真空開關電器概述真空開關電器的原理、結構及應用1、真空介質及其絕緣與熄弧特性1-1、真空介質的物質特性、真空度 真空是空氣中氣體分子相當稀少的物質狀態。它的度量即真空度是以氣體中的壓強作為單位，其法定單位是Pa（帕斯克）（N/m2）、MPa（兆帕），工程中常用MPa。 在文獻中，關于真空度西方以前常用bar（巴）（1 bar=105 Pa）和torr（托）。MPa=10pa工程大氣壓（at）=1 kgf / cm=1 bar =9.80665104 paTorr= 1 mm Hg =1.3332210 pa= 1.3310-4 MPa標準大氣壓（atm）=760 mm Hg = 101325 pa =0.1 MPa1-2、真空介質的擊穿（放電）特性 由氣體放電現象的研究得出一個均勻電場中擊穿電壓與氣體壓力和極間距離乘積的函數關系巴森（Paschen）定律。式中：A0、B0 與氣體種類和溫度有關的系數 與電極材料和表面狀況有關的系數P 氣體壓力D 極間距離T0、T 標準溫度和試驗時的溫度在溫度一定時，U=f (pd)若繪制上式的 upd 曲線，它將是一個有極小值的V 曲線。對于間隙為12 mm的銅電極，可以得到如圖1的upd 關系。巴曲線的特點是：（1）、當真空度（氣壓）小到一定值（約10-2 pa）時，擊穿電壓與真空度無關，為比空氣中擊穿電壓高得多的定值，其值取決于觸頭材料和表面狀況。（2）、在102 pa附近有極小值。物理解釋：根據氣體放電的規律，氣體擊穿的電子碰撞理論在高電壓下，氣體分子運動中會發生碰撞，同時放出自由電子，自由電子在電場作用下，經過一段“自由行程”，積累了能量與其它分子碰撞，碰撞中自由電子呈幾何級數如同雪崩一樣增長（又稱“電子雪崩”），形成帶電粒子流，最終導致電場擊穿。氣體自由電子的平均自由行程對氣體擊穿起到關鍵作用，在低氣壓P（高真空度）下，平均自由行程增大，當它大到大于電極間距或滅弧室的尺寸時，電子碰撞不再發生，當氣壓高（真空度低）到一定程度，過小，積累不起足以形成碰撞以致形成“電子雪崩”的能量，所以也不容易擊穿，二者之間有極小值。事實上，電子平均自由行程再大，也還會擊穿，除了電子碰撞理論之外，還有場致發射和陰極二次電子發射理論的作用（它們都得到實驗驗證），根據這二個理論，影響真空擊穿的因素主要是：（1）、電極材料及其表面狀況：材料的硬度、微觀光潔度、觸頭形狀影響極大。（2）、間隙距離（3）、電場的不均勻系數1-3、真空電弧與真空介質強度恢復特性1-3-1、真空電極之間一旦擊穿，形成大量帶點的金屬蒸汽金屬離子組成的等離子體。因此一般用等離子物理學的理論來分析真空電弧的本質。1-3-2、真空電弧電流大小不同，電弧的形成和電氣特點有明顯不同。1-3-2-1、小電流（不大于幾百安）電弧擴散型電弧 形成由陰極斑點出發的圓錐狀等離子體弧柱，斑點半徑在110m之間，斑點的電流密度達108A / cm2。 擴散型電弧的特點是： （1）、弧電壓主要取決于材料特性，數值不高（幾十伏），在弧隙中分布較平坦。 （2）、交流電過零前，陰極斑點迅速冷卻，電弧賴以維持的金屬蒸汽少到一定程度，電弧燃燒不穩定，在振蕩中產生突然截斷現象稱為“截流效應”（chopping current），它是真空分斷形成過電壓的主要原因。 （3）、陽極表面沒有燒損。 （4）、錐形弧柱在正離子運動的磁場干擾下，作與安培左手定則方向相反的運動逆動現象，從而形成互相排斥，在電極間作無規則運動。這種現象使得觸頭表面保持不很高的溫度和較少的陰極燒損。1-3-2-2、大電流（幾千安甚至更大）電弧集聚型電弧 電極表面形成金屬熔區，大量金屬等離子體遷移至陽極，產生強烈的電子轟擊，使陽極局部熔化形成陽極斑點，它不象小電流電弧，陰極斑點不斷運動，而是形成集聚狀高壓電流密度的弧柱。 集聚型電弧的特點是： （1）、電弧燃燒由陰極、陽極共同維持，電流過零前有足夠的金屬蒸汽維持電弧，沒有截流現象。 （2）、電弧的電壓降有振盈現象。 （3）、在磁場作用下，集聚型電弧弧柱受洛侖茲力作用而運動。1-3-3、真空介質強度恢復速度 真空電弧在過零時，維持電弧的能量減少，在設計合理的滅弧室中，電弧熄滅后殘存的金屬蒸汽和離子，由于原有的電動斥力及熱慣性，以很快的速度（真空中沒有阻力）向四周擴散，在幾十s內迅速消失（吸附在屏蔽罩表面上），此時觸頭已拉開，恢復原來的真空絕緣狀況（承受住了TRV和工頻恢復電壓的作用）。1-3-4、真空熄弧能力 真空良好的熄弧能力是合理的滅弧室設計與優良的絕緣、介質強度恢復速度特性相結合的產物。 （1）、電弧被拉長或受冷卻，或各種去游離作用，使供給能量不足以維持電弧，使之熄滅； （2）、熄弧以后，電極間的介質強度恢復速度足夠大，足以承受電極間的恢復電壓的作用，從而不再擊穿、復燃。 在真空介質中，只要真空滅弧室（Vacuum Interrupter）設計合理，就能發揮真空介質強度高和介質強度恢復速度快的特點，保證可靠熄弧，同時由于燃弧時間極短（可以做到0.8 m/s。3-2-2、合閘彈跳 合閘彈跳過大影響正常工作，引起極間擊穿，造成觸頭燒損甚至熔焊。 觸頭彈跳的時間估算經驗公式： (s) m動觸頭端規化質量 （kg） 關合時的瞬時速度 （m/s） Kv碰撞損失系數 觸頭初壓力 （N）3-2-3、接觸電阻 Rc=KFc-0.5 () K與材料有關的系數 （對于Cu及Cu基合金取80-140之間） Fc觸頭終壓力 （N）3-2-4、觸頭壓力 閉合的對接式觸頭有電動斥力FE FE= ln 10-7 (N) 其中r為實際微觀接觸的等效半徑 為保證正常發熱所需的觸頭壓力 考慮觸頭彈性變形的修正系數，值可取1，Fc大時可取的大些。 材料硬度 因此外加觸頭壓力 （N） 以上計算未及波紋管自閉力和縱向磁場產生的斥力，必要時也應予考慮。 可以參考下表來設計觸頭壓力額定短路開斷電流 KA812.5162531.540觸頭終壓力 Kg3050507070110170260180300250500 硬度較高的觸頭（Cu Te Sn）取下限，較低的觸頭（Cu Cr等）取上限4、真空開關電器的一些應用問題4-1、真空開關VI的真空度檢測 在歷史上，尤其是真空開關剛問世時，用戶對VI在運行中真空度的保持十分擔心，因為一有漏氣，就有可能發生極間擊穿、短路事故。由于VI的制造工藝水平的提高，使得VI具有一定的機械強度和真空壽命，事實證明，合理的設計與使用，它可以可靠使用二、三十年甚至更久。定期的檢查VI的耐電壓水平是必要的，工頻耐壓試驗實際上間接地檢測了VI的真空狀態。對于玻璃外殼的VI，使用高頻火花儀，可以方便地檢查出VI的真空度是否已達到臨介（允許值）狀態。一種VI真空度測量儀可供用戶檢測其真空度，它的原理是把直流高壓（1060 KV）施于打開的動靜觸頭之間，測量泄漏電流量，當電流量小于0.3 mA時，可定性表明VI內真空度不低于1 Pa，該值被認為是VI尚具有一定絕緣與開斷能力的臨界真空度。目前已有一種根據磁控放電原理專門設計的真空度檢測儀，可定量檢測VI的真空度（測量范圍為 Pa），但僅適用于組裝前的VI。對于VI真空度的在線檢測，尚無理想儀器問世。七、八十年代曾有一些測量三相中心點電位的在線檢測的儀器投放使用，最終因為VI的很長的真空壽命及儀器本身體積較大，不經濟而被淘汰。4-2、操作過電壓及其保護措施4-2-1、產生原因： 截流現象：對于小電流真空電弧，在過零之前發生振盈、不穩定，由于真空的很高的去游離特性，會產生電流突然截斷，會達到很高值。K衰減系數 （電動機取0.60.8，變壓器取0.25） 線路波阻撓截止電流值 一般情況下，5 A，認為它產生的不具有破壞性。 Cu-Cr觸頭材料的真空開關96.6 %累積概率的5 A重燃過電壓：開關剛分時，由于截流過電壓及介質恢復強度并不高，會產生重擊穿，在L、C負載作用下產生高頻電流，而高頻電流過零時也會熄滅，然后發生多次重燃，過電壓幅值由于選加而變得很高，而且這種多次重燃過電壓的陡度極高，破壞性比較大。（操作過電壓對負載的作用反映于電壓幅值與電壓上升率陡度二個方面）三相感應過電壓4-2-2、保護措施 R-C 過電壓抑制器 （保護裝置） R-C裝置可改變線路波阻抗，限制過電壓幅值，同時具有改善過電壓陡度的作用，因此是經濟、有效的措施。但也有不少缺點：、一般用油浸式電容器，不能做到“無油化”；、體積較大、開關柜中不易安置；、增加了電容電流，產生高次諧波影響到電能質量。 氧化鋅壓敏電阻或ZnO避雷器 利用氧化鋅（ZnO）碳化硅（SiC）特殊的電壓 電流的非線性特征，能有效地抑制過電壓。這類過電壓抑制器，曾大量用于低壓電器中保護電子元件。由于外線性電阻片技術的提高也逐漸用于中壓真空開關過過電壓保護，實際使用的保護裝置體積不大，而且還有串聯間隙，提高了安全性。4-3、X射線問題 自由電子撞擊電極會產生X射線，在實際使用條件下，X射線很微弱，一般在進行工頻耐壓、試驗時有較大劑量的X光，但在2 m之外