真空斷路器" title="真空斷路器" target="_blank">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(wàn)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(chǎng)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(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(yáng)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(chǎng)發(fā)射電流I表達(dá)式為:
I=AE2e-B/E
式中 E------電場(chǎng)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(chǎng)致發(fā)射引起的,但在長(zhǎng)間隙及連續(xù)加壓與長(zhǎng)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(chǎng)下,由于場(chǎng)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(yáng)極引起的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束,轟擊陽(yáng)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(yáng)極引起擊穿的條件與電場(chǎng)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(chǎng)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?。煌瑫r(shí),系列2和系列5所測(cè)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(wú)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(chǎng)強(qiáng)度為25~44kV。
表1試驗(yàn)程序及內(nèi)容表
試驗(yàn)序號(hào) |
試驗(yàn)電流 |
項(xiàng)號(hào) |
操作/試驗(yàn)順序 |
1 |
1-1
1-2 1-3 1-4 |
合閘-分閘
沖擊絕緣電流 1分鐘工頻試驗(yàn) 高頻熄弧能力試驗(yàn) |
|
2 | 100額定開斷電流 |
2-1
2-2 2-3 2-4 |
關(guān)合--開斷
沖擊絕緣試驗(yàn) 1分鐘工頻試驗(yàn) 高頻熄弧能力試驗(yàn) |
3 | 30額定開斷電流 | 用30額定開斷電流值,不同的電流波極性按2。1~2。4逐項(xiàng)試驗(yàn) | |
4 | 10額定開斷電流 | 用60額定開斷電流值重復(fù)進(jìn)行2。1~2。4的逐項(xiàng)試驗(yàn) |
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(guó)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。
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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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。