《真空断路器》PPT课件.ppt

电力开关设备及应用（高压电器部分）真 空 断 路 器 电力开关设备及应用（高压电器部分）n 利 用 真 空 作 为 触 头 间 的 绝 缘 与 灭 弧 介 质 的 断 路 器 称 为真 空 断 路 器 。n 真 空 一 般 指 的 是 气 体 稀 薄 的 空 间 。 凡 是 绝 对 压 力 低 干正 常 大 气 压 力 的 状 态 都 可 称 为 真 空 状 态 。 绝 对 压 力 等于 零 的 空 间 称 为 绝 对 真 空 ， 这 才 是 真 正 的 真 空 或 理 想的 真 空 。 n 真 空 的 程 度 以 气 体 的 绝 对 压 力 值 来 表 示 ， 压 力 越 低 称之 真 空 度 越 高 。 在 国 际 单 位 制 中 ， 压 力 以 帕 (Pa)为 单位 。 一 个 工 程 大 气 压 约 为 0.1MPa(兆 帕 )。 过 去 习 惯 使用 毫 米 汞 柱 (mmHg)或 托 (Torr) 电力开关设备及应用（高压电器部分）真 空 包 括 的 范 围 很 广 ， 为 方 便 起 见 常 将 它 划 分 为 几 个 区 域真 空 灭 弧 室 的 真 空 度 (即 真 空 压 力 值 )在 10 -4Torr一 10-7Torr，即 1.33 10-2Pa1.33 10-5Pa ， 属 于 高 真 空 范 畴 。 在 这样 高 的 真 空 度 下 ， 气 体 的 密 度 很 低 ， 气 体 分 子 的 平 均 自 由路 程 很 长 ， 因 此 触 头 间 隙 的 绝 缘 强 度 很 高 。5 22 11 66 10101 1.01 10 1.33 102 1.33 10 1.33 103 1.33 10 1.33 104 1.33 10 1.33 105 1.33 10Pa PaPa PaPa PaPa PaPa （ ） 粗 真 空 ： 真 空 压 力 范 围 为（ ） 低 真 空 ： 真 空 压 力 范 围 为（ ） 高 真 空 ： 真 空 压 力 范 围 为（ ） 超 高 真 空 ： 真 空 压 力 范 围 为（ ） 极 高 真 空 ： 真 空 压 力 范 围 为 电力开关设备及应用（高压电器部分）真 空 开 关 电 器 发 展 简 述n 早 期 的 理 论 研 究 阶 段 。 利 用 真 空 介 质 来 熄 灭 电 弧 的 设 想 在 19世 纪末 就 已 提 出 ， 20世 纪 20年 代 制 造 出 了 最 早 的 真 空 灭 弧 室 。 但 是 由 于 受真 空 工 艺 、 材 料 等 技 术 水 平 的 限 制 ， 当 时 并 未 实 现 实 用 化 。n 深 入 的 理 论 研 究 和 关 键 工 艺 发 展 的 阶 段 。 20世 纪 50年 代 以 后 ，随 着 电 子 工 业 发 展 起 来 的 许 多 新 技 术 ， 解 决 了 真 空 灭 弧 室 制 造 中 的 很多 难 题 ， 使 真 空 开 关 逐 渐 达 到 实 用 水 平 。 50年 代 中 期 美 国 通 用 电 气 公司 批 量 生 产 12kV额 定 短 路 开 断 电 流 为 12kA的 真 空 断 路 器 。 随 后 在 50年代 末 由 于 发 展 了 具 有 横 向 磁 场 触 头 的 真 空 灭 弧 室 ， 使 额 定 短 路 开 断 开断 电 流 提 高 到 30kA的 水 平 。 n 真 空 开 关 电 器 的 全 面 发 展 预 广 泛 应 用 阶 段 。 70年 代 后 ， 日 本东 芝 电 气 公 司 研 制 成 功 具 有 纵 向 磁 场 触 头 的 真 空 灭 弧 室 ， 使 额 定 开 断电 流 又 进 一 步 提 高 到 50kA以 上 。 目 前 真 空 断 路 器 已 广 泛 用 于 10kV、35kV配 电 系 统 中 ， 额 定 短 路 开 断 电 流 已 能 做 到 50kA100kA。 电力开关设备及应用（高压电器部分）一 、 真 空 间 隙 的 绝 缘 特 性n 理 想 的 真 空 间 隙 是 指 电 极 表 面 光 滑 的 真 空 间 隙 。n 高 真 空 间 隙 中 ， 气 体 分 子 的 平 均 自 由 行 程 很 长 ，比 真 空 开 关 中 的 触 头 间 隙 距 离 大 一 个 数 量 级 。气 体 分 子 的 碰 撞 游 离 基 本 不 起 作 用 ， 这 就 是 高真 空 间 隙 具 有 很 高 绝 缘 强 度 的 根 本 原 因 。 n 高 真 空 间 隙 的 绝 缘 强 度 比 变 压 器 油 、 高 压 力 的压 缩 空 气 和 六 氟 化 硫 气 体 高 得 多 。n 随 着 间 隙 距 离 的 增 大 ， 高 真 空 间 隙 的 绝 缘 强 度出 现 “ 饱 和 现 象 ” ， 即 距 离 过 分 增 大 ， 击 穿 电压 增 加 不 多 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）1. 真 空 间 隙 的 击 穿 机 理n 大 量 研 究 表 明 ， 真 空 间 隙 的 击 穿 不 是 由 于 间 隙 中 气体 分 子 的 碰 撞 游 离 所 引 起 ， 而 主 要 由 电 极 现 象 决 定 。n 随 着 电 极 表 面 温 度 和 外 加 电 场 强 度 的 增 大 ， 电 极 表面 电 子 发 射 的 电 流 密 度 也 增 大 。 实 验 证 明 ， 当 电 流密 度 达 到 某 一 临 界 值 时 ， 真 空 间 隙 就 被 击 穿 了 。 n 如 果 只 考 虑 电 场 作 用 ， 要 产 生 间 隙 击 穿 ， 电 场 强 度必 须 达 到 109V/m以 上 。 但 实 际 情 况 下 的 电 场 强 度值 要 小 得 多 ， 例 如 1cm长 的 高 真 空 间 隙 的 击 穿 电 压约 为 100kV， 相 应 的 电 场 强 度 为 107V/m。 电力开关设备及应用（高压电器部分）（ 1） 场 致 发 射 击 穿 机 理电 极 表 面 微 观 凹 凸 不 平 。 实 际 电 极 表 面 微 观 结 构 是 凹 凸 不 平的 存 在 有 很 多 微 小 的 局 部 突 起 点 ， 在 这 些 微 凸 处 ， 电 场 将 局 部 增 强 ，实 验 及 计 算 都 能 证 实 ， 这 些 微 凸 处 的 电 场 强 度 是 间 隙 平 均 电 场 强 度 的10倍 一 l00倍 。电 极 表 面 杂 质 。 电 极 表 面 杂 质 和 氧 化 膜 使 电 极 表 面 的 电 子 逸 出 功减 小 ， 使 场 致 发 射 容 易 发 生 。电 极 表 面 局 部 发 热 。 发 射 电 子 的 微 小 凸 起 点 有 一 定 的 电 阻 ， 发 射电 子 时 会 使 这 些 微 小 凸 起 点 局 部 发 热 熔 化 和 蒸 发 ， 产 生 大 量 的 金 属 蒸气 ， 从 电 极 表 面 发 射 的 电 子 穿 过 间 隙 时 会 与 这 些 金 属 蒸 气 的 原 子 和 分子 产 生 碰 撞 游 离 ， 出 现 与 气 体 间 隙 相 似 的 击 穿 过 程 ， 容 易 造 成 间 隙 击 穿 。按 照 场 致 发 射 的 击 穿 机 理 ， 击 穿 的 发 生 是 以 一 定 临 界 击 穿电 场 强 度 条 件 ， 因 此 真 空 间 隙 的 击 穿 电 压 应 与 间 隙 距 离 成正 比 ， 这 与 小 间 隙 下 击 穿 电 压 的 试 验 结 果 是 一 致 的 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）（ 2） 微 粒 击 穿 机 理n 电 极 表 面 不 可 避 免 地 总 会 粘 有 一 些 微 粒 质 点 ， 它 们 在 电 场作 用 下 会 附 着 电 荷 运 动 ， 具 有 一 定 的 动 能 。 如 果 电 场 足 够强 ， 微 粒 直 径 又 适 当 ， 在 穿 过 间 隙 到 达 另 一 电 极 时 已 经 具有 很 大 的 动 能 ， 在 与 另 一 电 极 碰 撞 时 ， 动 能 转 变 为 热 能 ，使 微 粒 本 身 熔 化 和 蒸 发 ， 蒸 发 产 生 的 金 属 蒸 气 又 会 与 场 致发 射 的 电 子 产 生 碰 撞 游 离 ， 最 终 导 致 间 隙 的 击 穿 。 n 根 据 微 粒 击 穿 机 理 ， 真 空 间 隙 的 击 穿 电 压 与 间 隙 距 离 0.5次方 成 正 比 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）（ 3） 电 极 的 二 次 发 射间 隙 中 的 正 离 子 和 光 子 等 ， 撞 击 阴 极 而 引 起 二 次 电 子发 射 ， 或 加 强 了 场 致 发 射 而 引 起 绝 缘 击 穿 。 当 电 极 表 面 吸 附 了 许 多 气 体 和 有 机 物 时 ， 从 阴 极 放出 的 一 次 电 子 在 电 极 间 加 速 并 打 击 阳 极 。 阳 极 受 到 一次 电 子 打 击 后 ， 其 表 面 的 气 体 电 离 ， 产 生 正 离 子 和 光子 ， 它 们 再 受 电 场 的 作 用 ， 加 速 后 又 打 到 阴 极 上 ， 使阴 极 发 射 二 次 电 子 。 这 一 过 程 反 复 进 行 下 去 ， 如 果 二次 电 子 不 断 增 加 ， 使 间 隙 中 的 带 电 粒 子 数 越 来 约 多 ，电 流 将 迅 速 增 大 ， 造 成 真 空 间 隙 的 击 穿 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）n 这 三 种 引 起 真 空 击 穿 的 原 因 并 不 是 孤 立 的 、 是 相 互 关 联 而又 同 时 发 生 作 用 的 。 许 多 研 究 者 认 为 ； 当 真 空 间 隙 (电 极间 距 离 )很 小 时 ， 击 穿 主 要 由 场 致 发 射 引 起 ； 真 空 间 隙 较 大时 ， 微 粒 的 作 用 成 为 击 穿 的 主 要 原 因 。 而 电 场 的 二 次 发 射造 成 击 穿 的 可 能 性 极 小 。n 真 空 中 的 绝 缘 击 穿 电 压 ， 根 据 电 极 材 料 与 表 面 状 态 的 不 同而 有 显 著 差 别 。 通 常 ， 电 极 材 料 的 熔 点 或 机 械 强 度 越 高 其绝 缘 击 穿 电 压 也 越 高 。 在 电 极 表 面 有 突 起 的 部 分 时 ， 其 耐压 强 度 即 显 著 降 低 。 为 消 除 此 种 电 极 表 面 的 突 起 ， 需 要 进行 放 电 处 理 (老 炼 处 理 )。 此 外 ， 电 极 表 面 附 着 有 气 体 或 有机 物 时 ， 在 较 低 电 压 下 即 发 生 绝 缘 击 穿 ， 因 此 ， 必 须 注 意使 电 极 表 面 非 常 清 洁 。 n 真 空 间 隙 击 穿 所 需 时 间 极 短 ， 一 般 在 数 十 至 一 百 多 纳 秒 内 。真 空 击 穿 初 始 阶 段 的 电 流 由 间 隙 的 分 布 电 容 贮 能 提 供 ， 当电 源 功 率 足 够 大 时 ， 击 穿 才 能 发 展 成 真 空 电 弧 。 在 电 力 系统 中 ， 电 源 功 率 很 大 ， 所 以 其 中 触 头 间 的 击 穿 通 常 都 能 转变 成 真 空 电 弧 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）2.影 响 真 空 间 隙 击 穿 电 压 的 因 素（ 1） 真 空 间 隙 距 离 电力开关设备及应用（高压电器部分）（ 2） 真 空 度 电力开关设备及应用（高压电器部分）（ 3） 电 极 材 料 1铜 铬 合 金 ； 2铜 铋 合 金 电力开关设备及应用（高压电器部分）（ 4） 电 极 表 面 状 况 电力开关设备及应用（高压电器部分）n 电 压 老 炼 就 是 通 过 放 电 消 除 电 极 表 面 的 微 观 凸 起 、 杂 质 和 缺 陷 。经 过 小 电 流 的 放 电 使 表 面 的 微 观 凸 起 点 烧 熔 、 蒸 发 ， 使 电 极 表面 光 滑 平 整 ， 局 部 电 场 的 增 强 效 应 减 小 ， 提 高 了 击 穿 电 压 。 老炼 对 电 极 表 面 的 纯 化 作 用 也 是 很 重 要 的 。 由 于 电 极 表 面 的 电 子发 射 容 易 出 现 在 逸 出 功 较 低 的 杂 质 所 在 处 ， 击 穿 放 电 同 样 能 使杂 质 熔 化 和 挥 发 ， 同 样 能 提 高 间 隙 的 击 穿 电 压 。 老 炼 过 程 中 若能 同 时 抽 气 ， 把 蒸 发 的 气 态 物 抽 走 ， 效 果 更 佳 。 电 压 老 炼 只 适宜 用 在 真 空 间 隙 击 穿 电 压 的 提 高 ， 对 真 空 灭 弧 室 触 头 间 隙 击 穿电 压 的 提 高 不 会 有 太 大 的 效 果 。 电 弧 对 触 头 表 面 的 饶 损 将 使 电压 老 炼 的 效 果 全 部 失 效 。 n 电 流 老 炼 是 让 真 空 灭 弧 室 多 次 (几 十 次 到 几 百 次 )开 合 几 百 安 的交 流 电 流 。 利 用 电 弧 高 温 去 除 电 极 表 面 一 薄 层 材 料 ， 使 电 极 表面 层 中 的 气 体 、 氧 化 物 和 杂 质 同 时 除 去 。 电 流 老 炼 的 作 用 主 要是 除 气 和 清 洁 电 极 表 面 ， 对 真 空 灭 弧 室 开 断 性 能 的 提 高 有 一 定的 改 善 作 用 。（ 5） 电 极 老 炼 电力开关设备及应用（高压电器部分）二 、 真 空 电 弧 的 形 态 、 特 性 及 其 熄 弧 原 理 不 管 触 头 表 面 如 何 平 整 ， 微 观 上 看 总 是 凹 凸 不 平 的 。 两 触 头 接 触时 只 有 少 数 表 面 突 起 部 分 接 触 ， 通 过 电 流 。 接 触 点 的 多 少 和 接 触 面 积的 大 小 与 接 触 压 力 有 关 。 当 触 头 在 真 空 中 开 断 电 流 时 ， 随 着 触 头 分 开 ，接 触 压 力 减 小 ， 接 触 点 的 数 量 和 接 触 面 积 也 随 之 减 少 ， 电 流 集 中 在 愈来 愈 少 的 少 数 接 触 点 上 ， 损 耗 增 加 ， 接 触 点 温 度 急 剧 升 高 ， 出 现 熔 化 。随 着 触 头 继 续 分 开 ， 熔 化 的 金 属 桥 被 拉 长 变 细 并 最 终 断 裂 产 生 金 属 蒸气 。 金 属 蒸 气 的 温 度 很 高 ， 部 分 原 子 可 能 产 生 热 电 离 ， 加 上 触 头 刚 分离 时 ， 间 隙 距 离 很 短 ， 电 场 强 度 很 高 ， 阴 极 表 面 在 高 温 、 强 电 场 的 作用 下 又 会 发 射 出 大 量 电 子 ， 并 很 快 发 展 成 温 度 很 高 的 阴 极 斑 点 。 而 阴极 斑 点 又 会 蒸 发 出 新 的 金 属 蒸 气 和 发 射 电 子 ， 这 样 触 头 间 的 放 电 将 转变 为 自 持 的 真 空 电 弧 了 。 由 此 可 见 ， 维 持 真 空 电 弧 的 是 金 属 蒸 气 而 不 是 气 体 分子 ， 真 空 电 弧 实 为 金 属 蒸 气 电 弧 。1.真 空 电 弧 的 形 成 金 属 蒸 气 来 自 触 头 材 料 的 蒸 发 ， 因 此 电 极 材 料 的 特 性对 真 空 电 弧 的 性 质 起 支 配 作 用 。 电 极 现 象 是 研 究 真 空 电 弧的 出 发 点 和 重 要 内 容 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）2.扩 散 型 和 集 聚 型 （ 收 缩 型 ） 真 空 电 弧n 当 铜 电 极 上 电 弧 电 流 小 于 100A时 ，阴 极 一 般 只 存 在 一 个 高 温 的 发 光 斑点 阴 极 斑 点 。 阴 极 斑 点 的 电 流密 度 很 高 。 阴 极 斑 点 是 发 射 电 子 和产 生 金 属 蒸 气 的 场 所 。 电 子 与 金 属蒸 气 的 原 于 碰 撞 会 游 离 出 新 的 电 子和 正 离 子 ， 这 些 电 子 和 正 离 于 依 靠自 身 的 动 能 朝 向 阳 极 运 动 过 程 中 还会 向 径 向 密 度 低 的 地 区 扩 散 ， 因 此呈 现 出 一 个 圆 锥 状 的 微 弱 发 光 区 域 。圆 锥 的 锥 顶 就 是 阴 极 斑 点 ， 朝 着 阳 极 发 散 ， 锥 顶 角 约 60度 。 圆 锥 内 有着 大 量 的 离 子 、 原 子 和 电 子 ， 其 中正 离 子 和 电 子 的 数 量 大 致 相 同 。 这就 是 真 空 电 弧 的 等 离 子 区 ， 又 称 弧柱 区 。 在 锥 体 以 外 地 区 ， 粒 子 的 密度 是 很 低 的 。真 空 电 弧 有 两 种 形 态 即 小 电 流 (几 千 安 )下 的 扩 散 型 真 空电 弧 和 一 万 安 以 上 大 电 流 的 集 聚 型 真 空 电 弧 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）随 着 电 弧 电 流 的 增 大 ， 阴 极 斑 点 的数 量 也 会 增 加 ， 但 每 一 阴 极 斑 点 仍有 自 己 的 等 离 子 区 锥 体 ， 相 邻 的 锥体 也 可 能 重 叠 。 阴 极 斑 点 在 阴 极 表面 不 停 地 运 动 ， 通 常 是 由 电 极 中 心向 边 缘 运 动 。 当 阴 极 斑 点 到 达 电 极边 缘 时 ， 等 离 子 区 的 锥 体 弯 曲 ， 接着 阴 极 斑 点 突 然 消 失 ， 而 在 电 极 中心 又 会 出 现 新 的 斑 点 。 有 时 阴 极 斑点 也 会 自 动 分 裂 产 生 新 的 阴 极 斑 点 。这 种 阴 极 斑 点 不 断 消 失 、 不 断 产 生且 向 边 缘 扩 散 的 真 空 电 弧 称 为 扩 散型 真 空 电 弧 。 扩 散 型 电 弧 的 特 点 是 阴 极 斑 点 数 量 多 ， 且 不 断 在 阴 极 表 面 运动 ， 电 弧 间 隙 中 同 时 存 在 着 很 多 个 并 联 支 弧 ， 而 阳 极 表 面 尚未 形 成 高 温 的 阳 极 斑 点 。阴 极 斑 点 的 数 量 与 电 弧 电 流 的 大 小 、 阴 极 材 料 的 熔 点 和 热 传 导系 数 有 关 。 材 料 的 熔 点 越 低 ， 热 传 导 系 数 越 小 ， 每 一 斑 点 通 导的 电 流 也 越 小 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）n 当 电 弧 电 流 大 于 某 一 临 界 值 时 ， 电 弧 外 形 将 突 然 发 生变 化 ， 阴 极 斑 点 不 再 向 四 周 扩 散 而 是 集 聚 在 一 个 或 几个 较 大 的 面 积 上 并 出 现 阳 极 斑 点 ， 这 种 真 空 电 弧 称 为集 聚 型 真 空 电 弧 。n 通 常 认 为 出 现 了 集 聚 型 真 空 电 弧 形 态 即 意 味 着 达 到 了极 限 开 断 能 力 。n 集 聚 型 真 空 电 弧 的 弧 柱 区 有 很 高 的 蒸 汽 压 力 ， 其 电 弧电 压 比 扩 散 型 有 明 显 增 加 ， 使 电 弧 能 量 更 大 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）3.真 空 电 弧 特 性n 与 高 气 压 的 电 弧 相 同 ， 真 空 电 弧 的 电 弧 电 压 也由 阴 极 压 降 、 弧 柱 (等 离 子 区 )压 降 和 阳 极 压 降三 部 分 组 成 。 不 同 的 是 ， 前 者 以 弧 柱 压 降 为 主 ，而 真 空 电 弧 的 长 度 很 短 ， 对 电 弧 电 压 起 主 要 作用 的 是 阴 极 和 阳 极 压 降 。n 高 气 压 电 弧 具 有 负 的 伏 安 特 性 ， 电 弧 电 压 随 电流 增 大 而 减 小 ； 真 空 电 弧 则 相 反 ， 它 具 有 正 的伏 安 特 性 ， 电 弧 电 压 随 电 流 增 大 而 增 加 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）4.磁 场 对 真 空 电 弧 的 影 响横 向 磁 场 就 是 与 弧 柱 轴 线 垂 直 的 磁 场 。 它 与 电 弧 电 流 作用 产 生 的 洛 仑 兹 力 能 使 电 弧 沿 着 圆 周 方 向 运 动 ， 能 防 止电 弧 长 时 间 停 留 在 电 极 表 面 的 某 些 点 上 所 造 成 的 局 部 温度 过 高 ， 从 而 抑 制 或 推 迟 阳 极 斑 点 的 产 生 ， 对 提 高 真 空开 关 的 开 断 性 能 有 明 显 的 效 果 。横 向 磁 场 使 电 弧 运 动 会 把 电 弧 弯 曲 拉 长 ， 电 弧 电 压 及 电弧 能 量 也 将 提 高 ， 又 会 使 真 空 开 关 开 断 电 流 的 提 高 受 到一 定 限 制 。目 前 应 用 横 向 磁 场 原 理 制 成 的 真 空 断 路 器 的 额 定 开 断 电流 可 达 几 十 千 安 。(1)横 向 磁 场 电力开关设备及应用（高压电器部分）(2)纵 向 磁 场与 弧 柱 轴 线 平 行 的 磁 场 称 为 纵 向 磁 场 ， 它 对 电 弧 的 形 态 、抑 制 阳 极 斑 点 的 形 成 、 减 小 电 弧 电 压 有 着 显 著 的 作 用 。从 阴 极 斑 点 发 射 的 电 子 和 离 子 在 向 阳 极 方 向 运 动 时 ， 会同 时 向 四 周 密 度 较 低 的 地 区 扩 散 ， 具 有 一 定 的 径 向 速 度 。当 存 在 纵 向 磁 场 强 度 时 ， 电 荷 径 向 运 动 与 纵 向 磁 场 产 生的 力 是 圆 周 方 向 的 。 它 特 约 束 径 向 运 动 的 电 荷 绕 着 电 弧轴 线 方 向 作 旋 转 运 动 ， 使 径 向 扩 散 的 电 子 和 离 子 数 大 为减 少 ， 延 缓 了 在 阳 极 附 近 出 现 离 子 贫 乏 现 象 。 弧 柱 内 比较 容 易 维 持 等 离 子 体 的 平 衡 。另 外 ， 电 子 和 离 子 绕 电 弧 轴 线 作 旋 转 运 动 时 产 生 的 离 心力 ， 将 局 部 抵 消 电 弧 本 身 磁 场 产 生 的 磁 压 力 (向 心 力 )的作 用 ， 从 而 延 缓 电 弧 直 径 的 减 小 ， 电 弧 电 压 也 会 降 低 。 这 对 推 迟 集 聚 型 电 弧 的 出 现 也 是 非 常 有 利 的 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）纵 向 磁 场 强 度 也 不 宜 过 大 ， 否 则 围 绕 电 弧 轴 线 作 旋 转 运 动的 电 子 和 离 子 会 因 速 度 过 大 而 产 生 过 多 的 碰 撞 ， 使 电 子 朝着 阳 极 方 向 运 动 时 的 阻 力 增 大 ， 以 致 必 须 提 高 弧 拄 电 压 才能 维 持 新 的 平 衡 。 因 而 纵 向 磁 场 过 大 也 会 导 致 电 弧 电 压 的升 高 。 在 某 一 电 流 下 有 一 最 佳 的 纵 向 磁 场 值 ， 此 时 的 电 弧电 压 最 低 。 它 随 着 电 流 的 加 大 而 增 加 ， 利 用 电 弧 电 流 本 身产 生 纵 向 磁 场 的 方 法 可 以 基 本 满 足 这 一 要 求 。纵 向 磁 场 可 以 降 低 真 空 电 弧 的 电 弧 电 压 ， 减 小 电 弧 能 量 。根 据 高 速 摄 影 对 纵 向 磁 场 中 真 空 电 弧 的 观 察 ， 即 使 在 大 电流 下 ， 阴 极 斑 点 在 电 极 表 面 上 的 分 布 仍 是 均 匀 的 ， 这 就 大大 减 小 了 电 极 的 磨 损 和 金 属 蒸 气 的 蒸 发 。 即 使 在 大 电 流 下 ，电 弧 仍 能 维 持 在 扩 散 型 。 因 此 ， 采 用 纵 向 磁 场 原 理 制 成 的 真 空 断 路 器 ， 其 额 定 开 断 电 流 可 达 50kA甚 至 达 到 100kA。 电力开关设备及应用（高压电器部分）5.交 流 真 空 电 弧 的 熄 灭交 流 真 空 电 弧 电 压 的 变 化 反 映了 真 空 电 弧 形 态 的 变 化 。 根 据电 弧 电 压 的 波 形 可 以 大 致 判 断真 空 电 弧 是 否 转 变 成 集 聚 型 ，真 空 开 关 的 开 断 电 流 是 否 已 接近 极 限 。 另 外 ， 由 于 真 空 电 弧的 正 伏 安 特 性 ， 使 交 流 真 空 电弧 电 压 的 变 化 不 像 其 它 高 气 压交 流 电 弧 那 样 具 有 马 鞍 形 的 特点 ， 也 没 有 燃 弧 和 熄 灭 尖 峰 。交 流 电 弧 的 电 流 是 随 时 间 作 正弦 变 化 的 且 有 电 流 自 然 过 零 的 特 点 ， 这 给 熄 灭 交 流 真 空 电 弧带 来 了 极 大 的 方 便 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）三 、 真 空 灭 弧 装 置 的 结 构 和 工 作 原 理1动 导 电 杆2导 向 套3波 纹 管4动 端 盖 板5波 纹 管 屏 蔽 罩6绝 缘 筒7主 屏 蔽 罩8触 头9静 导 电 杆10静 端 盖 板 电力开关设备及应用（高压电器部分） 电力开关设备及应用（高压电器部分）1.外 壳n 由 绝 缘 筒 、 静 端 盖 板 、 动 端 盖 板 组 成 ，构 成 密 封 真 空 容 器 ， 同 时 作 为 动 、 静 触头 之 间 的 绝 缘 支 持 。n 绝 缘 筒 ： 玻 璃 、 陶 瓷 、 微 晶 玻 璃n 外 壳 金 属 材 料 和 绝 缘 材 料 的 焊 接 ： 过 渡金 属 电力开关设备及应用（高压电器部分）2. 波 纹 管 ： 液 压 成 型 和 薄 片 焊 接 两 种 。最 薄 弱 的 环 节 ， 决 定 了 真 空 灭 弧 室 的 寿 命 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）3.屏 蔽 罩n 真 空 灭 弧 室 内 常 用 的 屏 蔽 罩 有 主 屏 蔽 罩 、 波 纹 管屏 蔽 罩 和 均 压 屏 蔽 罩 。n 主 屏 蔽 罩 环 绕 着 电 弧 间 隙 ， 主 要 作 用 如 下 ：(1)真 空 灭 弧 室 开 断 电 流 时 ， 电 弧 会 使 触 头 材 料 熔 化 、 蒸 发和 喷 溅 。 有 了 主 屏 蔽 罩 后 可 以 有 效 地 防 止 金 属 蒸 气 喷 溅 到绝 缘 外 壳 的 内 表 面 ， 避 免 内 表 面 绝 缘 性 能 下 降(2)屏 蔽 罩 可 使 交 流 电 流 过 零 时 ， 灭 弧 室 内 剩 余 的 金 属 蒸 气和 导 电 粒 子 径 向 快 速 地 扩 散 到 屏 蔽 罩 上 ， 冷 却 、 复 合 和 凝结 ， 有 利 于 电 流 过 零 后 弧 隙 介 质 强 度 的 提 高 ， 改 善 了 灭 弧室 的 开 断 性 能 。 屏 蔽 罩 的 温 度 愈 低 ， 冷 凝 效 果 愈 好 。 显 然在 一 定 程 度 上 加 大 屏 蔽 罩 的 表 面 积 增 大 散 热 效 果 将 有 利 于开 断 性 能 的 提 高 。 (3)屏 蔽 罩 的 存 在 会 影 响 动 、 静 触 头 间 的 电 场 分 布 。 屏 蔽 罩设 计 得 当 将 有 利 于 触 头 间 绝 缘 强 度 的 提 高 。 电力开关设备及应用（高压电器部分） 主 屏 蔽 罩 要 求 散 热 性 能 好 ， 材 料 大 多 采 用 铜 和 不 锈 钢 ， 厚 度 在1mm左 右 。 主 屏 蔽 罩 的 固 定 方 式 分 两 大 类 ， 即 固 定 电 位 式 和 悬浮 电 位 式 。 固 定 电 位 式 是 将 屏 蔽 罩 固 定 在动 触 头 (或 静 触 头 )上 因 而 电 位是 固 定 的 。 这 种 方 式 的 优 点 是结 构 简 单 。 但 在 开 断 大 电 流 时电 弧 可 能 转 移 到 静 触 头 与 屏 蔽罩 间 ， 导 致 屏 蔽 罩 损 坏 。 另 外 ，也 可 将 屏 蔽 罩 固 定 在 动 触 头 上 ，这 可 能 导 致 触 头 间 电 场 分 布 恶化 ， 影 响 电 流 过 零 后 介 质 强 度的 恢 复 。 因 而 这 种 固 定 方 式 只 用 在 电 压 不 高 、 开 断 电 流 不 大的 真 空 接 触 器 和 负 荷 开 关 中 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）悬 浮 电 位 式 屏 蔽 罩 有 四 种 不 同 的 固 定 方 式(1)中 间 封 接 式 ： 主 屏 蔽 罩 固 定 在 绝 缘 外 壳 中 部 的 金 属 圆 环 上 。触 头 间 的 电 场 分 布 比 较 均 匀 。(2)绝 缘 支 柱 式 ： 由 瓷 柱 或 玻 璃 圆 筒 来 支 撑 屏 蔽 罩 。 生 产 工 艺 简单 ， 成 本 较 低 。(3)外 屏 蔽 罩 式 ： 绝 缘 外 壳 焊 在 主 屏 蔽 罩 的 两 端 。 主 屏 蔽 且 是 外壳 的 组 成 部 分 、 有 利 于 屏 蔽 罩 散 热 。(4)绝 缘 端 盖 式 ： 主 屏 蔽 罩 就 是 真 空 灭 弧 室 的 外 壳 。 动 、 静 触 头间 的 沿 面 放 电 距 离 由 高 氧 化 铝 瓷 盘 制 成 的 端 盖 承 担 ， 因 而 沿 面放 电 距 离 受 到 灭 弧 室 直 径 的 限 制 ， 一 般 只 用 于 12kV及 以 下 的 真空 灭 弧 室 中 。 波 纹 管 屏 蔽 罩 包 在 波 纹 管 四 周 ， 防 止 金 属 蒸 气 溅 落 在 波 纹 管上 ， 妨 碍 波 纹 管 工 作 和 降 低 其 使 用 寿 命 ， 波 纹 管 屏 蔽 罩 的 厚 度较 薄 ， 约 为 0.5mm一 1mm， 材 料 为 铜 ， 也 可 采 用 不 锈 钢 。 均 压 屏 蔽 且 装 置 在 触 头 附 近 ， 用 以 改 善 触 头 间 的 电 场 分 布 。 电力开关设备及应用（高压电器部分） 电力开关设备及应用（高压电器部分）4.触 头 真 空 灭 弧 室 内 最 为 重 要 的 元 件 ， 决 定 其 开 断 能力 和 电 气 寿 命 。目 前 真 空 开 关 的 触 头 的 接 触 方 式 都 是 对 接 式 的 。触 头 结 构 ： 平 板 圆 柱 形 触 头 ， 横 向 磁 场 触 头 、纵 向 磁 场 触 头 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）横 向 磁 场 触 头 螺 旋 槽 触 头 电力开关设备及应用（高压电器部分） 电力开关设备及应用（高压电器部分）横 向 磁 场 触 头 杯 状 触 头 电力开关设备及应用（高压电器部分）纵 向 磁 场 触 头 铁 芯 式 纵 磁 触 头 电力开关设备及应用（高压电器部分）纵 向 磁 场 触 头 线 圈 式 纵 磁 触 头 电力开关设备及应用（高压电器部分）纵 向 磁 场 触 头 杯 状 纵 磁 触 头 电力开关设备及应用（高压电器部分）n 触 头 材 料 是 影 响 灭 弧 室 性 能 的 重 要 因 素 ， 这 是 因 为 真空 电 弧 是 由 触 头 材 料 蒸 发 出 的 金 属 蒸 汽 来 维 持 的 。n 基 本 要 求 ：n 开 断 能 力n 截 流 水 平n 耐 电 压 强 度 n 抗 熔 焊 能 力n 含 气 量n 高 电 导 率 、 高 导 热 系 数 和 小 的 接 触 电 阻 以 及 高 的 机 械 强 度n 电 磨 损 率 小n 低 的 热 电 子 发 射 能 力n 真 空 触 头 材 料 的 要 求 是 十 分 苛 刻 的 ， 而 且 上 述 要 求 有些 还 是 相 互 矛 盾 的 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）当 前 用 于 真 空 断 路 器 采 用 最 多 的 合 金 触 头 材 料 是 铜 铬 合 金 。铜 铅 粉 末 冶 金 触 头 材 料 是 在 20世 纪 70年 代 由 美 国 西 屋 公 司和 英 国 GEC公 司 等 研 制 成 功 的 。铜 铬 合 金 材 料 的 质 量 取 决 于 铬 粉 的 质 量 ， 特 别 是 其 中 的 含气 量 。 国 外 生 产 的 铬 粉 的 含 气 量 很 低 ， 因 而 用 这 种 铬 粉 制成 的 铜 铬 材 料 的 质 量 高 。铜 铬 合 金 触 头 的 开 断 性 能 比 铜 碲 硒 触 头 高 10 ， 同 时 具 有更 好 的 绝 缘 性 能 ， 更 低 的 触 头 烧 损 和 弧 后 重 燃 概 率 ， 在 燃弧 过 程 中 还 具 有 吸 气 作 用 。 缺 点 是 抗 熔 焊 性 能 稍 差 。 铜 铬合 金 材 料 适 宜 用 在 高 电 压 、 大 开 断 电 流 的 真 空 断 路 器 中 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）四 、 真 空 断 路 器 的 结 构 和 特 点1.结 构按 照 安 装 方 式 可 分 为 悬 挂 式 、 落 地 式 和 可移 式 。 前 两 种 用 于 固 定 式 开 关 柜 ， 后 一 种用 于 可 移 开 式 开 关 柜 。现 行 应 用 的 操 动 机 构 有 两 大 类 ， 即 电 磁 操动 机 构 和 弹 簧 操 动 机 构 。 配 用 弹 簧 操 动 机构 的 真 空 断 路 器 是 当 前 采 用 最 多 的 一 种 设计 方 式 。 电力开关设备及应用（高压电器部分）悬 挂 式 （ 分 体 式 ） 真 空 断 路 器 落 地 式 真 空 断 路 器 电力开关设备及应用（高压电器部分）VD4型 真 空 断 路 器 （ 移 开 式 ） 电力开关设备及应用（高压电器部分）固 封 极 柱 技 术真 空 断 路 器 极 柱 绝 缘空 气 绝 缘 复 合 绝 缘 固 封 绝 缘APG技 术 ， 环 氧 树 脂 自 动 压 力 凝 胶 成型 技 术 （ Automatic Pressure Gelation)1上 接 线 端 ； 2真 空 灭 弧 室 ；3环 氧 树 脂 ； 4导 电 杆 ；5下 接 线 端 ； 6软 连 接 ；7触 头 弹 簧 ； 8推 杆 ； 9固 定 点 ； 10连 至 操 动 机 构 电力开关设备及应用（高压电器部分）大 大 减 少 机 械 零 件 数 ，简 化 了 结 构 ， 提 高 了 可靠 性 ；机 械 寿 命 长 ；具 有 好 的 力 行 程 特 性配 永 磁 操 动 机 构 的真 空 断 路 器 电力开关设备及应用（高压电器部分） 电力开关设备及应用（高压电器部分） 电力开关设备及应用（高压电器部分）分 闸 位 置 运 动 开 始 前 合 闸 位 置 电力开关设备及应用（高压电器部分）2.真 空 断 路 器 的 特 点n 熄 弧 过 程 在 密 封 的 容 器 中 完 成 ， 电 弧 和 炽 热 的电 离 气 体 不 向 外 界 喷 溅 ， 因 此 不 会 对 周 围 的 绝缘 间 隙 造 成 闪 络 或 击 穿 。n 燃 弧 时 间 短 ， 电 弧 电 压 低 ， 能 力 少 ， 因 而 触 头电 磨 损 率 低 ， 使 用 寿 命 长 ， 适 于 频 繁 操 作 。n 触 头 行 程 短 ， 开 断 速 度 低 ， 对 操 动 机 构 要 求 的操 作 功 小 ， 对 传 动 机 构 的 强 度 要 求 低 ， 体 积 小 ，重 量 轻 。 n 真 空 灭 弧 室 和 触 头 不 需 检 修 ， 维 护 工 作 简 单 。n 灭 弧 介 质 为 真 空 ， 无 火 灾 和 爆 炸 危 险 。n 环 境 污 染 小 。