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。

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、極對地）48（斷口間）

1.2/50沖擊耐壓（kV） 75 75（極間、極對地）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)。

結(jié)語

關(guān)于真空斷路器的原理及其作用就介紹到這了，希望通過本文能讓你對真空斷路器有更深的認(rèn)識(shí)。

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