真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)的斷路器稱為真空斷路器。真空一般指的是氣體稀薄的空間。但凡絕對壓力低干正常大氣壓力的狀態(tài)都可稱為真空狀態(tài)。絕對壓力等于零的空間稱為絕對真空，這才是真正的真空或理想的真空。真空的程度以氣體的絕對壓力值來表示，壓力越低稱之真空度越高。在國際單位制中，壓力以帕(Pa)為單位。一個工程大氣壓約為0.1MPa(兆帕)。過去習(xí)慣使用毫米汞柱(mmHg)或托(Torr)真空包括的范圍很廣，為方便起見常將它劃分為幾個區(qū)域真空滅弧室的真空度(即真空壓力值)在10-4Torr一10-7Torr，即1.33×10-2Pa—1.33×10-5Pa，屬于高真空范疇。在這樣高的真空度下，氣體的密度很低，氣體分子的平均自由路程很長，因此觸頭間隙的絕緣強(qiáng)度很高。真空開關(guān)電器開展簡述早期的理論研究階段。利用真空介質(zhì)來熄滅電弧的設(shè)想在19世紀(jì)末就已提出，20世紀(jì)20年代制造出了最早的真空滅弧室。但是由于受真空工藝、材料等技術(shù)水平的限制，當(dāng)時并未實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。深入的理論研究和關(guān)鍵工藝開展的階段。20世紀(jì)50年代以后，隨著電子工業(yè)開展起來的許多新技術(shù)，解決了真空滅弧室制造中的很多難題，使真空開關(guān)逐漸到達(dá)實(shí)用水平。50年代中期美國通用電氣公司批量生產(chǎn)12kV額定短路開斷電流為12kA的真空斷路器。隨后在50年代末由于開展了具有橫向磁場觸頭的真空滅弧室，使額定短路開斷開斷電流提高到30kA的水平。真空開關(guān)電器的全面開展預(yù)廣泛應(yīng)用階段。70年代后，日本東芝電氣公司研制成功具有縱向磁場觸頭的真空滅弧室，使額定開斷電流又進(jìn)一步提高到50kA以上。目前真空斷路器已廣泛用于10kV、35kV配電系統(tǒng)中，額定短路開斷電流已能做到50kA—100kA。一、真空間隙的絕緣特性理想的真空間隙是指電極外表光滑的真空間隙。高真空間隙中，氣體分子的平均自由行程很長，比真空開關(guān)中的觸頭間隙距離大一個數(shù)量級。氣體分子的碰撞游離根本不起作用，這就是高真空間隙具有很高絕緣強(qiáng)度的根本原因。高真空間隙的絕緣強(qiáng)度比變壓器油、高壓力的壓縮空氣和六氟化硫氣體高得多。隨著間隙距離的增大，高真空間隙的絕緣強(qiáng)度出現(xiàn)“飽和現(xiàn)象〞，即距離過分增大，擊穿電壓增加不多。1.真空間隙的擊穿機(jī)理大量研究說明，真空間隙的擊穿不是由于間隙中氣體分子的碰撞游離所引起，而主要由電極現(xiàn)象決定。隨著電極外表溫度和外加電場強(qiáng)度的增大，電極外表電子發(fā)射的電流密度也增大。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)電流密度到達(dá)某一臨界值時，真空間隙就被擊穿了。如果只考慮電場作用，要產(chǎn)生間隙擊穿，電場強(qiáng)度必須到達(dá)109V/m以上。但實(shí)際情況下的電場強(qiáng)度值要小得多，例如1cm長的高真空間隙的擊穿電壓約為100kV，相應(yīng)的電場強(qiáng)度為107V/m?！?〕場致發(fā)射擊穿機(jī)理電極外表微觀凹凸不平。實(shí)際電極外表微觀結(jié)構(gòu)是凹凸不平的．存在有很多微小的局部突起點(diǎn)，在這些微凸處，電場將局部增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)及計(jì)算都能證實(shí)，這些微凸處的電場強(qiáng)度是間隙平均電場強(qiáng)度的10倍一l00倍。電極外表雜質(zhì)。電極外表雜質(zhì)和氧化膜使電極外表的電子逸出功減小，使場致發(fā)射容易發(fā)生。電極外表局部發(fā)熱。發(fā)射電子的微小凸起點(diǎn)有一定的電阻，發(fā)射電子時會使這些微小凸起點(diǎn)局部發(fā)熱熔化和蒸發(fā)，產(chǎn)生大量的金屬蒸氣，從電極外表發(fā)射的電子穿過間隙時會與這些金屬蒸氣的原子和分子產(chǎn)生碰撞游離，出現(xiàn)與氣體間隙相似的擊穿過程，容易造成間隙擊穿。按照場致發(fā)射的擊穿機(jī)理，擊穿的發(fā)生是以一定臨界擊穿電場強(qiáng)度條件，因此真空間隙的擊穿電壓應(yīng)與間隙距離成正比，這與小間隙下?lián)舸╇妷旱脑囼?yàn)結(jié)果是一致的?！?〕微粒擊穿機(jī)理電極外表不可防止地總會粘有一些微粒質(zhì)點(diǎn)，它們在電場作用下會附著電荷運(yùn)動，具有一定的動能。如果電場足夠強(qiáng)，微粒直徑又適當(dāng)，在穿過間隙到達(dá)另一電極時已經(jīng)具有很大的動能，在與另一電極碰撞時，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使微粒本身熔化和蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸氣又會與場致發(fā)射的電子產(chǎn)生碰撞游離，最終導(dǎo)致間隙的擊穿。根據(jù)微粒擊穿機(jī)理，真空間隙的擊穿電壓與間隙距離0.5次方成正比?！?〕電極的二次發(fā)射間隙中的正離子和光子等，撞擊陰極而引起二次電子發(fā)射，或加強(qiáng)了場致發(fā)射而引起絕緣擊穿。當(dāng)電極外表吸附了許多氣體和有機(jī)物時，從陰極放出的一次電子在電極間加速并打擊陽極。陽極受到一次電子打擊后，其外表的氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子，它們再受電場的作用，加速后又打到陰極上，使陰極發(fā)射二次電子。這一過程反復(fù)進(jìn)行下去，如果二次電子不斷增加，使間隙中的帶電粒子數(shù)越來約多，電流將迅速增大，造成真空間隙的擊穿。這三種引起真空擊穿的原因并不是孤立的、是相互關(guān)聯(lián)而又同時發(fā)生作用的。許多研究者認(rèn)為；當(dāng)真空間隙(電極間距離)很小時，擊穿主要由場致發(fā)射引起；真空間隙較大時，微粒的作用成為擊穿的主要原因。而電場的二次發(fā)射造成擊穿的可能性極小。真空中的絕緣擊穿電壓，根據(jù)電極材料與外表狀態(tài)的不同而有顯著差異。通常，電極材料的熔點(diǎn)或機(jī)械強(qiáng)度越高其絕緣擊穿電壓也越高。在電極外表有突起的局部時，其耐壓強(qiáng)度即顯著降低。為消除此種電極外表的突起，需要進(jìn)行放電處理(老煉處理)。此外，電極外表附著有氣體或有機(jī)物時，在較低電壓下即發(fā)生絕緣擊穿，因此，必須注意使電極外表非常清潔。真空間隙擊穿所需時間極短，一般在數(shù)十至一百多納秒內(nèi)。真空擊穿初始階段的電流由間隙的分布電容貯能提供，當(dāng)電源功率足夠大時，擊穿才能開展成真空電弧。在電力系統(tǒng)中，電源功率很大，所以其中觸頭間的擊穿通常都能轉(zhuǎn)變成真空電弧。2.影響真空間隙擊穿電壓的因素〔1〕真空間隙距離〔2〕真空度〔3〕電極材料1——銅—鉻合金；2——銅—鉍合金〔4〕電極外表狀況電壓老煉就是通過放電消除電極外表的微觀凸起、雜質(zhì)和缺陷。經(jīng)過小電流的放電使外表的微觀凸起點(diǎn)燒熔、蒸發(fā)，使電極外表光滑平整，局部電場的增強(qiáng)效應(yīng)減小，提高了擊穿電壓。老煉對電極外表的純化作用也是很重要的。由于電極外表的電子發(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。老煉過程中假設(shè)能同時抽氣，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，對真空滅弧室觸頭間隙擊穿電壓的提高不會有太大的效果。電弧對觸頭外表的饒損將使電壓老煉的效果全部失效。電流老煉是讓真空滅弧室屢次(幾十次到幾百次)開合幾百安的交流電流。利用電弧高溫去除電極外表一薄層材料，使電極外表層中的氣體、氧化物和雜質(zhì)同時除去。電流老煉的作用主要是除氣和清潔電極外表，對真空滅弧室開斷性能的提高有一定的改善作用?！?〕電極老煉二、真空電弧的形態(tài)、特性及其熄弧原理不管觸頭外表如何平整，微觀上看總是凹凸不平的。兩觸頭接觸時只有少數(shù)外表突起局部接觸，通過電流。接觸點(diǎn)的多少和接觸面積的大小與接觸壓力有關(guān)。當(dāng)觸頭在真空中開斷電流時，隨著觸頭分開，接觸壓力減小，接觸點(diǎn)的數(shù)量和接觸面積也隨之減少，電流集中在愈來愈少的少數(shù)接觸點(diǎn)上，損耗增加，接觸點(diǎn)溫度急劇升高，出現(xiàn)熔化。隨著觸頭繼續(xù)分開，熔化的金屬橋被拉長變細(xì)并最終斷裂產(chǎn)生金屬蒸氣。金屬蒸氣的溫度很高，局部原子可能產(chǎn)生熱電離，加上觸頭剛別離時，間隙距離很短，電場強(qiáng)度很高，陰極外表在高溫、強(qiáng)電場的作用下又會發(fā)射出大量電子，并很快開展成溫度很高的陰極斑點(diǎn)。而陰極斑點(diǎn)又會蒸發(fā)出新的金屬蒸氣和發(fā)射電子，這樣觸頭間的放電將轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿值恼婵针娀×?。由此可見，維持真空電弧的是金屬蒸氣而不是氣體分子，真空電弧實(shí)為金屬蒸氣電弧。1.真空電弧的形成金屬蒸氣來自觸頭材料的蒸發(fā)，因此電極材料的特性對真空電弧的性質(zhì)起支配作用。電極現(xiàn)象是研究真空電弧的出發(fā)點(diǎn)和重要內(nèi)容。2.擴(kuò)散型和集聚型〔收縮型〕真空電弧當(dāng)銅電極上電弧電流小于100A時，陰極一般只存在一個高溫的發(fā)光斑點(diǎn)——陰極斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)的電流密度很高。陰極斑點(diǎn)是發(fā)射電子和產(chǎn)生金屬蒸氣的場所。電子與金屬蒸氣的原于碰撞會游離出新的電子和正離子，這些電子和正離于依靠自身的動能朝向陽極運(yùn)動過程中還會向徑向密度低的地區(qū)擴(kuò)散，因此呈現(xiàn)出一個圓錐狀的微弱發(fā)光區(qū)域。圓錐的錐頂就是陰極斑點(diǎn)，朝著陽極發(fā)散，錐頂角約60度。圓錐內(nèi)有著大量的離子、原子和電子，其中正離子和電子的數(shù)量大致相同。這就是真空電弧的等離子區(qū)，又稱弧柱區(qū)。在錐體以外地區(qū)，粒子的密度是很低的。真空電弧有兩種形態(tài)．即小電流(幾千安)下的擴(kuò)散型真空電弧和一萬安以上大電流的集聚型真空電弧。隨著電弧電流的增大，陰極斑點(diǎn)的數(shù)量也會增加，但每一陰極斑點(diǎn)仍有自己的等離子區(qū)錐體，相鄰的錐體也可能重疊。陰極斑點(diǎn)在陰極外表不停地運(yùn)動，通常是由電極中心向邊緣運(yùn)動。當(dāng)陰極斑點(diǎn)到達(dá)電極邊緣時，等離子區(qū)的錐體彎曲，接著陰極斑點(diǎn)突然消失，而在電極中心又會出現(xiàn)新的斑點(diǎn)。有時陰極斑點(diǎn)也會自動分裂產(chǎn)生新的陰極斑點(diǎn)。這種陰極斑點(diǎn)不斷消失、不斷產(chǎn)生且向邊緣擴(kuò)散的真空電弧稱為擴(kuò)散型真空電弧。擴(kuò)散型電弧的特點(diǎn)是陰極斑點(diǎn)數(shù)量多，且不斷在陰極外表運(yùn)動，電弧間隙中同時存在著很多個并聯(lián)支弧，而陽極外表尚未形成高溫的陽極斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)的數(shù)量與電弧電流的大小、陰極材料的熔點(diǎn)和熱傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)。材料的熔點(diǎn)越低，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，每一斑點(diǎn)通導(dǎo)的電流也越小。當(dāng)電弧電流大于某一臨界值時，電弧外形將突然發(fā)生變化，陰極斑點(diǎn)不再向四周擴(kuò)散而是集聚在一個或幾個較大的面積上并出現(xiàn)陽極斑點(diǎn)，這種真空電弧稱為集聚型真空電弧。通常認(rèn)為出現(xiàn)了集聚型真空電弧形態(tài)即意味著到達(dá)了極限開斷能力。集聚型真空電弧的弧柱區(qū)有很高的蒸汽壓力，其電弧電壓比擴(kuò)散型有明顯增加，使電弧能量更大。3.真空電弧特性與高氣壓的電弧相同，真空電弧的電弧電壓也由陰極壓降、弧柱(等離子區(qū))壓降和陽極壓降三局部組成。不同的是，前者以弧柱壓降為主，而真空電弧的長度很短，對電弧電壓起主要作用的是陰極和陽極壓降。高氣壓電弧具有負(fù)的伏安特性，電弧電壓隨電流增大而減??；真空電弧那么相反，它具有正的伏安特性，電弧電壓隨電流增大而增加。4.磁場對真空電弧的影響橫向磁場就是與弧柱軸線垂直的磁場。它與電弧電流作用產(chǎn)生的洛侖茲力能使電弧沿著圓周方向運(yùn)動，能防止電弧長時間停留在電極外表的某些點(diǎn)上所造成的局部溫度過高，從而抑制或推遲陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)生，對提高真空開關(guān)的開斷性能有明顯的效果。橫向磁場使電弧運(yùn)動會把電弧彎曲拉長，電弧電壓及電弧能量也將提高，又會使真空開關(guān)開斷電流的提高受到一定限制。目前應(yīng)用橫向磁場原理制成的真空斷路器的額定開斷電流可達(dá)幾十千安。(1)橫向磁場(2)縱向磁場與弧柱軸線平行的磁場稱為縱向磁場，它對電弧的形態(tài)、抑制陽極斑點(diǎn)的形成、減小電弧電壓有著顯著的作用。從陰極斑點(diǎn)發(fā)射的電子和離子在向陽極方向運(yùn)動時，會同時向四周密度較低的地區(qū)擴(kuò)散，具有一定的徑向速度。當(dāng)存在縱向磁場強(qiáng)度時，電荷徑向運(yùn)動與縱向磁場產(chǎn)生的力是圓周方向的。它特約束徑向運(yùn)動的電荷繞著電弧軸線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使徑向擴(kuò)散的電子和離子數(shù)大為減少，延緩了在陽極附近出現(xiàn)離子貧乏現(xiàn)象?；≈鶅?nèi)比較容易維持等離子體的平衡。另外，電子和離子繞電弧軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時產(chǎn)生的離心力，將局部抵消電弧本身磁場產(chǎn)生的磁壓力(向心力)的作用，從而延緩電弧直徑的減小，電弧電壓也會降低。這對推遲集聚型電弧的出現(xiàn)也是非常有利的?？v向磁場強(qiáng)度也不宜過大，否那么圍繞電弧軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電子和離子會因速度過大而產(chǎn)生過多的碰撞，使電子朝著陽極方向運(yùn)動時的阻力增大，以致必須提高弧拄電壓才能維持新的平衡。因而縱向磁場過大也會導(dǎo)致電弧電壓的升高。在某一電流下有一最正確的縱向磁場值，此時的電弧電壓最低。它隨著電流的加大而增加，利用電弧電流本身產(chǎn)生縱向磁場的方法可以根本滿足這一要求?？v向磁場可以降低真空電弧的電弧電壓，減小電弧能量。根據(jù)高速攝影對縱向磁場中真空電弧的觀察，即使在大電流下，陰極斑點(diǎn)在電極外表上的分布仍是均勻的，這就大大減小了電極的磨損和金屬蒸氣的蒸發(fā)。即使在大電流下，電弧仍能維持在擴(kuò)散型。因此，采用縱向磁場原理制成的真空斷路器，其額定開斷電流可達(dá)50kA甚至到達(dá)100kA。5.交流真空電弧的熄滅交流真空電弧電壓的變化反映了真空電弧形態(tài)的變化。根據(jù)電弧電壓的波形可以大致判斷真空電弧是否轉(zhuǎn)變成集聚型，真空開關(guān)的開斷電流是否已接近極限。另外，由于真空電弧的正伏安特性，使交流真空電弧電壓的變化不像其它高氣壓交流電弧那樣具有馬鞍形的特點(diǎn)，也沒有燃弧和熄滅尖峰。交流電弧的電流是隨時間作正弦變化的且有電流自然過零的特點(diǎn)，這給熄滅交流真空電弧帶來了極大的方便。三、真空滅弧裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理1——動導(dǎo)電桿2——導(dǎo)向套3——波紋管4——動端蓋板5——波紋管屏蔽罩6——絕緣筒7——主屏蔽罩8——觸頭9——靜導(dǎo)電桿10——靜端蓋板1.外殼由絕緣筒、靜端蓋板、動端蓋板組成，構(gòu)成密封真空容器，同時作為動、靜觸頭之間的絕緣支持。絕緣筒：玻璃、陶瓷、微晶玻璃外殼金屬材料和絕緣材料的焊接：過渡金屬2.波紋管：液壓成型和薄片焊接兩種。最薄弱的環(huán)節(jié)，決定了真空滅弧室的壽命。3.屏蔽罩真空滅弧室內(nèi)常用的屏蔽罩有主屏蔽罩、波紋管屏蔽罩和均壓屏蔽罩。主屏蔽罩環(huán)繞著電弧間隙，主要作用如下：(1)真空滅弧室開斷電流時，電弧會使觸頭材料熔化、蒸發(fā)和噴濺。有了主屏蔽罩后可以有效地防止金屬蒸氣噴濺到絕緣外殼的內(nèi)外表，防止內(nèi)外表絕緣性能下降(2)屏蔽罩可使交流電流過零時，滅弧室內(nèi)剩余的金屬蒸氣和導(dǎo)電粒子徑向快速地擴(kuò)散到屏蔽罩上，冷卻、復(fù)合和凝結(jié)，有利于電流過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的提高，改善了滅弧室的開斷性能。屏蔽罩的溫度愈低，冷凝效果愈好。顯然在一定程度上加大屏蔽罩的外表積增大散熱效果將有利于開斷性能的提高。(3)屏蔽罩的存在會影響動、靜觸頭間的電場分布。屏蔽罩設(shè)計(jì)得當(dāng)將有利于觸頭間絕緣強(qiáng)度的提高。主屏蔽罩要求散熱性能好，材料大多采用銅和不銹鋼，厚度在1mm左右。主屏蔽罩的固定方式分兩大類，即固定電位式和懸浮電位式。固定電位式是將屏蔽罩固定在動觸頭(或靜觸頭)上因而電位是固定的。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。但在開斷大電流時電弧可能轉(zhuǎn)移到靜觸頭與屏蔽罩間，導(dǎo)致屏蔽罩損壞。另外，也可將屏蔽罩固定在動觸頭上，這可能導(dǎo)致觸頭間電場分布惡化，影響電流過零后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)。因而這種固定方式只用在電壓不高、開斷電流不大的真空接觸器和負(fù)荷開關(guān)中。懸浮電位式屏蔽罩有四種不同的固定方式(1)中間封接式：主屏蔽罩固定在絕緣外殼中部的金屬圓環(huán)上。觸頭間的電場分布比較均勻。(2)絕緣支柱式：由瓷柱或玻璃圓筒來支撐屏蔽罩。生產(chǎn)工藝簡單，本錢較低。(3)外屏蔽罩式：絕緣外殼焊在主屏蔽罩的兩端。主屏蔽且是外殼的組成局部、有利于屏蔽罩散熱。(4)絕緣端蓋式：主屏蔽罩就是真空滅弧室的外殼。動、靜觸頭間的沿面放電距離由高氧化鋁瓷盤制成的端蓋承擔(dān)，因而沿面放電距離受到滅弧室直徑的限制，一般只用于12kV及以下的真空滅弧室中。波紋管屏蔽罩包在波紋管四周，防止金屬蒸氣濺落在波紋管上，阻礙波紋管工作和降低其使用壽命，波紋管屏蔽罩的厚度較薄，約為0.5mm一1mm，材料為銅，也可采用不銹鋼。均壓屏蔽且裝置在觸頭附近，用以改善觸頭間的電場分布。4.觸頭

真空滅弧室內(nèi)最為重要的元件，決定其開斷能力和電氣壽命。目前真空開關(guān)的觸頭的接觸方式都是對接式的。觸頭結(jié)構(gòu)：平板圓柱形觸頭，橫向磁場觸頭、縱向磁場觸頭。橫向磁場觸頭——螺旋槽觸頭橫向磁場觸頭——杯狀觸頭縱向磁場觸頭——鐵芯式縱磁觸頭縱向磁場觸頭——線圈式縱磁觸頭縱向磁場觸頭——杯狀縱磁觸頭觸頭材料是影響滅弧室性能的重要因素，這是因?yàn)檎婵针娀∈怯捎|頭材料蒸發(fā)出的金屬蒸汽來維持的。根本要求：開斷能力截流水平耐電壓強(qiáng)度抗熔焊能力含氣量高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱系數(shù)和小的接觸電阻以及高的機(jī)械強(qiáng)度電磨損率小低的熱電子發(fā)射能力真空觸頭材料的要求是十分苛刻的，而且上述要求有些還是相互矛盾的。當(dāng)前用于真空斷路器采用最多的合金觸頭材料是銅鉻合金。銅鉛粉末冶金觸頭材料是在20世紀(jì)70年代由美國西屋公司和英國GEC公司等研制成功的。銅鉻合金材料的質(zhì)