真空斷路器絕緣特性的主要研究
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(fù)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(guān)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(fù)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(dá)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(guān)系。圖1表示派森定理的關(guān)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(guān)系曲線中看出，當(dāng)真空度達(dá)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)致間隙擊穿。
著名的FowlerandNoraheim場發(fā)射電流I表達(dá)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(guān)；
B------常數(shù)，與電極表面的逸出有關(guān)。
在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下，可以合理地認(rèn)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(xué)者認(rèn)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(yīng)，使陰極表面突出物的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)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(guān)。
微塊引起擊穿的解釋
假設(shè)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(dǎo)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(guān)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(guān)
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(yīng)的不同結(jié)果，意大利哥倫布(Colombo)工程師在設(shè)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(guān)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(jié)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(jié)果表明，真空開關(guān)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(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的80%作試驗，如果通過，就認(rèn)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(fù)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(shù)和工藝改進(jìn)，極間絕緣水平同早期產(chǎn)品比較，提高很多例如可達(dá)到A值，遠(yuǎn)比產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)然能通過，開斷故障后，由A’值降到B’值。熱B’
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