真空断路器绝缘特性的主要研究

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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。

关键词： 真空断路器 绝缘特性 断口电压 
 
　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:Pa)。(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。

表1试验程序及内容表

　　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'<C值，就出现了我们通常所说的绝缘水平下降。就表明其产品质量差而应该予以淘汰。

提高真空灭弧室绝缘耐受能力的措施

　　真空断路器要向高电压使用领域发展，提高真空灭弧室断口极间绝缘耐受能力制成额定电压较高的单独断口真空灭弧室的经济意义是巨大的，不但可减少串联断口的数量，而且使断路器结构简单，从而提高了设备可靠性并使设备造价亦相应降低。提高单断口真空灭弧室的绝缘耐受能力主要在下列三方面采取措施。

真空灭弧室内触头间耐压强度的提高

　　前面以说过，在灭弧室内部高度真空的情况下，触头间存在的气体非常稀少，不会受极间电压而产生游离，但极间发生击穿是客观存在，从而产生几种真空绝缘破坏机理的解释。真空间隙实际击穿时，有可能是几种机理同时发生作用，而且击穿途径中总是有游离气体存在，这是由施加电压后产生的金属蒸汽或触头释放了所吸附的气体提供的。基于此点出发，采取下列措施以提高真空灭弧室触头间隙的耐压性能:

(1)选择熔点或沸点高，热传导率小，机械强度和硬度大的触头材料；

(2)预先向触头间隙施加高电压，使其反复放电，使触头表面附着的金属或绝缘微粒熔化，蒸发，即所谓"老炼处理"；

(3)清除吸附在触头或灭弧室表面上的气体，即进行加热脱气处理；

(4)选择合适的触头形状，改善触头的电场分布。

提高开断电流后触头极间的绝缘恢复速度

　　通常断路开断电流成功的关键在于电弧电流过零后，触头间隙绝缘恢复速度快于触头间隙间的暂态恢复电压速度，就不会发生重燃而达到成功开断。真空灭弧室开断电流时，电弧放出的金属蒸汽在电弧电流过零时会迅速扩散，遇到触头或屏蔽罩表面会立即凝结。因此欲求在开断电流相应的触头尺寸，材质，形态，触头间隙以及电流开断时产生的金属蒸汽密度，带电粒子密度等影响因素进行反复实验取得试验数据作分析研究。发现触头直径越大且触头间隙越小，电流开断后的绝缘强度恢复越快；纵向磁场触头结构的采用，有极为良好的弧后绝缘恢复特性。

提高真空灭弧室的外部绝缘

　　真空灭弧室的外部表面，如处于正常的大气之中，则绝缘耐压是很低的，不能适合高电压条件下使用，随着真空断路器向高电压，小型化方向发展，对真空灭弧室外部表面采取下列强化措施:

(1)用环氧树脂绝缘包裹真空灭弧室陶瓷外壳表面，环氧树脂具有高绝缘性能，其冲击电压为50kV/mm，工频耐压为30kV/mm，而且其制品机械强度高，浇注加工性能好，可以较容易成型复盖于陶瓷外壳表面，从而达到灭弧室外表面绝缘强化的目的。并提高了耐污性能，使所需对地绝缘更趋合理化。户外真空断路则往往采用带有裙边的硅胶外套作管，复盖于陶瓷外壳的表面，具有更好的抗雾闪性能，但机械强度则不如环氧树脂制间。

(2)将真空灭弧室置于SF6气体之中，使陶瓷外壳为SF6气体所包围，由于SF6气体只起绝缘作用，其充气压力一般是不高的。

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