真空開關(guān)基礎(chǔ)知識一真空的絕緣性能一、 真空的基本概念真空技術(shù)中，“真空”泛指在給定的空間內(nèi)，氣體壓強(qiáng)低于一-個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)，也就是說，同正常的大氣壓相比，是較為稀薄的一種氣體狀態(tài)。真空度是對氣體稀薄程度的種客觀量度。根據(jù)真空技術(shù)的理論，真空度的高低通常都用氣體的壓強(qiáng)來表示。在國際單位制中，壓強(qiáng)是以帕(Pa)為單位1Pa=1N/m2-另外常用的單位還有托(Torr)、亳米汞柱(mmHg)、亳巴(mbar)、工程大氣壓(公斤/厘米2)等。真空區(qū)域的劃分沒有統(tǒng)一規(guī)定，我國通常是這樣劃分的：粗真空:(760?10)托低真空：(10?10-3)托高真空：(10-3?10-8)托超高真空:(10-8?10-12)托極高真空：10-12托托和帕的關(guān)系：1托=1毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa,1帕=7.5x10-3托。真空區(qū)域的特點(diǎn)不同其應(yīng)用也不同，例如吸塵器工作于粗真空區(qū)域，暖瓶、燈泡等工作于低真空區(qū)域，而真空開關(guān)管和其它一些電真空器件則是工作在高真空區(qū)域。二、 真空間隙的絕緣特性真空中放置-?對電極，加上高壓時(shí)，在一定的電壓下也會(huì)產(chǎn)生電極之間的電擊穿。它的擊穿與空氣中的電擊穿有很大不同?？諝庵械膿舸┦怯捎跉怏w中的少量自由電子在電場作用下高速度運(yùn)動(dòng)，與氣體分子碰撞產(chǎn)生較多的電子和高了，新生的電子和離子乂同中性原子碰撞，產(chǎn)生更多的電了和離了。這種雪崩式的電肉過程，在電極間形成了放電通道，產(chǎn)生了電孤。而其空中，由于壓強(qiáng)較低，氣體分了極少，在這樣的環(huán)境中，即使電極間隙中存在著電子，它們從一個(gè)電極飛向另一個(gè)電極時(shí)，也很少有機(jī)會(huì)與氣體分子碰撞。因血不可能有電子和氣體分子碰撞造成’與崩式的電擊穿。正是因?yàn)闅怏w分子十分稀少，真空間隙電擊穿需要在非常高的電壓下出現(xiàn)場致發(fā)射等其它現(xiàn)象時(shí)才有可能形成。從理論上推測，電場強(qiáng)度需達(dá)到108V/cm以上時(shí)才會(huì)造成電擊穿，實(shí)際上真空間隙的絕緣強(qiáng)度由于一系列不利因素例如電極表面粗糙度、潔凈度等的影響，將低于理論計(jì)算值兒個(gè)數(shù)量級，其空滅孤室中的真空度很高,一般為10-3?10-6帕，此時(shí)我空間隙的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1個(gè)大氣壓的空氣和SF6的絕緣強(qiáng)度，比變壓器汕的絕緣強(qiáng)度還要高。正因?yàn)槠?空的絕緣強(qiáng)度很高，真空火孤室中的所有電氣間隙都可以做得很小。例如12kV真空滅孤室的觸頭開距只有8?12mm,40.5kV真空滅孤室的觸頭開距也只要18?25mm,真空火孤室中的其它電氣間隙也在此尺度范圍。三、影響真空絕緣水平的主要因素其空絕緣是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過程，其機(jī)理到目前為止仍沒有明確的結(jié)論。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，主要有以下兒 個(gè)方面：1、 電極的兒何形狀電極的幾何形狀對電場的分布有很大的影響,往往由于幾何形狀不夠恰當(dāng)，引起電場在局部過于集中而導(dǎo)致?lián)舸?，這一點(diǎn)在高電壓的真空產(chǎn)品中尤其突出。電極邊緣的曲率半徑大小是重要因素。一般來說，曲率半徑大的電極承受擊穿電壓的能力比曲率半徑小的大。此外，擊穿電壓還和電極而積的大小成反比，即隨潸電極而根的增大而有所降低。而積增大導(dǎo)致耐壓降低的原因主要是放電概率增加。2、 間隙距離真空的擊穿電壓與間隙距離有著比較明確的關(guān)系。試驗(yàn)表明，當(dāng)間隙距離較小時(shí)（V5mm），擊穿電壓隨著間隙距離的增加而線性增長，但隨著間隙距離的進(jìn)步增加，擊穿電壓的增長減緩，即真空間隙發(fā)生擊穿的電場強(qiáng)度隨腐間隙距離的增加而減小。當(dāng)間隙達(dá)到一定的長度后（220mm），單靠增加間隙距離提高耐壓水平已經(jīng)十分困難，這時(shí)采用多斷口反而比單斷口有利。一般認(rèn)為短間隙下的電擊穿主要是場致發(fā)射引起的，而長間隙下的的電擊穿則主要是微粒效應(yīng)所致。3、 電極材料真空開關(guān)工作在10-2Pa以上的高真空，由丁?此時(shí)氣體分了?十分稀少，氣體分了的碰撞游離對擊穿已經(jīng)不起作用，因此擊穿電壓表現(xiàn)出和電極材料有較強(qiáng)的相關(guān)性。真空間隙的由穿電壓隨著電極材料的不同而不同，研究者發(fā)現(xiàn)擊穿電壓和材料的硬度與機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)。般來說，硬度和機(jī)械強(qiáng)度較高的材料，往往有較高的絕緣強(qiáng)度。比如，鋼電極在淬火后硬度提高，其擊穿電壓較淬火前可提高80%。此外，擊穿電壓還和陰極材料的物理常數(shù)如熔點(diǎn)、比熱和密度等正相關(guān)，即熔點(diǎn)較高的材料其擊穿電壓也較高。對比熱和密度而言亦然.這一問題的實(shí)質(zhì)是在相同熱能的作用下，材料發(fā)生熔化的概率越大，則擊穿電庶越低。4、真空度圖一顯示了間隙擊穿電壓和氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系。由圖可以看到真空度高于10-2Pa（10-4托）時(shí)，擊穿電壓基本上不再隨看氣體壓力的下降而增大，因?yàn)闅怏w分子碰撞游離現(xiàn)象L2不再起作用。當(dāng)氣體壓力從IO-2Pa逐步升高時(shí)（真空度下降），擊穿強(qiáng)度逐漸下降，而在接近1托（102Pa左右）最低，以后乂隨氣壓的增高而增高。從曲線上可以看出其空度高于10-2Pa時(shí)其耐壓強(qiáng)度基本上保持不變。這就表明，其空滅孤室的直空度在10-2Pa以上時(shí)完全能夠滿足正常的使用需求。OJ?I 1 I L-L】10-410-2| 102104 1。6真空度/Pa圖一真空度和擊穿電壓的關(guān)系5、 電極的表面狀況電極的表面狀況對真空間隙的擊穿電壓影響較大。電極表面的氧化物、雜質(zhì)和金屬微粒都會(huì)使真空間隙的擊穿電壓明顯下降。此外，無論真空火弧室的電極表面在制造中加T.得如何，大電流開斷均會(huì)使電極表而變得凸凹不平，這也將使得擊穿電壓降低。6、 老煉效應(yīng)電極老煉有電Jk.老煉和電流老煉兩種。-個(gè)新的真空間隙進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最初兒次的由穿電壓往往較低：隨新試驗(yàn)次數(shù)的增加擊穿電壓也逐漸增大，最后會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值上。這種擊穿電壓隨擊穿次數(shù)增大的現(xiàn)象就是電壓老煉的作用。電壓老煉就是通過放電消除電極表而的微觀凸起、雜質(zhì)和缺陷.經(jīng)過小電流的放電使表面的微觀四起點(diǎn)燒熔、蒸發(fā)，使電極表而光滑平整，局部電場的增強(qiáng)效應(yīng)減小，提高了擊穿電壓。老煉對電極表而的純化作用也是很重要的。由于電極表而的電子發(fā)射容易出現(xiàn)在逸出功較低的雜質(zhì)所在處，擊穿放電同樣能使雜質(zhì)熔化和揮發(fā)，同樣能提高間隙的擊穿電壓。老煉過程中若能同時(shí)抽氣，把蒸發(fā)的氣態(tài)物抽走，效果更佳。電壓老煉只適宜用在真空間隙擊穿電壓的提高，對真空火孤室觸頭間隙擊穿電壓的提高不會(huì)有太大的效果。電孤對觸頭表面