器制造廠在作產(chǎn)品介紹時，反復強調(diào)它們的真空斷路器電壽命試驗后，間隙的絕緣強調(diào)不降低呢?我們以10kV真空斷路器為例來對此作說明:真空滅弧室經(jīng)過技術和工藝改進，極間絕緣水平同早期產(chǎn)品比較，提高很多例如可達到A值，遠比產(chǎn)品標準規(guī)定的耐壓值C(工頻42kV，沖擊75kV)高得多，出廠新品按C值試驗當然不會擊穿，電壽命試驗后，間隙絕緣水平由A值降為B值，但B值>C值，故按C值去校核其絕緣，試驗時亦不會發(fā)生擊穿。而老產(chǎn)品的A’值是大于C值，出廠新品按C值考核，當然能通過，開斷故障后，由A’值降到B’值。熱B’