真空开关电器概述

真空开关电器概述
——真空开关电器的原理、结构及应用
1、真空介质及其绝缘与熄弧特性
1-1、真空介质的物质特性、真空度
真空是空气中气体分子相当稀少的物质状态。

它的度量即真空度是以气体中的压强作
为单位，其法定单位是Pa （帕斯克）（N/m 2）、MPa （兆帕），工程中常用MPa 。

在文献中，关于真空度西方以前常用bar （巴）（1 bar=105 Pa ）和torr （托）。

MPa=106pa
工程大气压（at ）=1 kgf / cm ²=1 bar =9.80665×104
pa
Torr= 1 mm Hg =1.33322×10² pa= 1.33×10-4 MPa
标准大气压（atm ）=760 mm Hg = 101325 pa =0.1 MPa
1-2、真空介质的击穿（放电）特性
由气体放电现象的研究得出一个均匀电场中击穿电压与气体压力和极间距离乘积的函数关系——巴森（Paschen ）定律。

0000(/)()(/)[]ln(1/)
B pd T T pd U f A pd T T T ln γ== 式中：A 0、B 0 ——与气体种类和温度有关的系数
γ ——与电极材料和表面状况有关的系数
P ——气体压力
D ——极间距离
T 0、T ——标准温度和试验时的温度
在温度一定时，U=f (pd)
若绘制上式的 u~pd 曲线，它将是一个有极小值的V 曲线。

对于间隙为12 mm 的铜电极，可以得到如图1的u~pd 关系。

巴曲线的特点是：
（1）、当真空度（气压）小到一定值（约10-2
pa ）
时，击穿电压与真空度无关，为比空气中击穿
电压高得多的定值，其值取决于触头材料和表
面状况。

（2）、在102 pa 附近有极小值。

物理解释：
根据气体放电的规律，气体击穿的电子碰
撞理论——在高电压下，气体分子运动中会发
生碰撞，同时放出自由电子，自由电子在电场
作用下，经过一段
“自由行程”λ，积累了能量与其它分子碰撞，碰撞中自由电子呈几何级数如同雪崩一样增长（又称“电子雪崩”），形成带电粒子流，最终导致电场击穿。

气体自由电子的平均自由行程λ对气体击穿起到关键作用，在低气压P（高真空度）下，平均自由行程λ增大，当它大到大于电极间距或灭弧室的尺寸时，电子碰撞不再发生，当气压高（真空度低）到一定程度，λ过小，积累不起足以形成碰撞以致形成“电子雪崩”的能量，所以也不容易击穿，二者之间有极小值。

事实上，电子平均自由行程再大，也还会击穿，除了电子碰撞理论之外，还有场致发射和阴极二次电子发射理论的作用（它们
都得到实验验证），根据这二个理论，影响
真空击穿的因素主要是：
（1）、电极材料及其表面状况：材料
的硬度、微观光洁度、触头形状影响极大。

（2）、间隙距离
（3）、电场的不均匀系数
1-3、真空电弧与真空介质强度恢复特性
1-3-1、真空电极之间一旦击穿，形成大量
带点的金属蒸汽——金属离子组
成的等离子体。

因此一般用等离子
物理学的理论来分析真空电弧的
本质。

1-3-2、真空电弧电流大小不同，电弧的形成和电气特点有明显不同。

1-3-2-1、小电流（不大于几百安）电弧——扩散型电弧
形成由阴极斑点出发的圆锥状等离子体弧柱，斑点半径在1~10µm之间，斑点的电
流密度达108A / cm2。

扩散型电弧的特点是：
（1）、弧电压主要取决于材料特性，数值不高（几十伏），在弧隙中分布较平坦。

（2）、交流电过零前，阴极斑点迅速冷却，电弧赖以维持的金属蒸汽少到一定程度，电弧燃烧不稳定，在振荡中产生突然截断现象——称为“截流效应”（chopping
current），它是真空分断形成过电压的主要原因。

（3）、阳极表面没有烧损。

（4）、锥形弧柱在正离子运动的磁场干扰下，作与安培左手定则方向相反的运动—
—逆动现象，从而形成互相排斥，在电极间作无规则运动。

这种现象使得触头表面
保持不很高的温度和较少的阴极烧损。

1-3-2-2、大电流（几千安甚至更大）电弧——集聚型电弧
电极表面形成金属熔区，大量金属等离子体迁移至阳极，产生强烈的电子轰击，
使阳极局部熔化形成阳极斑点，它不象小电流电弧，阴极斑点不断运动，而是形成
集聚状高压电流密度的弧柱。

集聚型电弧的特点是：
（1）、电弧燃烧由阴极、阳极共同维持，电流过零前有足够的金属蒸汽维持电弧，
没有截流现象。

（2）、电弧的电压降有振盈现象。

（3）、在磁场作用下，集聚型电弧弧柱受洛仑兹力作用而运动。

1-3-3、真空介质强度恢复速度
真空电弧在过零时，维持电弧的能量减少，在设计合理的灭弧室中，电弧熄灭后残存的金属蒸汽和离子，由于原有的电动斥力及热惯性，以很快的速度（真空中
没有阻力）向四周扩散，在几十µs内迅速消失（吸附在屏蔽罩表面上），此时触头
已拉开，恢复原来的真空绝缘状况（承受住了TRV和工频恢复电压的作用）。

1-3-4、真空熄弧能力
真空良好的熄弧能力是合理的灭弧室设计与优良的绝缘、介质强度恢复速度特性相结合的产物。

（1）、电弧被拉长或受冷却，或各种去
游离作用，使供给能量不足以维持电
弧，使之熄灭；
（2）、熄弧以后，电极间的介质强度恢
复速度足够大，足以承受电极间的恢
复电压的作用，从而不再击穿、复燃。

在真空介质中，只要真空灭弧室
（Vacuum Interrupter）设计合理，
就能发挥真空介质强度高和介质强度
恢复速度快的特点，保证可靠熄弧，同时由于燃弧时间极短（可以做到<10 ms），电弧压降又低，电弧能量控制在较低范围内，使正常开断时触头烧损很小，电寿命极高（可做到50 KA开断50-100次）。

2、真空灭弧室（VI）的结构及其用途
真空开关灭弧室由外壳、导电杆、动、静触头、波纹管、屏蔽罩、导向件等元件组成，它们的组合，保证动触头作垂直运动中维持灭弧室内的真空度。

2-1、真空灭弧室（VI）主要部件的作用及结构要求
2-1-1、外壳
作用：支撑灭弧室的动静触头系统，屏蔽罩等部件，构成真空容器，同时作为内部、外部绝缘体。

外壳材料有硼硅玻璃、微晶玻璃和氧化铝陶瓷。

玻璃与陶瓷二种材料制造工艺不同，一般说来后者适于大规模生产。

2-1-2、金属屏蔽罩
位于动静触头周围，由不锈钢或无氧铜板制成，断路器用VI中它处于悬浮电位，固定在绝缘子上或外壳中部，接触器V1则直接焊在一侧法兰上。

作用：（1）、吸收电弧能量，根据开断电流的大小决定其厚度——改变热容量，屏蔽罩吸收了约70%的电弧总能量
（2）、吸附真空电弧的金属蒸汽维持内绝缘。

（3）、改善内部电场分布（往往有多个屏蔽罩组合）。

2-1-3、波纹管
作用：波纹管一端与动触头杆焊接，另一端与动触头端的法兰焊接，它保证动触头杆作垂直运动时，不影响内部的真空状态，同时在合理设计及使用条件下，它的机械寿命较长，它是保证机械寿命的重要零件。

2-1-4、触头材料与触头结构
2-1-4-1、真空开关触头材料要满足高开断能力，低截流水平，优良的发热和绝缘特性及高寿命的要求，应具备以下特性：（1）、足够的开断能力；（2）、截流低；（3）、高的耐电压强度；（4）、高的抚熔焊性；（5）、含气量低；（6）、高导电率、导热系数和机械强度；（7）、电腐蚀率低；（8）、热电子发射能力低。

以上不少特点是互相冲突的，因此不可能由一种单元素材料来实现。

须采用多元合金材料。

2-1-4-2、主要使用的真空触头材料：
；（铜—铋）
真空断路器采用过三大系列的材料：（a）、Cu-B
i
（b）、Cu-Te-Se；（铜—鍗—硒）
（c）、Cu-Cr；（铜—鉻）
Cu、Cr比例各50%的Cu-Cr合金广泛被采用，其特点是
（a）、开断电流大，可达50KA；
（b）、含气量低，开断后表面形成Cr薄膜，有吸气作用；
（c）、截流低，最大概率的截流值不超过4-5A；
（d）、开断后仍能维持冲击耐压水平；
（e）、机械强度高，电腐蚀轻，电寿命长。

真空接触器一般采用Cu-W合金加添加剂AgWc、Ag-W、Ag-W-Co、Ag-Co-Se等，平均截流为0.8A，机械及电气寿命长。

2-1-4-3、真空触头结构
真空开关的触头结构，随着开断容量的不断提高，不断发展。

真空接触器，真空负荷开关由于开断容量不大，常用对接式圆盘形触头。

真空断路器的开断容量从20 KA起，目前发展到50-63 KA ，形成了诸多结构形式。

随着断路器开断容量的不断提高，基本上有三大类触头结构：
螺旋槽触头——杯状斜槽触头——纵向磁场触头，触头间隙中的磁场对真空电弧的运动及熄灭具有很大的作用。

螺旋槽触头的电弧电流，在触头间隙中形成横向（径向）磁场，它对触头之间的弧柱的作用是使之沿触头圆周切线方向运动，从而减少电磨损（烧蚀），提高了开断容量（61年GE公司用这种触头开断了31.5KA）。

研究表明，提高开断电流后，形成集聚形电弧，就会造成开断失败。

后来研发的杯形斜槽触头造成横向与纵向二种分量的磁场，由于纵向磁场的作用，使电弧集中于触头区域且高速运动，从而提高了开断容量。

由于足够强的纵向磁场对提高开断容量作用很大，各种增强纵向磁场的触头结构应用于大容量真空开关。

而灭弧室纵向磁场的计算与测量也成了VI重要的研究项目。

3、关于真空开关的若干设计问题
3-1、VI的泄露（速）率与真空寿命
在VI中，由于微小的气体泄漏及内部金属中残留气体的释放，其真空度会有所下降，单位时间（h），压力的变化（减小量）与体积的乘积为VI的泄漏率。

内部真空度由于泄漏下降到真空绝缘与开断的允许值（一般为10-2Pa）所经过的时间为其真空寿命。

即泄漏率 2121
P P Q V T T -=⨯- 其中 P 2—P 1 两次测量的压力差 （Pa ）
T 2—T 1 两次测量时的时间差（一般10天） （h ） V VI 的体积 （L ）
真空寿命 l t Pa Pi T T Pt Pi
-=⨯- （年） 其中 P a ——真空压力的允许最大值 （pa ）
Pi ——VI 封口时的真空压力 （pa ）
Pt ——为存放t T 时间后的真空压力 （pa ）
t T ——从封口到存放期末的时间间隔 （年）
（一般t T 为数月）
3-2、真空开关的一些特性要求
3-2-1、分闸速度
开断过程中要求有足够快的分闸速度，尤其是刚分速度，以保持建立足够的介质强
度。

在10 ms 内至少要走完80%行程。

若触头开距为10 mm ，那么平均分闸速度应>0.8 m/s 。

3-2-2、合闸弹跳
合闸弹跳过大影响正常工作，引起极间击穿，造成触头烧损甚至熔焊。

触头弹跳的时间估算经验公式：
0(2.4 2.6)p t N mv F = (s)
m ——动触头端规化质量 （kg ）
0v ——关合时的瞬时速度 （m/s ）
Kv ——碰撞损失系数
0F ——触头初压力 （N ）
3-2-3、接触电阻
Rc=KFc -0.5 (µΩ)
K ——与材料有关的系数 （对于Cu 及Cu 基合金取80-140之间） Fc ——触头终压力 （N ）
3-2-4、触头压力
闭合的对接式触头有电动斥力F E
F E =122y I • ln 2()R r
×10-7 (N) 其中r 为实际微观接触的等效半径 2r c b
F H πξ= c F 为保证正常发热所需的触头压力
ξ——考虑触头弹性变形的修正系数，值可取
13
~1，Fc 大时可取的大些。

b H ——材料硬度 因此外加触头压力 2271ln()102b m c E c y c
R H F F F F I F ξπ-=+=+•⨯ （N ） 以上计算未及波纹管自闭力和纵向磁场产生的斥力，必要时也应予考虑。

硬度较高的触头（Cu Te Sn ）取下限，较低的触头（Cu Cr 等）取上限
4、真空开关电器的一些应用问题
4-1、真空开关VI 的真空度检测
在历史上，尤其是真空开关刚问世时，用户对VI 在运行中真空度的保持十分担心，因为一有漏气，就有可能发生极间击穿、短路事故。

由于VI 的制造工艺水平的提高，使得VI 具有一定的机械强度和真空寿命，事实证明，合理的设计与使用，它可以可靠使用二、三十年甚至更久。

定期的检查VI 的耐电压水平是必要的，工频耐压试验实际上间接地检测了VI 的真空状态。

对于玻璃外壳的VI ，使用高频火花仪，可以方便地检查出VI 的真空度是否已达到临介（允许值）状态。

一种VI 真空度测量仪可供用户检测其真空度，它的原理是把直流高压（10—60 KV ）施于打开的动静触头之间，测量泄漏电流量，当电流量小于0.3 mA 时，可定性表明VI 内真空度不低于1 Pa ，该值被认为是VI 尚具有一定绝缘与开断能力的临界真空度。

目前已有一种根据磁控放电原理专门设计的真空度检测仪，可定量检测VI 的真空度（测量范围为1710~10-- Pa ），但仅适用于组装前的VI 。

对于VI 真空度的在线检测，尚无理想仪器问世。

七、八十年代曾有一些测量三相中心点电位的在线检测的仪器投放使用，最终因为VI 的很长的真空寿命及仪器本身体积较大，不经济而被淘汰。

4-2、操作过电压及其保护措施
4-2-1、产生原因：
●截流现象：对于小电流真空电弧，在过零之前发生振盈、不稳定，由于真空的很高的去游离特性，会产生电流突然截断，di u L dt
=，会达到很高值。

m u k i =•K ——衰减系数 （电动机取0.6~0.8，变压器取0.25）
Z = 线路波阻挠 o i ——截止电流值
一般情况下，o i <5 A ，认为它产生的m u 不具有破坏性。

Cu-Cr 触头材料的真空开关96.6 %累积概率的o i ≤5 A
●重燃过电压：开关刚分时，由于截流过电压及介质恢复强度并不高，会产生
重击穿，在L 、C 负载作用下产生高频电流，而高频电流过零时也会熄灭，然后发生多次重燃，过电压幅值由于选加而变得很高，而且这种多次重燃过电压的陡度极高，破坏性比较大。

（操作过电压对负载的作用反映于电压幅值与电压上升率陡度二个方面）
●三相感应过电压
4-2-2、保护措施
●R-C 过电压抑制器 （保护装置）
R-C 装置可改变线路波阻抗，限制过电压幅值，同时具有改善过电压陡度的作用，因此是经济、有效的措施。

但也有不少缺点：①、一般用油浸式电容器，不能做到“无油化”；②、体积较大、开关柜中不易安置；③、增加了电容电流，产生高次谐波影响到电能质量。

●氧化锌压敏电阻或ZnO 避雷器
利用氧化锌（ZnO ）碳化硅（SiC ）特殊的电压 ~ 电流的非线性特征，能有效地抑制过电压。

这类过电压抑制器，曾大量用于低压电器中保护电子元件。

由于外线性电阻片技术的提高也逐渐用于中压真空开关过过电压保护，实际使用的保护装置体积不大，而且还有串联间隙，提高了安全性。

4-3、X 射线问题
自由电子撞击电极会产生X 射线，在实际使用条件下，X 射线很微弱，一般在进行工频耐压、试验时有较大剂量的X 光，但在2 m 之外也是安全的。

5、真空开关的发展前景
真空开关从上世纪五十年代进入工业运行以来已成为中压范围的主要开关电器，由于它具有体积小、寿命长、几乎无须维护，使用与生产量一直高速增长。

目前的技术前沿问题是：⑴、提高工作电压，在超高压领域内推广使用。

⑵、增大容量，应用于发电机保护开关。

⑶、通过先进的设计和手段（建模电场分析和真空电弧仿真设计），提高单断口的工作
电压、优化结构。

⑷、提高VI的工艺制造技术，降低成本。

（注：素材和资料部分来自网络，供参考。

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