什么是真空斷路器真空斷路器的作用

本文主要是關(guān)于真空斷路器的介紹，并著重對(duì)真空斷路器的原理及其作用進(jìn)行了詳盡的描述。

真空斷路器

“真空斷路器”因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。真空斷路器是3～10kV，50Hz三相交流系統(tǒng)中的戶內(nèi)配電裝置，可供工礦企業(yè)、發(fā)電廠、變電站中作為電器設(shè)備的保護(hù)和控制之用，特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的使用場所，斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護(hù)高壓電氣設(shè)備用。

工作原理

真空斷路器處于合閘位置時(shí)，其對(duì)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(dòng)作跳閘后，接地故障點(diǎn)又未被清除，則有電母線的對(duì)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(shí)，斷口一對(duì)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(jí)發(fā)展的主要研究課題。

真空度的表示方式

絕對(duì)壓力低于一個(gè)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(qiáng)越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。其擊穿機(jī)理至今還不清楚，因?yàn)檎婵諟缁∈覂?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(jī)率幾乎是零。因此不會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)a=1，>5mm時(shí)，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(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)四周曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。

當(dāng)真空度和間隙距離相同時(shí)，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發(fā)生變化，電極材料機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高時(shí)，真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。?真空絕緣的破壞機(jī)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(huì)發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會(huì)擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會(huì)破壞的機(jī)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?/p>

場致發(fā)射論對(duì)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。

聞名的FowlerandNoraheim場發(fā)射電流I表達(dá)式為:

I=AE2e-B/E

式中　E------電場強(qiáng)度；

A------常數(shù)，與發(fā)射點(diǎn)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(jī)理:

(1)陰極引起的擊穿；在強(qiáng)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(diǎn)時(shí)，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(diǎn)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(duì)面的電極時(shí)，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(shí)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(jī)理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對(duì)真空間隙的絕緣都是非常要害的因素。

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(shí)驗(yàn)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(huì)上有文論述過這方面的問題:試驗(yàn)對(duì)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(yàn)程序列于表1。

在關(guān)合---分閘操作(試驗(yàn)系列2~5)后產(chǎn)生的最大擊穿電壓比空載循環(huán)(試驗(yàn)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小；同時(shí)，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(yàn)值，而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開閉操作的形式對(duì)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(shí)觸頭的電場強(qiáng)度為25~44kV。

什么是真空斷路器真空斷路器的作用

意大利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度會(huì)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(huì)下降，達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)條件的絕緣水平，故能源部對(duì)戶內(nèi)高壓真空斷路器訂貨要求(部標(biāo)DL403--91)答應(yīng)在真空斷路器電壽命試驗(yàn)后，極間耐壓值降為原標(biāo)準(zhǔn)的80作試驗(yàn)，假如通過，就認(rèn)為該斷路器的型式試驗(yàn)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(shí)，反復(fù)強(qiáng)調(diào)它們的真空斷路器電壽命試驗(yàn)后，間隙的絕緣強(qiáng)調(diào)不降低呢?我們以10kV真空斷路器為例來對(duì)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(yàn)當(dāng)然不會(huì)擊穿，電壽命試驗(yàn)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(yàn)時(shí)亦不會(huì)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。

真空斷路器的作用

提高真空滅弧室絕緣耐受能力的措施

真空斷路器要向高電壓使用領(lǐng)域發(fā)展，提高真空滅弧室斷口極間絕緣耐受能力制成額定電壓較高的單獨(dú)斷口真空滅弧室的經(jīng)濟(jì)意義是巨大的，不但可減少串聯(lián)斷口的數(shù)量，而且使斷路器結(jié)構(gòu)簡單，從而提高了設(shè)備可靠性并使設(shè)備造價(jià)亦相應(yīng)降低。提高單斷口真空滅弧室的絕緣耐受能力主要在下列三方面采取措施。

真空滅弧室內(nèi)觸頭間耐壓強(qiáng)度的提高

前面以說過，在滅弧室內(nèi)部高度真空的情況下，觸頭間存在的氣體非常稀少，不會(huì)受極間電壓而產(chǎn)生游離，但極間發(fā)生擊穿是客觀存在，從而產(chǎn)生幾種真空絕緣破壞機(jī)理的解釋。真空間隙實(shí)際擊穿時(shí)，有可能是幾種機(jī)理同時(shí)發(fā)生作用，而且擊穿途徑中總是有游離氣體存在，這是由施加電壓后產(chǎn)生的金屬蒸汽或觸頭釋放了所吸附的氣體提供的?；诖它c(diǎn)出發(fā)，采取下列措施以提高真空滅弧室觸頭間隙的耐壓性能:

(1)選擇熔點(diǎn)或沸點(diǎn)高，熱傳導(dǎo)率小，機(jī)械強(qiáng)度和硬度大的觸頭材料；

(2)預(yù)先向觸頭間隙施加高電壓，使其反復(fù)放電，使觸頭表面附著的金屬或絕緣微粒熔化，蒸發(fā)，即所謂"老煉處理"；

(3)清除吸附在觸頭或滅弧室表面上的氣體，即進(jìn)行加熱脫氣處理；

(4)選擇合適的觸頭外形，改善觸頭的電場分布。

提高開斷電流后觸頭極間的絕緣恢復(fù)速度

通常斷路開斷電流成功的要害在于電弧電流過零后，觸頭間隙絕緣恢復(fù)速度快于觸頭間隙間的暫態(tài)恢復(fù)電壓速度，就不會(huì)發(fā)生重燃而達(dá)到成功開斷。真空滅弧室開斷電流時(shí)，電弧放出的金屬蒸汽在電弧電流過零時(shí)會(huì)迅速擴(kuò)散，碰到觸頭或屏蔽罩表面會(huì)立即凝聚。因此欲求在開斷電流相應(yīng)的觸頭尺寸，材質(zhì)，形態(tài)，觸頭間隙以及電流開斷時(shí)產(chǎn)生的金屬蒸汽密度，帶電粒子密度等影響因素進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)作分析研究。發(fā)現(xiàn)觸頭直徑越大且觸頭間隙越小，電流開斷后的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)越快；縱向磁場觸頭結(jié)構(gòu)的采用，有極為良好的弧后絕緣恢復(fù)特性。

提高真空滅弧室的外部絕緣

真空滅弧室的外部表面，如處于正常的大氣之中，則絕緣耐壓是很低的，不能適合高電壓條件下使用，隨著真空斷路器向高電壓，小型化方向發(fā)展，對(duì)真空滅弧室外部表面采取下列強(qiáng)化措施:

(1)用環(huán)氧樹脂絕緣包裹真空滅弧室陶瓷外殼表面，環(huán)氧樹脂具有高絕緣性能，其沖擊電壓為50kV/mm，工頻耐壓為30kV/mm，而且其制品機(jī)械強(qiáng)度高，澆注加工性能好，可以較輕易成型復(fù)蓋于陶瓷外殼表面，從而達(dá)到滅弧室外表面絕緣強(qiáng)化的目的。并提高了耐污性能，使所需對(duì)地絕緣更趨合理化。戶外真空斷路則往往采用帶有裙邊的硅膠外套作管，復(fù)蓋于陶瓷外殼的表面，具有更好的抗霧閃性能，但機(jī)械強(qiáng)度則不如環(huán)氧樹脂制間。

(2)將真空滅弧室置于SF6氣體之中，使陶瓷外殼為SF6氣體所包圍，由于SF6氣體只起絕緣作用，其充氣壓力一般是不高的。

真空斷路器的特點(diǎn)

①觸頭開距小，10KV真空斷路器的觸頭開距只有10mm左右，操作機(jī)構(gòu)的操作功就小，機(jī)械部分行程小，其機(jī)械壽命就長。

②燃弧時(shí)間短，且與開關(guān)電流大小無關(guān)，一般只有半周波。

③熄弧后觸頭間隙介質(zhì)恢復(fù)速度快，對(duì)開斷近區(qū)故障性能較好。

④由于疏通在開斷電流時(shí)磨損量較小，所以觸頭的電氣壽命長，滿容量開斷達(dá)30-50次，額定電流開斷達(dá)5000次以上，噪音小適于頻繁操作。

⑤體積小、重量輕。

⑥適用于開斷容性負(fù)荷電流。

由于其優(yōu)點(diǎn)很多，所以廣泛應(yīng)用于變電站中，目前型號(hào)主要有：ZN12-10型、ZN28A-10型、ZN65A-12型、ZN12A-12型、VS1型、ZN30型等。［2］

具體介紹

真空斷路器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)真空斷路器在我國近十年來得到了蓬勃的發(fā)展。產(chǎn)品從過去的ZN1～ZN5幾個(gè)品種發(fā)展到數(shù)十多個(gè)型號(hào)、品種，額定電流達(dá)到5000A，開斷電流達(dá)到50kA的較好水平，并已發(fā)展到電壓達(dá)35kV等級(jí)。

80年代以前，真空斷路器處于發(fā)展的起步階段，技術(shù)上在不斷摸索，還不能制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到1985年后才制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：

JP3855-96《3.6～40.5kV交流高壓真空斷路器通用技術(shù)條件》

DL403-91《10～35kV戶內(nèi)高壓斷路器訂貨技術(shù)條件》

這里需要說明：IEC標(biāo)準(zhǔn)中并無與我國JB3855相對(duì)應(yīng)的專用標(biāo)準(zhǔn)，只是套用《IEC56交流高壓斷路器》。因此，我國真空斷路器的標(biāo)準(zhǔn)至少在下列幾個(gè)方面高于或嚴(yán)于IEC標(biāo)準(zhǔn)：

（1）絕緣水平：試驗(yàn)電壓 IEC 中國

1min工頻耐壓（kV） 28 42（極間、極對(duì)地）48（斷口間）

1.2/50沖擊耐壓（kV） 75 75（極間、極對(duì)地）84（斷口間）

（2）電壽命試驗(yàn)結(jié)束后真空滅弧室斷口的耐壓水平：IEC56中無規(guī)定。我國JB3855一96規(guī)定為：完成電壽命次數(shù)試驗(yàn)后的真空斷路器，其斷口間絕緣能力應(yīng)不低于初始絕緣水平的80%，即工頻1min33.6kV和沖擊60kV。

（3）觸頭合閘彈跳時(shí)間：IEC無規(guī)定，而我國規(guī)定要求不大于2ms。

（4）溫升試驗(yàn)的試驗(yàn)電流：IEC標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)電流就等于產(chǎn)品的額定電流。我國DL403-91中規(guī)定試驗(yàn)電流為產(chǎn)品額定電流的110%。

2.真空斷路器的主要技術(shù)參數(shù) 真空斷路器的參數(shù)，大致可劃分為選用參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)兩個(gè)方面。前者供用戶設(shè)計(jì)選型時(shí)使用；后者則是斷路器本身的機(jī)械特性或運(yùn)動(dòng)特性，為運(yùn)行、調(diào)整的技術(shù)指標(biāo)。

下表是選用參數(shù)的列項(xiàng)說明，并以三種真空斷路器數(shù)據(jù)為例。

表中所列各項(xiàng)參數(shù)，均須按JB3855和DL403標(biāo)準(zhǔn)的要求，在產(chǎn)品的型式試驗(yàn)中逐項(xiàng)加以驗(yàn)證，最終數(shù)據(jù)以型式試驗(yàn)報(bào)告為準(zhǔn)。