第8章真空断路器 8-1 概概 述述真空断路器的独特真空断路器的独特优点：点：n以真空作以真空作为绝缘和和灭弧介弧介质，耐，耐压高，开断能力高，开断能力强；n电弧在真空容器中燃弧在真空容器中燃烧，对周周围环境无要求；境无要求；n开关触开关触头开距小，开距小，总体体积小；小；n寿命寿命长，适合，适合频繁操作开合；繁操作开合；n无无环境境污染、无噪声；染、无噪声；n可靠性高，免可靠性高，免维修。修。8-2 真空真空绝缘及其及其击穿穿引起真空引起真空绝缘破坏的机理（破坏的机理（击穿原因）：穿原因）：场致致发射射粒子交粒子交换微放微放电1、场致致发射和射和预击穿穿过程程 触触头端的小尖端和微端的小尖端和微观突起，引起突起，引起电场增增强，导致金属中自由致金属中自由电子的冷阴极子的冷阴极发射，形成射，形成预击穿穿电流。使阴极突起的自流。使阴极突起的自发熔化和蒸熔化和蒸发，产生大量生大量金属蒸汽，被金属蒸汽，被场致致发射射电子引起子引起间隙隙击穿穿-阴极阴极加加热击穿；穿；由阴极由阴极发射的射的电子流子流轰击阳极，使其局部受阳极，使其局部受热产生生热斑，阳极材料熔化斑，阳极材料熔化击穿穿-阳极加阳极加热击穿。穿。场致致发射射击穿通常穿通常发生在生在电极极间距距较小小时。2. 2. 微粒迁移引起的微粒迁移引起的击穿穿n对于尺寸在于尺寸在0.1100um的金属的金属/非金属大原子非金属大原子团，电极表面松散吸附的微粒、金属极表面松散吸附的微粒、金属尘埃等称埃等称为一次一次微粒；微粒；n大大电流燃弧流燃弧时的的电侵侵蚀作用熔滴形成大量金属作用熔滴形成大量金属颗粒称粒称为二次微粒。二次微粒。n这些微粒些微粒对真空真空间隙隙击穿有很大作用。且穿有很大作用。且击穿穿电压与与间隙距离有关系。隙距离有关系。3. 3. 电极的二次极的二次发射射 间隙中的正离子、隙中的正离子、负离子等撞离子等撞击阴极而引阴极而引 起二次起二次电子子发射，射，间隙中隙中带电微粒数越来越多，微粒数越来越多，电流迅速增大造成流迅速增大造成击穿穿。 4 4、真空、真空击穿的穿的统计特性特性n真空真空间隙隙击穿的引穿的引发因素主要来源于因素主要来源于电极表面，极表面，可用可用“击穿弱点穿弱点”统一描述。一描述。n击穿弱点：存在于穿弱点：存在于电极表面、在极表面、在电场应力作用下力作用下有可能引有可能引发击穿的各种因素的穿的各种因素的总称。称。5 5、影响真空、影响真空击穿的因素穿的因素电极的几何形状和大小极的几何形状和大小 电极的几何形状直接影响极的几何形状直接影响电场分布，曲率半径分布，曲率半径越大越大击穿越困穿越困难。 但当但当D1MM时，半径小反而能提高，半径小反而能提高击穿穿电压；电极面极面积越大，引越大，引发击穿的弱点数目越多，放穿的弱点数目越多，放电概率增加，真空概率增加，真空击穿穿电压降低。降低。电极极间隙的大小与隙的大小与击穿穿类型有关型有关 电极材料极材料 见表表8-1n材料越硬、材料越硬、 机械机械强度越高度越高 、 击穿穿电压越高。越高。n如材料的熔点、比如材料的熔点、比热、密度等、密度等真空度真空度n由大气由大气压开始抽真空开始抽真空时，击穿穿电压有所下降，但有所下降，但进一步降一步降压时又会上升。又会上升。 n老老练作用作用 是一种是一种电极表面极表面处理措施，通理措施，通过在在电极上加高极上加高压使使电极极间隙隙发生生连续的火花放的火花放电。 若干次若干次处理后，理后，间隙隙击穿穿电压显著提高。著提高。8.3真空电弧的基本特性 1.真空真空电弧的引燃弧的引燃 间隙隙绝缘击穿引弧穿引弧 外界高外界高压脉冲触脉冲触发引弧引弧 触触头分开是由金属蒸汽分开是由金属蒸汽桥爆炸爆炸产生生电弧弧 n真空真空电弧是由阴极斑点弧是由阴极斑点产生的金属蒸汽生的金属蒸汽维持的一种低持的一种低压电弧。弧。n单个阴极斑点所承个阴极斑点所承载的的电流是一定的（如流是一定的（如铜100A），斑点数目与），斑点数目与电流大小和阴极材流大小和阴极材料有关。如料有关。如图8-3 2. 真空真空电弧的形弧的形态n电弧一旦弧一旦产生，即生，即处在在综合力作用下：合力作用下：自身自身环向磁向磁场产生的收生的收缩力；力；内部各种粒子相互碰撞内部各种粒子相互碰撞产生的气体生的气体压力；力；外界磁外界磁场产生的磁生的磁场力。力。 1）扩散型真空散型真空电弧弧A、发生在小生在小电流切断中，一个斑点流切断中，一个斑点电弧弧电流流约100A，而从阴极向阳极的金属蒸汽，而从阴极向阳极的金属蒸汽电弧呈弧呈锥形弧形弧柱；柱；B、大于、大于100A的大的大电流，会形成多个斑点和多个流，会形成多个斑点和多个锥形形电弧，互不影响；弧，互不影响；C、阴极斑点在触、阴极斑点在触头表面不停的在移表面不停的在移动，运，运动趋势是由是由电极中心向极中心向边缘运运动。出。出现“逆向运逆向运动”与与符合安培定律所指方向相反。符合安培定律所指方向相反。D、在阳极没有斑点，因阳极接收、在阳极没有斑点，因阳极接收电子和离子，且子和离子，且电弧一直在运弧一直在运动，所以阳极表面温度很低，有利，所以阳极表面温度很低，有利熄弧熄弧E、阴极斑点也在不停运、阴极斑点也在不停运动，所以阴极斑点不会熔，所以阴极斑点不会熔化，在化，在电流流过零零时，也很快熄，也很快熄灭）集聚型真空）集聚型真空电弧弧n当当电弧弧电流大到某一流大到某一临界界值后，阴后，阴级斑点不再向斑点不再向外外围移移动，而是集聚在一个或几个，而是集聚在一个或几个较大的面大的面积上，上，并使阳极也开始出并使阳极也开始出现斑点，斑点，这种种热量集中会使斑量集中会使斑点熔化，形成更多金属蒸汽，点熔化，形成更多金属蒸汽，电弧弧电压降低，使降低，使电弧很弧很难熄熄灭，达到极限开断能力，达到极限开断能力3.真空真空电弧的伏安特性弧的伏安特性 真空真空电弧弧电压（扩散型）的伏安特性是正特性，散型）的伏安特性是正特性，即即电弧弧电压随随电流增加而上升。流增加而上升。8-4触头结构与材料触触头结构与材料是影响开断能力和寿命的关构与材料是影响开断能力和寿命的关键分分类：非磁吹触：非磁吹触头-平板平板圆柱型柱型磁吹触磁吹触头（横磁触（横磁触头、纵磁触磁触头） 横磁触横磁触头 电流在流在转弯弯处形成横向磁形成横向磁场，电流在此流在此横向磁横向磁场作用下，向外沿受力移作用下，向外沿受力移动达到达到触触头边缘，最，最终熄熄灭。纵磁触磁触头 电流依靠触流依靠触头特殊特殊结构形成构形成纵向磁向磁场，可以可以稳定定电弧，防止大弧，防止大电流真空流真空电弧在弧在阳极表面集聚，提高了分断力。阳极表面集聚，提高了分断力。 关关键是使是使电流在触流在触头表面横向流表面横向流动，从，从而而产生生纵向磁向磁场，使，使电弧在弧在圆盘边缘燃燃烧。8-5真空中的开断n真空真空电弧是依靠阴极斑点弧是依靠阴极斑点产生生电子、正离子、正离子及中性金属蒸汽来子及中性金属蒸汽来维持持电弧，当蒸汽不弧，当蒸汽不足即足即电流流过零零时就会熄就会熄灭。n直流直流电弧弧电压降很小，很降很小，很难熄熄灭，故可制，故可制造人造零点（采用一个造人造零点（采用一个换向装置）。向装置）。 断口断口间隙在隙在电弧熄弧熄灭后，会被恢复后，会被恢复电压击穿重燃。穿重燃。 n重燃的原因重燃的原因为：电极极过量放气，当空量放气，当空间超超过100M个原子个原子时会会击穿重燃；穿重燃；阴极表面微小阴极表面微小颗粒粒维护强烈的烈的场致复致复发形成新斑点；形成新斑点；当外当外场增增强到到500KV/cm发生生击穿；穿；电流流过零后，零后，间隙中等离子消散速度不隙中等离子消散速度不够，影响介，影响介质绝缘恢复。恢复。弧后介质强度恢复过程n电流在流在过零零时（在（在过零点前），突然零点前），突然灭弧弧电流流提前到零（提前到零（发生截流生截流现象），象），间隙中隙中导电离子离子向外向外扩散，散，这时间隙由完全隙由完全导电状状态过渡到渡到绝缘状状态-介介质绝缘强度恢复度恢复过程程，相，相应的的时间称称恢复恢复时间n间隙能否再隙能否再击穿，穿，电弧能否不再重燃决定于弧能否不再重燃决定于间隙恢复隙恢复电压和和介介质恢复恢复过程程的的竞争。争。这是微秒是微秒级的速度。的速度。弧后电流 在开断大在开断大电流流时，电流流过零后，仍会零后，仍会现一些一些发射射电流、流、预击穿穿电流和流和暂态放放电称称为弧后弧后电流流产生原因：生原因： 间隙存在剩余隙存在剩余带电粒子；粒子； 电流流过零零时，等离子体区中性粒子和离子的碰撞，等离子体区中性粒子和离子的碰撞会会产生二次生二次电子和离子；子和离子；在在过零零时，电极表面极表面还存在存在发射射过程，形成程，形成发射射电流、流、预击穿穿电流和其它流和其它暂态放放电。真空断路器的真空真空断路器的真空灭弧室弧室结构构 1 1 静触静触头 2 2 动触触头 3 3屏蔽罩屏蔽罩4 4 波波纹管管 5 5 与外壳封接的法与外壳封接的法兰盘6 6 金属波金属波纹管管 7 7 玻壳玻壳 SF6SF6断路器断路器灭弧室弧室结构示意构示意图 1 1 静触静触头 2 2 绝缘喷嘴嘴 3 3 动触触头 4 4 气缸气缸 5 5 压气活塞气活塞( (固定固定) 6 ) 6 电弧弧