1、真空斷路器的原理和作用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(kāi)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

2、）。（1托二131。6Pa，1毫巴=100Pa）我們通常所說(shuō)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

3、情況下，其間隙擊穿電壓Uj可表示為：Uj=KLaL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)附近曲線變得平坦， 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(shuō)過(guò)，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?。?chǎng)致發(fā)射論對(duì)真空

4、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。著名的Fowler and Noraheim 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：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

5、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。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

6、狀況對(duì)真空間隙的絕緣都是 非常關(guān)鍵的因素。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(guò)這方面的問(wèn)題：試驗(yàn)對(duì)象是24KV斷路 器，銅鉻觸頭，額定開(kāi)斷電流16KA，額定電流630A，觸頭開(kāi)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25）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(cè)得的 數(shù)值亦小于系列3

7、和系列4的試驗(yàn)值，而電流過(guò)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(kāi)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3050kV范圍內(nèi)，擊 穿距離為0。62mm之間，擊穿時(shí)觸頭的電場(chǎng)強(qiáng)度為2544kV。意大利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)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(kāi)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）允許在真 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)，如果通過(guò)，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

8、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(lái)對(duì)此作說(shuō)明: 真空滅弧室經(jīng)過(guò)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(guò)，開(kāi)斷 故障后，由A值降到B值。熱B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

9、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(shuō)過(guò)，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

10、提高真空滅弧室觸頭間隙的耐壓性能：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；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；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；選擇合適的觸頭形狀，改善觸頭的電場(chǎng)分布。提高開(kāi)斷電流后觸頭極間的絕緣恢復(fù)速度通常斷路開(kāi)斷電流成功的關(guān)鍵在于電弧電流過(guò)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(kāi)斷。真空滅弧室開(kāi)斷電流時(shí)，電弧放出 的金屬蒸汽在電弧電流過(guò)零時(shí)會(huì)迅速擴(kuò)散，遇到觸頭或屏蔽罩表面會(huì)立即凝結(jié)。因此欲求在開(kāi) 斷電流相應(yīng)的觸頭尺寸，材質(zhì)，

11、形態(tài)，觸頭間隙以及電流開(kāi)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(kāi)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：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，可以較容易成

12、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。1我國(guó)高壓真空斷路器的現(xiàn)狀高壓真空斷路器在我國(guó)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用始于1978年，其重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu) 點(diǎn)很快被電力部門運(yùn)行、檢修和技術(shù)人員認(rèn)可。早期國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高壓真空斷路器質(zhì)量不夠穩(wěn)定， 操作過(guò)程中載流過(guò)電壓偏高，個(gè)別 真空滅弧室還存在有漏氣現(xiàn)象。至1992年天津真空開(kāi)關(guān)應(yīng)用 推廣會(huì)議時(shí)，我國(guó)真空斷路器的制造技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了國(guó)際同行業(yè)同類型產(chǎn)品的前列，成為我國(guó) 高壓真空斷路器應(yīng)用，制造技術(shù)新的歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2真空滅弧室的漏氣問(wèn)題新一代高壓真空斷路器普遍使用縱向磁場(chǎng)滅弧原理和銅鉻觸頭

13、材料，其目的是減少觸頭燒損， 提高電氣使用壽命。導(dǎo)電桿同心度調(diào)整不當(dāng)，將使縱向氣線、陶瓷、可伐一金屬封接強(qiáng)度不夠 穩(wěn)定，致使真空滅弧室漏氣。真空滅弧室的波紋管絕大多數(shù)都是采用0.15mm厚度的不銹鋼油壓成型的。高壓真空斷路器應(yīng) 用環(huán)境的污穢等級(jí)、濕度、鹽霧等選擇不夠合適，有害氣體、凝露造成波紋管點(diǎn)狀腐蝕，導(dǎo)致 波紋管和蓋板及封接面的漏氣。保證高壓真空斷路器同心度的調(diào)整，合理的選擇使用和儲(chǔ)存環(huán)境，是解決真空滅弧室漏氣問(wèn)題 的重要措施。3合理選擇高壓真空斷路器電氣壽命高壓真空斷路器的電氣壽命是指設(shè)備技術(shù)條件中規(guī)定的和型式試驗(yàn)中實(shí)際進(jìn)行的滿容量開(kāi)斷次 數(shù)。應(yīng)用中高壓真空斷路器觸頭是不能維修和更換的，

14、要求高壓真空斷路器有足夠高的電氣壽 命是很有必要的。新一代真空滅弧室采用了縱向磁場(chǎng)電極和銅鉻觸頭材料?？v向磁場(chǎng)電極成倍的降低了短路開(kāi)斷 電流作用下的電弧電壓（電弧能量），并使電弧在觸頭表面均勻分布；銅鉻觸頭材料降低了單位 電弧能量所造成的觸頭燒損量。這兩者的有機(jī)結(jié)合，使得高壓真空斷路器的電氣壽命有了突破 性的提高。當(dāng)前，我國(guó)高壓真空斷路器再開(kāi)斷、關(guān)合能力等方面的性能是比較高的，也是比較 穩(wěn)定的。我國(guó)早期高壓真空斷路器電氣壽命只有30次，運(yùn)行最長(zhǎng)的已有20余年，在電力系統(tǒng)至今還沒(méi) 有發(fā)現(xiàn)高壓真空斷路器因?yàn)槎搪烽_(kāi)斷電流的電氣壽命問(wèn)題而退役，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)因?yàn)槎搪烽_(kāi)斷電 流的電氣壽命短導(dǎo)致事故發(fā)生，這就

15、充分說(shuō)明這些高壓真空斷路器基本上能夠滿足電力系統(tǒng)對(duì) 于短路開(kāi)斷電流電氣壽命的要求。所以，高壓真空斷路器的短路開(kāi)斷電流電氣壽命并不是越高 越好。4重視高壓真空斷路器機(jī)械參數(shù)調(diào)整高壓真空斷路器有許多的機(jī)械參數(shù)，如合閘速度、分閘速度、觸頭行程、觸頭合閘彈跳時(shí)間、 觸頭分閘反彈幅值等。這些機(jī)械參數(shù)都是用以保證高壓真空斷路器技術(shù)性能而設(shè)定的。我國(guó)高壓真空斷路器的機(jī)械壽命一般為1000020000次，正在開(kāi)展將機(jī)械壽命提高到30000 40000次的研究工作，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、調(diào)整維修方便、運(yùn)行人員習(xí)慣使用和 維修而被廣泛使用；有些地方也有習(xí)慣使用電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的。操動(dòng)機(jī)構(gòu)在高壓真空斷路器

16、 機(jī)械結(jié)構(gòu)中是最為復(fù)雜、精度要求最高的部分，多數(shù)制造廠生產(chǎn)條件是難以滿足加工精度要求 的。為了保證高壓真空斷路器的可靠性，我國(guó)對(duì)高壓真空斷路器采取了分裝式結(jié)構(gòu)，即將操動(dòng)機(jī)構(gòu) 與斷路器主體二者分開(kāi)，由生產(chǎn)條件比較好的工廠集中生產(chǎn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后再將機(jī)構(gòu)的輸出軸 與斷路器合而為一，所以機(jī)械參數(shù)的合理配置，直接關(guān)系到高壓真空斷路器的技術(shù)性能和機(jī)械 壽命。理想的機(jī)械參數(shù)調(diào)整，對(duì)于高壓真空斷路器的機(jī)械性能十分關(guān)鍵。滿意的緩沖特性應(yīng)該 是運(yùn)動(dòng)部件接觸緩沖瞬間，緩沖器提供較小的反力，隨著緩沖距離的增加，緩沖特性迅速變陡， 最大可能地吸收分離能量，達(dá)到限制分閘反彈和分閘行程的目的。5提高高壓真空斷路器動(dòng)作的可靠性我國(guó)高壓真空斷路器由于國(guó)產(chǎn)材料、元件和標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量問(wèn)題以及傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)觀念，致使 其機(jī)械可靠性和機(jī)械壽命還不夠十分理想。掌握真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)，熟悉其技術(shù)性能指標(biāo)，合理選擇使用條件，密切與制造的信息 聯(lián)系，準(zhǔn)確地應(yīng)用高壓真空斷路器先進(jìn)技術(shù)功能；認(rèn)真做好高壓真空斷路器機(jī)械參數(shù)調(diào)試工作，嚴(yán)格機(jī)械參數(shù)指標(biāo)要求，才能保證其基本功能；規(guī)范備品備件管理和儲(chǔ)存，保證備品備件的技術(shù)性能指標(biāo)和質(zhì)量的一致性、通用性和可靠性；做好高壓真空斷路器的運(yùn)行記錄和事故分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，和制造部門通力合作，不斷提高真 空斷路器的先進(jìn)性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性。6高壓真空斷路器的溫升高壓真空斷路器的回路電阻是影響溫