真空開關(guān)電器概述.doc

真空開關(guān)電器概述真空開關(guān)電器的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1、真空介質(zhì)及其絕緣與熄弧特性1-1、真空介質(zhì)的物質(zhì)特性、真空度 真空是空氣中氣體分子相當(dāng)稀少的物質(zhì)狀態(tài)。它的度量即真空度是以氣體中的壓強(qiáng)作為單位，其法定單位是Pa（帕斯克）（N/m2）、MPa（兆帕），工程中常用MPa。 在文獻(xiàn)中，關(guān)于真空度西方以前常用bar（巴）（1 bar=105 Pa）和torr（托）。MPa=10pa工程大氣壓（at）=1 kgf / cm=1 bar =9.80665104 paTorr= 1 mm Hg =1.3332210 pa= 1.3310-4 MPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）=760 mm Hg = 101325 pa =0.1 MPa1-2、真空介質(zhì)的擊穿（放電）特性 由氣體放電現(xiàn)象的研究得出一個(gè)均勻電場(chǎng)中擊穿電壓與氣體壓力和極間距離乘積的函數(shù)關(guān)系巴森（Paschen）定律。式中：A0、B0 與氣體種類和溫度有關(guān)的系數(shù) 與電極材料和表面狀況有關(guān)的系數(shù)P 氣體壓力D 極間距離T0、T 標(biāo)準(zhǔn)溫度和試驗(yàn)時(shí)的溫度在溫度一定時(shí)，U=f (pd)若繪制上式的 upd 曲線，它將是一個(gè)有極小值的V 曲線。對(duì)于間隙為12 mm的銅電極，可以得到如圖1的upd 關(guān)系。巴曲線的特點(diǎn)是：（1）、當(dāng)真空度（氣壓）小到一定值（約10-2 pa）時(shí)，擊穿電壓與真空度無關(guān)，為比空氣中擊穿電壓高得多的定值，其值取決于觸頭材料和表面狀況。（2）、在102 pa附近有極小值。物理解釋：根據(jù)氣體放電的規(guī)律，氣體擊穿的電子碰撞理論在高電壓下，氣體分子運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生碰撞，同時(shí)放出自由電子，自由電子在電場(chǎng)作用下，經(jīng)過一段“自由行程”，積累了能量與其它分子碰撞，碰撞中自由電子呈幾何級(jí)數(shù)如同雪崩一樣增長（又稱“電子雪崩”），形成帶電粒子流，最終導(dǎo)致電場(chǎng)擊穿。氣體自由電子的平均自由行程對(duì)氣體擊穿起到關(guān)鍵作用，在低氣壓P（高真空度）下，平均自由行程增大，當(dāng)它大到大于電極間距或滅弧室的尺寸時(shí)，電子碰撞不再發(fā)生，當(dāng)氣壓高（真空度低）到一定程度，過小，積累不起足以形成碰撞以致形成“電子雪崩”的能量，所以也不容易擊穿，二者之間有極小值。事實(shí)上，電子平均自由行程再大，也還會(huì)擊穿，除了電子碰撞理論之外，還有場(chǎng)致發(fā)射和陰極二次電子發(fā)射理論的作用（它們都得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證），根據(jù)這二個(gè)理論，影響真空擊穿的因素主要是：（1）、電極材料及其表面狀況：材料的硬度、微觀光潔度、觸頭形狀影響極大。（2）、間隙距離（3）、電場(chǎng)的不均勻系數(shù)1-3、真空電弧與真空介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)特性1-3-1、真空電極之間一旦擊穿，形成大量帶點(diǎn)的金屬蒸汽金屬離子組成的等離子體。因此一般用等離子物理學(xué)的理論來分析真空電弧的本質(zhì)。1-3-2、真空電弧電流大小不同，電弧的形成和電氣特點(diǎn)有明顯不同。1-3-2-1、小電流（不大于幾百安）電弧擴(kuò)散型電弧 形成由陰極斑點(diǎn)出發(fā)的圓錐狀等離子體弧柱，斑點(diǎn)半徑在110m之間，斑點(diǎn)的電流密度達(dá)108A / cm2。 擴(kuò)散型電弧的特點(diǎn)是： （1）、弧電壓主要取決于材料特性，數(shù)值不高（幾十伏），在弧隙中分布較平坦。 （2）、交流電過零前，陰極斑點(diǎn)迅速冷卻，電弧賴以維持的金屬蒸汽少到一定程度，電弧燃燒不穩(wěn)定，在振蕩中產(chǎn)生突然截?cái)喱F(xiàn)象稱為“截流效應(yīng)”（chopping current），它是真空分?jǐn)嘈纬蛇^電壓的主要原因。 （3）、陽極表面沒有燒損。 （4）、錐形弧柱在正離子運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)干擾下，作與安培左手定則方向相反的運(yùn)動(dòng)逆動(dòng)現(xiàn)象，從而形成互相排斥，在電極間作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象使得觸頭表面保持不很高的溫度和較少的陰極燒損。1-3-2-2、大電流（幾千安甚至更大）電弧集聚型電弧 電極表面形成金屬熔區(qū)，大量金屬等離子體遷移至陽極，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子轟擊，使陽極局部熔化形成陽極斑點(diǎn)，它不象小電流電弧，陰極斑點(diǎn)不斷運(yùn)動(dòng)，而是形成集聚狀高壓電流密度的弧柱。 集聚型電弧的特點(diǎn)是： （1）、電弧燃燒由陰極、陽極共同維持，電流過零前有足夠的金屬蒸汽維持電弧，沒有截流現(xiàn)象。 （2）、電弧的電壓降有振盈現(xiàn)象。 （3）、在磁場(chǎng)作用下，集聚型電弧弧柱受洛侖茲力作用而運(yùn)動(dòng)。1-3-3、真空介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度 真空電弧在過零時(shí)，維持電弧的能量減少，在設(shè)計(jì)合理的滅弧室中，電弧熄滅后殘存的金屬蒸汽和離子，由于原有的電動(dòng)斥力及熱慣性，以很快的速度（真空中沒有阻力）向四周擴(kuò)散，在幾十s內(nèi)迅速消失（吸附在屏蔽罩表面上），此時(shí)觸頭已拉開，恢復(fù)原來的真空絕緣狀況（承受住了TRV和工頻恢復(fù)電壓的作用）。1-3-4、真空熄弧能力 真空良好的熄弧能力是合理的滅弧室設(shè)計(jì)與優(yōu)良的絕緣、介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度特性相結(jié)合的產(chǎn)物。 （1）、電弧被拉長或受冷卻，或各種去游離作用，使供給能量不足以維持電弧，使之熄滅； （2）、熄弧以后，電極間的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度足夠大，足以承受電極間的恢復(fù)電壓的作用，從而不再擊穿、復(fù)燃。 在真空介質(zhì)中，只要真空滅弧室（Vacuum Interrupter）設(shè)計(jì)合理，就能發(fā)揮真空介質(zhì)強(qiáng)度高和介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度快的特點(diǎn)，保證可靠熄弧，同時(shí)由于燃弧時(shí)間極短（可以做到0.8 m/s。3-2-2、合閘彈跳 合閘彈跳過大影響正常工作，引起極間擊穿，造成觸頭燒損甚至熔焊。 觸頭彈跳的時(shí)間估算經(jīng)驗(yàn)公式： (s) m動(dòng)觸頭端規(guī)化質(zhì)量 （kg） 關(guān)合時(shí)的瞬時(shí)速度 （m/s） Kv碰撞損失系數(shù) 觸頭初壓力 （N）3-2-3、接觸電阻 Rc=KFc-0.5 () K與材料有關(guān)的系數(shù) （對(duì)于Cu及Cu基合金取80-140之間） Fc觸頭終壓力 （N）3-2-4、觸頭壓力 閉合的對(duì)接式觸頭有電動(dòng)斥力FE FE= ln 10-7 (N) 其中r為實(shí)際微觀接觸的等效半徑 為保證正常發(fā)熱所需的觸頭壓力 考慮觸頭彈性變形的修正系數(shù)，值可取1，F(xiàn)c大時(shí)可取的大些。 材料硬度 因此外加觸頭壓力 （N） 以上計(jì)算未及波紋管自閉力和縱向磁場(chǎng)產(chǎn)生的斥力，必要時(shí)也應(yīng)予考慮。 可以參考下表來設(shè)計(jì)觸頭壓力額定短路開斷電流 KA812.5162531.540觸頭終壓力 Kg3050507070110170260180300250500 硬度較高的觸頭（Cu Te Sn）取下限，較低的觸頭（Cu Cr等）取上限4、真空開關(guān)電器的一些應(yīng)用問題4-1、真空開關(guān)VI的真空度檢測(cè) 在歷史上，尤其是真空開關(guān)剛問世時(shí)，用戶對(duì)VI在運(yùn)行中真空度的保持十分擔(dān)心，因?yàn)橐挥新?，就有可能發(fā)生極間擊穿、短路事故。由于VI的制造工藝水平的提高，使得VI具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和真空壽命，事實(shí)證明，合理的設(shè)計(jì)與使用，它可以可靠使用二、三十年甚至更久。定期的檢查VI的耐電壓水平是必要的，工頻耐壓試驗(yàn)實(shí)際上間接地檢測(cè)了VI的真空狀態(tài)。對(duì)于玻璃外殼的VI，使用高頻火花儀，可以方便地檢查出VI的真空度是否已達(dá)到臨介（允許值）狀態(tài)。一種VI真空度測(cè)量儀可供用戶檢測(cè)其真空度，它的原理是把直流高壓（1060 KV）施于打開的動(dòng)靜觸頭之間，測(cè)量泄漏電流量，當(dāng)電流量小于0.3 mA時(shí)，可定性表明VI內(nèi)真空度不低于1 Pa，該值被認(rèn)為是VI尚具有一定絕緣與開斷能力的臨界真空度。目前已有一種根據(jù)磁控放電原理專門設(shè)計(jì)的真空度檢測(cè)儀，可定量檢測(cè)VI的真空度（測(cè)量范圍為 Pa），但僅適用于組裝前的VI。對(duì)于VI真空度的在線檢測(cè)，尚無理想儀器問世。七、八十年代曾有一些測(cè)量三相中心點(diǎn)電位的在線檢測(cè)的儀器投放使用，最終因?yàn)閂I的很長的真空壽命及儀器本身體積較大，不經(jīng)濟(jì)而被淘汰。4-2、操作過電壓及其保護(hù)措施4-2-1、產(chǎn)生原因： 截流現(xiàn)象：對(duì)于小電流真空電弧，在過零之前發(fā)生振盈、不穩(wěn)定，由于真空的很高的去游離特性，會(huì)產(chǎn)生電流突然截?cái)?，?huì)達(dá)到很高值。K衰減系數(shù) （電動(dòng)機(jī)取0.60.8，變壓器取0.25） 線路波阻撓截止電流值 一般情況下，5 A，認(rèn)為它產(chǎn)生的不具有破壞性。 Cu-Cr觸頭材料的真空開關(guān)96.6 %累積概率的5 A重燃過電壓：開關(guān)剛分時(shí)，由于截流過電壓及介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度并不高，會(huì)產(chǎn)生重?fù)舸?，在L、C負(fù)載作用下產(chǎn)生高頻電流，而高頻電流過零時(shí)也會(huì)熄滅，然后發(fā)生多次重燃，過電壓幅值由于選加而變得很高，而且這種多次重燃過電壓的陡度極高，破壞性比較大。（操作過電壓對(duì)負(fù)載的作用反映于電壓幅值與電壓上升率陡度二個(gè)方面）三相感應(yīng)過電壓4-2-2、保護(hù)措施 R-C 過電壓抑制器 （保護(hù)裝置） R-C裝置可改變線路波阻抗，限制過電壓幅值，同時(shí)具有改善過電壓陡度的作用，因此是經(jīng)濟(jì)、有效的措施。但也有不少缺點(diǎn)：、一般用油浸式電容器，不能做到“無油化”；、體積較大、開關(guān)柜中不易安置；、增加了電容電流，產(chǎn)生高次諧波影響到電能質(zhì)量。 氧化鋅壓敏電阻或ZnO避雷器 利用氧化鋅（ZnO）碳化硅（SiC）特殊的電壓 電流的非線性特征，能有效地抑制過電壓。這類過電壓抑制器，曾大量用于低壓電器中保護(hù)電子元件。由于外線性電阻片技術(shù)的提高也逐漸用于中壓真空開關(guān)過過電壓保護(hù)，實(shí)際使用的保護(hù)裝置體積不大，而且還有串聯(lián)間隙，提高了安全性。4-3、X射線問題 自由電子撞擊電極會(huì)產(chǎn)生X射線，在實(shí)際使用條件下，X射線很微弱，一般在進(jìn)行工頻耐壓、試驗(yàn)時(shí)有較大劑量的X光，但在2 m之外