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真空斷路器工作原理及作用

時間:2015-5-12 22:35:01點擊:

  內真空斷路器處于合閘位置時,其對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生永久接地故障,斷路器動作跳閘后,接地故障點又未被清除,則有電母線的對地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受;各種故障...
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 真空斷路器處于合閘位置時,其對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生永久接地故障,斷路器動作跳閘后,接地故障點又未被清除,則有電母線的對地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受;各種故障開斷時,斷口一對觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復電壓的作用而不發生擊穿。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發展的主要研究課題。
真空斷路器
  真空度的表示方式
  絕對壓力低于一個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氣體壓強越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個mm水銀柱高),毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1托=131。6Pa,1毫巴=100Pa)我們通常所說真空滅弧室內部的真空度要達10-4托是指滅弧室內的氣體壓強僅為"萬分之一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度與氣體壓力之間的關系。圖1表示派森定理的關系曲線呈"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度。其擊穿機理至今還不清楚,因為真空滅弧室內部真空度高于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,發生碰撞的機率幾乎是零。因此不會發生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實驗得出的,條件是在均勻電場的情況下,其間隙擊穿電壓Uj可表示為:
        Uj=KLa
      L------間隙距離;
      a------間隙系數(間隙<5mm時a=1,>5mm時,a=0。5)
由派森定理的"V"形關系曲線中看出,當真空度達103托時出現拐點,拐點四周曲線變得平坦,擊穿電壓幾乎無變化。
  當真空度和間隙距離相同時,其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發生變化,電極材料機械強度高,熔點高時,真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。

真空絕緣的破壞機理
  前面已說過,在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內,氣體分子的自由行程很大,不會發生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會擊穿又是客觀存在,于是就有種解釋真空絕緣會破壞的機理,場致發射引起擊穿,微塊引起擊穿和微放電導致擊穿。
  場致發射論對真空間隙所以能發生擊穿的解釋
  間隙電場能量集中,在電極微觀表面的突出部分發生電子發射或蒸發逸出,撞擊陽極使局部發熱,繼續放出離子或蒸汽,正離子再撞擊陰極發生二次發射,相互不斷積累,最后導致間隙擊穿。
  聞名的FowlerandNoraheim場發射電流I表達式為:
             I=AE2e-B/E
         式中 E------電場強度;
            A------常數,與發射點的面積有關;
            B------常數,與電極表面的逸出有關。
  在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下,可以合理地認為真空間隙擊穿是由場致發射引起的,但在長間隙及連續加壓與長脈沖電壓下,有的學者認為真空的擊穿尚存在其它機理:
(1)陰極引起的擊穿;在強電場下,由于場發射電流的焦耳發熱效應,使陰極表面突出物的溫度升高,當溫度達到臨界點時,突出物熔化產生蒸汽引起擊穿。
(2)陽極引起的擊穿:由于陰極發射的電子束,轟擊陽極使某點發熱產生熔化和蒸汽而發生間隙擊穿。產生陽極引起擊穿的條件與電場提高系數和間隙距離有關。

  微塊引起擊穿的解釋
  假設在電極表面附著較輕松的微塊,在電場作用下,微塊脫落而且加速,這微塊撞擊對面的電極時,由于沖擊發熱可使其本身熔化產生蒸汽,引起擊穿。

  微放電導致真空間隙擊穿的解釋
  電極的陰極表面沾污,將發生微放電現象。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,存在時間由50ms到幾ms,放電一般發生在大于1mm的間隙中。
  這些真空間隙的擊穿機理表明,真空電極的材料與電極的表面狀況對真空間隙的絕緣都是非常要害的因素。
  真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關
  真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓,因耐壓實驗前不同工況的分合閘操作有相應的不同結果,意大利哥倫布(Colombo)工程師在設備討論會上有文論述過這方面的問題:試驗對象是24KV斷路器,銅鉻觸頭,額定開斷電流16KA,額定電流630A,觸頭開距15。8mm,觸頭分閘速度1。1m/s,合閘速度為0。6m/s。試驗程序列于表1。
  在關合---分閘操作(試驗系列2~5)后產生的最大擊穿電壓比空載循環(試驗系列1)后給出的數值低,這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減小;同時,系列2和系列5所測得的數值亦小于系列3和系列4的試驗值,而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗結果證實了開閉操作的形式對斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響,擊穿電壓在30~50kV范圍內,擊穿距離為0。6~2mm之間,擊穿時觸頭的電場強度為25~44kV。

試驗序號
試驗電流
項號
操作/試驗順序
1   1-1
1-2
1-3
1-4
合閘-分閘
沖擊絕緣電流
1分鐘工頻試驗
高頻熄弧能力試驗
2 100額定開斷電流 2-1
2-2
2-3
2-4
關合--開斷
沖擊絕緣試驗
1分鐘工頻試驗
高頻熄弧能力試驗
3 30額定開斷電流   用30額定開斷電流值,不同的電流波極性按2。1~2。4逐項試驗
4 10額定開斷電流   用60額定開斷電流值重復進行2。1~2。4的逐項試驗

  意大利哥倫布工程師上述實驗的結果表明,真空開關在開斷大電流后,其真空減小絕緣強度會下降是一種普遍現象。因此,我國早期的真空斷路器在開斷故障后,間隙絕緣會下降,達不到產品技術條件的絕緣水平,故能源部對戶內高壓真空斷路器訂貨要求(部標DL403--91)答應在真空斷路器電壽命試驗后,極間耐壓值降為原標準的80作試驗,假如通過,就認為該斷路器的型式試驗合格。那么,如何解釋目前許多真空斷路器制造廠在作產品介紹時,反復強調它們的真空斷路器電壽命試驗后,間隙的絕緣強調不降低呢?我們以10kV真空斷路器為例來對此作說明:真空滅弧室經過技術和工藝改進,極間絕緣水平同早期產品比較,提高很多例如可達到A值,遠比產品標準規定的耐壓值C(工頻42kV,沖擊75kV)高得多,出廠新品按C值試驗當然不會擊穿,電壽命試驗后,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,試驗時亦不會發生擊穿。而老產品的A''值是大于C值,出廠新品按C值考核,當然能通過,開斷故障后,由A"值降到B"值。

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域發展,提高真空滅弧室斷口極間絕緣耐受能力制成額定電壓較高的單獨斷口真空滅弧室的經濟意義是巨大的,不但可減少串聯斷口的數量,而且使斷路器結構簡單,從而提高了設備可靠性并使設備造價亦相應降低。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。
真空滅弧室內觸頭間耐壓強度的提高
  前面以說過,在滅弧室內部高度真空的情況下,觸頭間存在的氣體非常稀少,不會受極間電壓而產生游離,但極間發生擊穿是客觀存在,從而產生幾種真空絕緣破壞機理的解釋。真空間隙實際擊穿時,有可能是幾種機理同時發生作用,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生的金屬蒸汽或觸頭釋放了所吸附的氣體提供的。基于此點出發,采取下列措施以提高真空滅弧室觸頭間隙的耐壓性能:
(1)選擇熔點或沸點高,熱傳導率小,機械強度和硬度大的觸頭材料;
(2)預先向觸頭間隙施加高電壓,使其反復放電,使觸頭表面附著的金屬或絕緣微粒熔化,蒸發,即所謂"老煉處理";
(3)清除吸附在觸頭或滅弧室表面上的氣體,即進行加熱脫氣處理;
(4)選擇合適的觸頭外形,改善觸頭的電場分布。
提高開斷電流后觸頭極間的絕緣恢復速度
  通常斷路開斷電流成功的要害在于電弧電流過零后,觸頭間隙絕緣恢復速度快于觸頭間隙間的暫態恢復電壓速度,就不會發生重燃而達到成功開斷。真空滅弧室開斷電流時,電弧放出的金屬蒸汽在電弧電流過零時會迅速擴散,碰到觸頭或屏蔽罩表面會立即凝聚。因此欲求在開斷電流相應的觸頭尺寸,材質,形態,觸頭間隙以及電流開斷時產生的金屬蒸汽密度,帶電粒子密度等影響因素進行反復實驗取得試驗數據作分析研究。發現觸頭直徑越大且觸頭間隙越小,電流開斷后的絕緣強度恢復越快;縱向磁場觸頭結構的采用,有極為良好的弧后絕緣恢復特性。
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,小型化方向發展,對真空滅弧室外部表面采取下列強化措施:
(1)用環氧樹脂絕緣包裹真空滅弧室陶瓷外殼表面,環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,而且其制品機械強度高,澆注加工性能好,可以較輕易成型復蓋于陶瓷外殼表面,從而達到滅弧室外表面絕緣強化的目的。并提高了耐污性能,使所需對地絕緣更趨合理化。戶外真空斷路則往往采用帶有裙邊的硅膠外套作管,復蓋于陶瓷外殼的表面,具有更好的抗霧閃性能,但機械強度則不如環氧樹脂制間。
(2)將真空滅弧室置于SF6氣體之中,使陶瓷外殼為SF6氣體所包圍,由于SF6氣體只起絕緣作用,其充氣壓力一般是不高的。

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