1、主要内容主要内容第一节第一节 概概 述述一、真空断路器一、真空断路器以以真空真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器。作为绝缘介质和灭弧介质的断路器。二、什么是真空二、什么是真空真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态。绝对压力等于零的空间大气压力的状态都可称为真空状态。绝对压力等于零的空间称为称为绝对真空绝对真空，这才是真正的真空或理想的真空。，这才是真正的真空或理想的真空。三、真空度三、真空度 真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真空度越高。在国
2、际单位制中，压力以帕空度越高。在国际单位制中，压力以帕(Pa)为单位为单位.即即1N/m2的作用力。一个标准大气压约为的作用力。一个标准大气压约为0.1 MPa。过去习惯使用毫。过去习惯使用毫米汞柱米汞柱(mmHg)57601.01325 10mmHgPa标准大气压：标准大气压：1133.3mmHgPa 真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域。真空包括的范围很广，为方便起见常将它划分为几个区域。真空灭弧室：1.331021.33105Pa 真空度真空度真空压力范围真空压力范围粗真空1.011051.33102Pa低真空1.331021.33101Pa高真空1.331011.3310
3、6Pa超高真空1.331061.331010Pa极高真空 1.331010Pa四、真空断路器的发展四、真空断路器的发展 真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游离的几率很小，所以离的几率很小，所以绝缘性能好绝缘性能好。早在早在1893 年，美国人里顿豪斯年，美国人里顿豪斯(Rittenhause)就设计出世就设计出世界上第界上第1 只真空灭弧室并以专利的形式发表；只真空灭弧室并以专利的形式发表；1920年，瑞年，瑞典佛加（典佛加（Birka）公司研制出世界上第一台真空开关；）公司研制出世界上第一台真空开关；1926年，加里福尼亚工学院
4、的索伦森年，加里福尼亚工学院的索伦森(Sornsen)教授发表了真空教授发表了真空开关的试验结果，并预言应用真空开关的时代不久就会到开关的试验结果，并预言应用真空开关的时代不久就会到来。由于当时的真空技术还很落后，使得真空开关在工业来。由于当时的真空技术还很落后，使得真空开关在工业上的实际应用被大大推迟了。上的实际应用被大大推迟了。到到1950年前后，随着真空技术以及相关技术如冶金技术等年前后，随着真空技术以及相关技术如冶金技术等的发展，真空灭弧室的制造技术得到了提高，又重新开始的发展，真空灭弧室的制造技术得到了提高，又重新开始了真空开关在工业上应用的研究。了真空开关在工业上应用的研究。195
5、6年，罗斯年，罗斯(HCross)试制出了试制出了15kV、200A的真空开关。的真空开关。1961年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研制成功额定电压制成功额定电压15kV、12.5kA的真空断路器，的真空断路器，1966年相继年相继研制成功额定电压为研制成功额定电压为15kV、开断电流为、开断电流为25kA和和31.5kA的的真空断路器，从此真空开关正式进入电力开关的行列，美真空断路器，从此真空开关正式进入电力开关的行列，美国也因此成为世界上最早批量生产和使用真空开关的国家，国也因此成为世界上最早批量生产和使用真空开关的国家，在其影响和
6、推动下，欧洲和亚洲的部分国家也相继开始了在其影响和推动下，欧洲和亚洲的部分国家也相继开始了研制工作，真空开关从此在全球范围内得到认同和发展。研制工作，真空开关从此在全球范围内得到认同和发展。二十世纪二十世纪70年代初，全球范围掀起的年代初，全球范围掀起的中压开关无油化中压开关无油化浪潮浪潮给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借自身巨大的给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借自身巨大的技术优势，真空开关仅用了不到技术优势，真空开关仅用了不到20年的时间就取代少油开年的时间就取代少油开关而成为中压领域的主导产品。目前单断口真空断路器已关而成为中压领域的主导产品。目前单断口真空断路器已达到达到1
7、45kV 电压等级，短路开断电流已达到电压等级，短路开断电流已达到200kA 四、真空断路器的发展四、真空断路器的发展 真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游离的几率很小，所以离的几率很小，所以绝缘性能好绝缘性能好。利用真空介质来熄灭电弧的设想在利用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就已提出，世纪末就已提出，20世纪世纪20年代年代制造出了最早的真空灭弧室。但是由于受真空制造出了最早的真空灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制，当时并未实现实用化。工艺、材料等技术水平的限制，当时并未实现实用化。20世纪世纪50年代以后，
8、随着电子工业发展起来的许多新技术，年代以后，随着电子工业发展起来的许多新技术，解决了真空灭弧室制造中的很多难题，使真空开关逐渐达解决了真空灭弧室制造中的很多难题，使真空开关逐渐达到实用水平。到实用水平。50年代中期美国通用电气公司批量生产了年代中期美国通用电气公司批量生产了12kV额定开断电流为额定开断电流为12kA的真空断路器。随后在的真空断路器。随后在50年代末年代末由于发展了具有由于发展了具有横向磁场触头横向磁场触头的真空灭弧室，使额定开断的真空灭弧室，使额定开断电流提高到电流提高到30kA的水平。的水平。70年代掀起年代掀起中压开关无油化中压开关无油化浪潮（真空、浪潮（真空、SF6），
9、日本东），日本东芝电气公司研制成功了具有芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头纵向磁场触头的真空灭弧室，的真空灭弧室，使额定开断电流又进一步提高到使额定开断电流又进一步提高到50kA以上。目前真空断路以上。目前真空断路器已广泛用于器已广泛用于10kV，35kV配电系统中，额定开断电流已能配电系统中，额定开断电流已能做到做到50kA-100kA。在世界中压市场的份额：在世界中压市场的份额：日本中压市场几乎日本中压市场几乎100%采用真空断路器采用真空断路器 我国我国1993年起电力部门大力推广真空断路器。中压真空断年起电力部门大力推广真空断路器。中压真空断路器的产量路器的产量2000年已占全部中压
10、断路器产量的年已占全部中压断路器产量的87.36%,2019年已占年已占92.27%，当年生产，当年生产12kV真空断路器真空断路器13359台。台。我国已成为世界中压真空断路器生产大国之一。我国已成为世界中压真空断路器生产大国之一。我国我国12kV级的真空断路器的额定开断电流已达到级的真空断路器的额定开断电流已达到63kA的水的水平，与国外产品的技术水平基本相同。平，与国外产品的技术水平基本相同。40.5kV级的真空断级的真空断路器的额定开断电流为路器的额定开断电流为25kA。1980198519902019200020%46%55%62%70%五、真空断路器的特点五、真空断路器的特点它以真
11、空作为绝缘和灭弧介质，因而耐电压强度高，开它以真空作为绝缘和灭弧介质，因而耐电压强度高，开断能力大断能力大;使用安全，既不受外部环境影响，也不对环境造成污染，使用安全，既不受外部环境影响，也不对环境造成污染，无喷油、排气、火灾和爆炸的危险，特别适合于城市变无喷油、排气、火灾和爆炸的危险，特别适合于城市变电站和石油、化工、煤炭等部门使用电站和石油、化工、煤炭等部门使用;开关的触头开距比其他开关装置小得多，因而对操动机开关的触头开距比其他开关装置小得多，因而对操动机构的要求较低，使开关的总体体积减小，重量减轻，很构的要求较低，使开关的总体体积减小，重量减轻，很适合城市小型化、紧凑型变电站的工作条件
12、适合城市小型化、紧凑型变电站的工作条件;操作寿命长，能满足频繁操作的要求操作寿命长，能满足频繁操作的要求;易维护，灭弧室无需检修。易维护，灭弧室无需检修。无辅助灭弧，容量受限无辅助灭弧，容量受限。六、真空断路器的结构六、真空断路器的结构真空灭弧室真空灭弧室绝缘子绝缘子操动机构操动机构传动机构传动机构接线端子接线端子支撑杆支撑杆1.1.总体结构总体结构 真空断路器的两种布置方式真空断路器的两种布置方式（1 1）落地式）落地式 是将真空灭弧室安装在上方，用绝缘子支持，操动机构设置在底座的下方，上下两部分由传动机构通过绝缘杆连接起来。落地式优点：落地式优点：传动效率高，分合闸操作时直上直下，传动环节
13、少，摩擦阻力小；稳定性好，操作时振动小；便于操作人员观察和更换灭弧室；产品系列性强，而且容易实现户内外产品的相互交换。落地式缺点：落地式缺点：总体高度较高，操动机构检修不方便。落地式落地式（）悬挂式（）悬挂式真空断路器，是将真空灭弧室用绝缘子悬挂在底座框架前方，而操动机构设置在后方（即框架内部），前后两部分用（绝缘传动）杆连接起来。真空断路器装在一个手车上，主要由机架、真空灭弧室及传动系统 组成。悬挂式优点：悬挂式优点：宜用于手车式开关柜。由于操动机构与高电压隔离，便于检修。悬挂式缺点：悬挂式缺点：总体深度尺寸大，用铁多，质量重；绝缘子承受弯曲力；操作时灭弧室振动大；传动效率不高。因此，悬挂式
14、真空断路器一般只适用于中等电压以下的产品。悬挂式悬挂式2.2.真空断路器的灭弧室真空断路器的灭弧室法兰法兰波纹管波纹管屏蔽罩屏蔽罩外壳外壳静触头静触头动触头动触头 很像一个大型的真空电子管，真空灭弧室的外壳是由绝缘很像一个大型的真空电子管，真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，分别焊接在各自的导电杆上，波纹管可以在轴向上一对触头，分别焊接在各自的导电杆上，波纹管可以在轴向上自由伸缩。自由伸缩。作用作用：外壳是真空灭弧室的密封容器，它不仅要容纳和支持灭弧室内的各种部件，而且当动、静触头在断开位
15、置时起绝缘作用。因此，整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。要求要求：对外壳的要求首先是气密性要好；其次是要有一定的机械强度（安装、运输）；再是有良好的绝缘性能。材料材料：玻璃、陶瓷、微晶玻璃(1)(1)绝缘外壳绝缘外壳玻璃玻璃：成本低，易加工，气密性及绝缘性好，易监视（漏气时电弧颜色改变），缺点是耐冲击性差陶瓷陶瓷（高氧化铝）：机械强度高，气密及绝缘性好，缺点是焊接工艺复杂，成本高(2)(2)屏蔽罩屏蔽罩微晶玻璃微晶玻璃：又称玻璃陶瓷。它是乳白色的不透明体，但也有些是半透明的。它不透气、不吸水，机械强度比氧化铝陶瓷还高。绝缘良好，价格低于氧化铝陶瓷，是制造真空灭弧空的理想材料之一。作用作用：真空
16、灭弧室开断电流时，电弧会使触头材料熔化、蒸发和喷溅。有了屏蔽罩后可以有效地防止金属蒸气喷溅到绝缘外壳的内表面，避免内表面绝缘性能下降；吸收冷凝金属蒸气，利于介质恢复；使灭弧室内部电场均匀分布，利于灭弧。材料材料：屏蔽罩要求散热性能好，材料大多采用铜，厚度在1mm左右。(3)(3)波纹管波纹管 作用作用：能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全密封。固定方式固定方式：一端固定在灭弧室的一个端面上，另一端运动，连在动触头的导杆上。允许伸缩量决定了触头的最大开距允许伸缩量决定了触头的最大开距。一般十几mm.灭弧室中最薄弱的元件。动、静触头每分合一次，波纹管的波纹状薄壁就要产生一次大的机械变形。长
17、期频繁和剧烈的变形容易使波纹管因材料疲劳而损坏，导致灭弧室漏气无法使用。因此波纹管的疲劳寿命也决定了灭弧室的机械寿命.材料材料：不锈钢（最佳）、磷青铜、铍青铜。加工方式加工方式：液压成形液压成形：0.10.2mm钢管液压而成，工艺简单，成本低，但长度受限，寿命短。膜片焊接膜片焊接：先将0.10.15mm钢片冲压成环形薄片，再经氩弧焊焊接而成，长度可根据需要加工，寿命长达几百万次，工艺复杂，用于高压大行程开关。第二节第二节 真空绝缘及其破坏机理真空绝缘及其破坏机理一、真空间隙的绝缘强度一、真空间隙的绝缘强度 高真空间隙中，气体分子的平均自由路程较长（比触高真空间隙中，气体分子的平均自由路程较长（
18、比触头间隙距离大一个数量级），碰撞游离不起作用头间隙距离大一个数量级），碰撞游离不起作用密度密度自由行程自由行程标准大气压标准大气压2.681019/cm33.710-5 cm高真空高真空1.3310-2PaPa3.41012/cm3282 mm 高真空间隙的绝缘强度比变压器油、标高真空间隙的绝缘强度比变压器油、标准压力的压缩空气和六氟化硫气体高得准压力的压缩空气和六氟化硫气体高得多多 间隙距离增大，则绝缘强度（击穿电压）升高，但有间隙距离增大，则绝缘强度（击穿电压）升高，但有“饱饱和现象和现象”。间隙长度小于。间隙长度小于lcmlcm时，击穿电压与间隙长度成时，击穿电压与间隙长度成正比，再增
19、大间隙距离，击穿电压提高的效果就不那样显正比，再增大间隙距离，击穿电压提高的效果就不那样显著了。这就是开发高电压等级真空灭弧室的一个著了。这就是开发高电压等级真空灭弧室的一个难点难点。真空断路器单断口的额定电压一般只能达到真空断路器单断口的额定电压一般只能达到72/84kV,SF672/84kV,SF6断断路器单断口的额定电压已能达到路器单断口的额定电压已能达到30OkV-500kV30OkV-500kV。显然后者。显然后者适宜用在高压和超高压电力系统中，而真空断路器只是在适宜用在高压和超高压电力系统中，而真空断路器只是在10kV-35kV10kV-35kV配电系统配电系统中得到广泛的应用。中
20、得到广泛的应用。击穿电压击穿电压 众所周知，电极表面在强电场作用下会产生冷电子发射。众所周知，电极表面在强电场作用下会产生冷电子发射。电极表面电子发射的电流密度可由经典的电极表面电子发射的电流密度可由经典的肖特基肖特基(Schottky)(Schottky)公式描述（略）公式描述（略）匀强电场匀强电场中，要产生间隙击穿，电场强度须大于中，要产生间隙击穿，电场强度须大于10109 9V/mV/m。实际情况，电场强度为大于实际情况，电场强度为大于l0l07 7V/mV/m时，间隙击穿。如时，间隙击穿。如1cm1cm长长的高真空间隙的击穿电压约为的高真空间隙的击穿电压约为100kV100kV。原因原
21、因：电极表面微观结构凹凸不平，存在有很多微小的局：电极表面微观结构凹凸不平，存在有很多微小的局部突起点。在这些微凸处部突起点。在这些微凸处电场将局部增强电场将局部增强，实验及计算都，实验及计算都能证实，这些微凸处的电场强度是间隙平均电场强度的能证实，这些微凸处的电场强度是间隙平均电场强度的1010倍倍-100-100倍。倍。一、真空击穿的机理（假说）一、真空击穿的机理（假说）1.1.场致发射击穿机理场致发射击穿机理 电极表面不可避免地总会粘有一些微粒质点，它们在电场电极表面不可避免地总会粘有一些微粒质点，它们在电场作用下会附着电荷运动，具有一定的动能。如果电场足够作用下会附着电荷运动，具有一定
22、的动能。如果电场足够强，微粒直径又适当，在穿过间隙到达另一电极时已经具强，微粒直径又适当，在穿过间隙到达另一电极时已经具有很大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，有很大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，使微粒本身熔化和蒸发，蒸发产生的金属蒸气又会与场致使微粒本身熔化和蒸发，蒸发产生的金属蒸气又会与场致发射的电子产生碰撞游离，最终导致间隙的击穿。发射的电子产生碰撞游离，最终导致间隙的击穿。2.2.微粒击穿机理微粒击穿机理F两种机理相互关联，同时作用，间隙两种机理相互关联，同时作用，间隙l较小时，以场致发射较小时，以场致发射为主，间隙为主，间隙l较大时，以微粒击穿为主。较大时，以
23、微粒击穿为主。电极形状及表面状况：电极形状及表面状况：电极的几何形状对电场的分布有很大的影响，其中电极电极的几何形状对电场的分布有很大的影响，其中电极边缘的边缘的曲率半径曲率半径是重要因素之一。通常曲率半径越大，是重要因素之一。通常曲率半径越大，击穿越困难。击穿越困难。击穿电压也随着击穿电压也随着电极面积电极面积增加而降低，随着电极面积的增加而降低，随着电极面积的增加，引发击穿的弱点数目也相应增加，从而使放电概增加，引发击穿的弱点数目也相应增加，从而使放电概率增加。率增加。电极电极表面状况表面状况对真空间隙的击穿电压影响很大。电极表对真空间隙的击穿电压影响很大。电极表面的氧化物、灰尘和金属微粒
24、都会使真空间隙的击穿电面的氧化物、灰尘和金属微粒都会使真空间隙的击穿电压明显下降。压明显下降。电极间隙电极间隙l的大小的大小二、影响真空击穿的因素二、影响真空击穿的因素间隙间隙饱和点饱和点1cm击穿电压击穿电压 电极材料：电极材料对电极材料：电极材料对击穿电压击穿电压有很大影响。硬度、熔点、有很大影响。硬度、熔点、气化点、逸出功。气化点、逸出功。真空度：真空度：钨电极真空间隙的击穿电压随真空度的变化曲线钨电极真空间隙的击穿电压随真空度的变化曲线如图。可见，当压力低于如图。可见，当压力低于l0l0-2-2PaPa时，击穿电压基本保持不变。时，击穿电压基本保持不变。这是因为气体分子的碰撞游离已经不
25、起作用，击穿电压由这是因为气体分子的碰撞游离已经不起作用，击穿电压由其它条件如电极的表面情况决定。在曲线的右半部当压力其它条件如电极的表面情况决定。在曲线的右半部当压力高于高于10103 3PaPa时，击穿电压曲线呈现直线上升的趋势。可利用时，击穿电压曲线呈现直线上升的趋势。可利用这一特点，通过定期检查真空灭弧室中触头间隙的耐压情这一特点，通过定期检查真空灭弧室中触头间隙的耐压情况，判断真空灭弧室有无漏气。况，判断真空灭弧室有无漏气。电极电极老炼：老炼：老炼是一种电极表面处理措施，即通过在电极上加高压老炼是一种电极表面处理措施，即通过在电极上加高压使电极间隙发生连续的火花放电。经过若干次的这种
26、火使电极间隙发生连续的火花放电。经过若干次的这种火花放电处理后，间隙的击穿电压有显著的提高。近几年花放电处理后，间隙的击穿电压有显著的提高。近几年的试验表明，火花老炼对提高间隙的绝缘强度是有效的，的试验表明，火花老炼对提高间隙的绝缘强度是有效的，其原因可以认为是老炼时的火花放电其原因可以认为是老炼时的火花放电消除和钝化了电极消除和钝化了电极表面的部分击穿弱点表面的部分击穿弱点，大大降低发生重燃的概率。，大大降低发生重燃的概率。方式：有方式：有电压老炼电压老炼和和电流老炼电流老炼之分。前者是在高电压作之分。前者是在高电压作用下，使间隙产生多次小电流放电，使表面光滑平整；用下，使间隙产生多次小电流
27、放电，使表面光滑平整；后者是多次开合几百安的交流电流，用电弧去除表层气后者是多次开合几百安的交流电流，用电弧去除表层气体、氧化物和杂质，达到清洁的目的。体、氧化物和杂质，达到清洁的目的。老炼的物理含义及应采用哪种老炼方法，老炼的物理含义及应采用哪种老炼方法，尚无定论尚无定论。第三节第三节 真空电弧的基本特性真空电弧的基本特性一、真空电弧的形成一、真空电弧的形成 触头表面不平整触头表面不平整：微观上看总是凹凸不平的。两触头接触：微观上看总是凹凸不平的。两触头接触（闭合位置）时只有少数表面突起部分接触，通过电流。（闭合位置）时只有少数表面突起部分接触，通过电流。局部高温形成金属蒸汽局部高温形成金属
28、蒸汽：触头分开：触头分开接触压力减小接触压力减小接触点接触点数量减少数量减少电流越来越集中在少数触点上，损耗增加电流越来越集中在少数触点上，损耗增加 接触接触点温度急剧升高，出现熔化点温度急剧升高，出现熔化触头继续分开，熔化的金属被触头继续分开，熔化的金属被拉长变细并最终断裂产生拉长变细并最终断裂产生金属蒸气金属蒸气。阴极斑点出现阴极斑点出现：阴极表面在高温、强电场（间隙距离短）的：阴极表面在高温、强电场（间隙距离短）的作用下会发射出大量电子，并很快发展成温度很高的作用下会发射出大量电子，并很快发展成温度很高的阴极斑阴极斑点点。而阴极斑点又会蒸发出新的金属蒸气和发射电子，形成。而阴极斑点又会蒸
29、发出新的金属蒸气和发射电子，形成自持的真空电弧自持的真空电弧。可见，可见，维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子，真空电，真空电弧实为弧实为金属蒸气电弧金属蒸气电弧。金属蒸气来自触头材料的蒸发，因此金属蒸气来自触头材料的蒸发，因此电极材料电极材料的特性将对真的特性将对真空电弧的性质起支配作用。空电弧的性质起支配作用。二、真空电弧的形态二、真空电弧的形态 根据电弧电流、电极开距及外界磁场的不同，电弧呈现出不根据电弧电流、电极开距及外界磁场的不同，电弧呈现出不同的宏观形态。同的宏观形态。扩散型扩散型集聚型集聚型真空电弧形态真空电弧形态1.1.扩散型真空电弧扩散
30、型真空电弧 小电流时（铜电极小电流时（铜电极100A），阴极），阴极只存在一个高温的发光斑点只存在一个高温的发光斑点阴阴极斑点极斑点。阴极斑点的电流密度很大，是发阴极斑点的电流密度很大，是发射电子和产生金属蒸气的场所。射电子和产生金属蒸气的场所。电子与金属蒸气的原子碰撞会游电子与金属蒸气的原子碰撞会游离出新的电子和正离子离出新的电子和正离子 电子和正离子运动过程中还会向电子和正离子运动过程中还会向径向密度低的地区径向密度低的地区扩散扩散，因此呈，因此呈现出一个现出一个圆锥状圆锥状的微弱发光区域。的微弱发光区域。圆锥的锥顶就是阴极斑点，朝着圆锥的锥顶就是阴极斑点，朝着阳极发散。阳极发散。单阴极斑
31、点的圆锥单阴极斑点的圆锥形真空电弧形真空电弧 多阴极斑点出现多阴极斑点出现：随着电弧电流的增大，阴极斑点的数量也：随着电弧电流的增大，阴极斑点的数量也会增加，但每一阴极斑点仍有自己的等离子区锥体，相邻的会增加，但每一阴极斑点仍有自己的等离子区锥体，相邻的锥体也可能重叠。锥体也可能重叠。阴极斑点在阴极表面不停地运动，通常是由电极中心向边缘阴极斑点在阴极表面不停地运动，通常是由电极中心向边缘运动。速度的变化范围自零到运动。速度的变化范围自零到10m/s左右，在特殊情况下，左右，在特殊情况下，可能达到可能达到50m/s扩散型真空电弧外扩散型真空电弧外形示意图形示意图 斑点动态特性斑点动态特性：当阴极
32、斑点到达电极边缘时，等离子区的锥：当阴极斑点到达电极边缘时，等离子区的锥体弯曲，接着阴极斑点突然消失，在电极中心又会出现新的体弯曲，接着阴极斑点突然消失，在电极中心又会出现新的斑点。斑点。阴极斑点的高速运动有利于灭弧阴极斑点的高速运动有利于灭弧：电极表面任一点被阴极斑：电极表面任一点被阴极斑点加热的时间极短，不会出现大面积熔化。点加热的时间极短，不会出现大面积熔化。阳极阳极：只起收集电子的作用。：只起收集电子的作用。由于电弧的强烈扩散，由于电弧的强烈扩散，小电流扩散型真空电弧不稳定，一般小电流扩散型真空电弧不稳定，一般短时间内自动熄灭短时间内自动熄灭。扩散型真空电弧外扩散型真空电弧外形示意图形
33、示意图2.2.集聚型真空电弧集聚型真空电弧 阳极斑点的出现阳极斑点的出现：大电流时（超过开端能力），阴极斑点的：大电流时（超过开端能力），阴极斑点的数量很多，自由电子数量急剧增加，在电场作用下撞击阳极，数量很多，自由电子数量急剧增加，在电场作用下撞击阳极，使阳极表面温度升高，出现使阳极表面温度升高，出现阳极斑点阳极斑点。过渡阶段过渡阶段：阳极斑点同样蒸发出金属蒸气和喷射等离子流，：阳极斑点同样蒸发出金属蒸气和喷射等离子流，真空电弧在阳极上集聚，但此时阴极斑点仍能均匀分布在阴真空电弧在阳极上集聚，但此时阴极斑点仍能均匀分布在阴极表面。极表面。集聚型电弧集聚型电弧：各阴极斑点开始移到正对阳极斑点的
34、阴极表面，：各阴极斑点开始移到正对阳极斑点的阴极表面，这就导致这就导致阴极斑点的集聚阴极斑点的集聚。电弧也由扩散型转变为集聚型电。电弧也由扩散型转变为集聚型电弧，弧，集聚型电弧的外形大致与气体中的电弧相近，有明亮的集聚型电弧的外形大致与气体中的电弧相近，有明亮的阴极和阳极斑点阴极和阳极斑点。阴极和阳极斑点阴极和阳极斑点移动缓慢移动缓慢，局部强烈加热，严重熔化，金属，局部强烈加热，严重熔化，金属蒸汽大量蒸发，断路器可能失去开断能力。蒸汽大量蒸发，断路器可能失去开断能力。与气体电弧的比较与气体电弧的比较相同点相同点：均由阴极压降、弧柱压降和阳极压降三部分组：均由阴极压降、弧柱压降和阳极压降三部分组
35、成。成。不同点不同点：（1）气体电弧以弧柱压降为主，而真空电弧的）气体电弧以弧柱压降为主，而真空电弧的长度很长度很短，对电弧电压起主要作用的是阴极和阳极压降短，对电弧电压起主要作用的是阴极和阳极压降。（2）高气压电弧具有负的伏安特性，电弧电压随电流）高气压电弧具有负的伏安特性，电弧电压随电流增大而减小；真空电弧则相反，它具有增大而减小；真空电弧则相反，它具有正的伏安特性正的伏安特性，电弧电压随电流增大而增加。电弧电压随电流增大而增加。三、真空电弧的特性三、真空电弧的特性1.1.阴极压降阴极压降 阴极压降主要由触头材料决定阴极压降主要由触头材料决定：主要是材料的：主要是材料的沸点温度沸点温度Tb
36、和和热导率热导率。两者的乘积愈大，要求输入更多的能量才能维持足量金属蒸两者的乘积愈大，要求输入更多的能量才能维持足量金属蒸气的产生，这就必须通过增大阴极压降才能达到。气的产生，这就必须通过增大阴极压降才能达到。阴极压降阴极压降和材料的和材料的关系关系2.2.弧柱压降弧柱压降 真空电弧的长度很短，一般只有几个厘米。因此真空电弧的真空电弧的长度很短，一般只有几个厘米。因此真空电弧的弧柱压降在电弧电压中所占的比例很小弧柱压降在电弧电压中所占的比例很小。3.3.阳极压降阳极压降 阳极压降的大小也与电弧电流有关。阳极压降的大小也与电弧电流有关。电弧电流很小时，电子和正离子穿越弧柱时速度不会改变，电弧电流
37、很小时，电子和正离子穿越弧柱时速度不会改变，因而阳极前正离子与电子数量基本相同，不会出现净的空间因而阳极前正离子与电子数量基本相同，不会出现净的空间电荷，所以也不出现阳极压降。电荷，所以也不出现阳极压降。随着电流增大，弧柱区的电场强度继续提高。当电流到达随着电流增大，弧柱区的电场强度继续提高。当电流到达10kA-12kA时，弧柱区的电场强度会使部分正离子到达阳极时，弧柱区的电场强度会使部分正离子到达阳极前的速度已减小到零，并在电场作用下朝着阴极方向运动。前的速度已减小到零，并在电场作用下朝着阴极方向运动。电子则相反，在电场作用下加速向阳极运动，速度及动能均电子则相反，在电场作用下加速向阳极运动
38、，速度及动能均随之增大。这样，在阳极前正离子数目急剧减少随之增大。这样，在阳极前正离子数目急剧减少(称为称为离子贫离子贫乏乏)而电子数却基本维持不变。在阳极前就出现了由电子形成而电子数却基本维持不变。在阳极前就出现了由电子形成的负空间电荷，出现了正的电场强度和阳极压降。阳极压降的负空间电荷，出现了正的电场强度和阳极压降。阳极压降又会吸引电子，进一步增大阳极前的负空间电荷的密度，又又会吸引电子，进一步增大阳极前的负空间电荷的密度，又促使阳极压降的提高。故一旦出现了离子贫乏，阳极压降将促使阳极压降的提高。故一旦出现了离子贫乏，阳极压降将显著增大。显著增大。当阳极压降增高到一定程度时，阳极前的电子已
39、具有足够大当阳极压降增高到一定程度时，阳极前的电子已具有足够大的能量冲击阳极表面，把能量传递给阳极，使阳极的表面温的能量冲击阳极表面，把能量传递给阳极，使阳极的表面温度升高、熔化，阳极也蒸发出金属蒸气和正离子。新产生的度升高、熔化，阳极也蒸发出金属蒸气和正离子。新产生的正离子会中和阳极前一部分负空间电荷，限制了阳极压降的正离子会中和阳极前一部分负空间电荷，限制了阳极压降的进一步提高。由此可见，出现阳极压降明显增大时，表明阳进一步提高。由此可见，出现阳极压降明显增大时，表明阳极表面即将出现熔化，形成极表面即将出现熔化，形成阳极斑点阳极斑点，真空电弧也将由扩散，真空电弧也将由扩散型转变为型转变为集
40、聚型集聚型。真空电弧电压是阴极压降、弧柱压降和阳极压降三部分的总和。真空电弧电压是阴极压降、弧柱压降和阳极压降三部分的总和。0-1kA间的电弧电压几乎不随电流变化，主要是阴极压降；间的电弧电压几乎不随电流变化，主要是阴极压降；1kA-6.5kA时的电弧电压从时的电弧电压从20V平稳地增大到平稳地增大到40V，主要是弧，主要是弧柱电场强度随电流增大而增高造成的；柱电场强度随电流增大而增高造成的；电流超过电流超过6.5kA时，电弧电压突然升高，这是由于阳极前出现时，电弧电压突然升高，这是由于阳极前出现离子贫乏造成阳极压降的升高；离子贫乏造成阳极压降的升高；正伏安特性正伏安特性 如果电极表面出现熔化
41、、蒸发和如果电极表面出现熔化、蒸发和阳极斑点，电弧电压又会减少阳极斑点，电弧电压又会减少（类似气体电弧）。（类似气体电弧）。开距5mm,直径25mm铜电极伏安特性第四节第四节 触头结构与材料触头结构与材料一、触头结构一、触头结构 真空触头的重要性真空触头的重要性：一般断路器的触头只是用来承载：一般断路器的触头只是用来承载和开、合电流。电弧的熄灭另由专门的灭弧装置来完成。和开、合电流。电弧的熄灭另由专门的灭弧装置来完成。真空开关则不同，为保持绝缘外壳内的高真空度，外壳真空开关则不同，为保持绝缘外壳内的高真空度，外壳内除了有必要的动、静触头外，内除了有必要的动、静触头外，不可能再配置结构复杂不可能
42、再配置结构复杂的灭弧装置，因此触头设计显得格外重要的灭弧装置，因此触头设计显得格外重要。纵观真空断路器开断电流的提高过程，实质就是触纵观真空断路器开断电流的提高过程，实质就是触头材料的发展以及触头结构改进的结果头材料的发展以及触头结构改进的结果。1.1.平板式触头（圆盘形）平板式触头（圆盘形）早期真空开关的触头大多采用圆盘形，结构简单、易于制造。早期真空开关的触头大多采用圆盘形，结构简单、易于制造。圆盘形触头只能在不大的电流下维持电弧为扩散型。圆盘形触头只能在不大的电流下维持电弧为扩散型。增大圆盘形触头的直径可以延缓阳极斑点的形成，在直径较增大圆盘形触头的直径可以延缓阳极斑点的形成，在直径较小
43、时，其极限开断电流和直径几乎成线性关系，但当触头直小时，其极限开断电流和直径几乎成线性关系，但当触头直径大于径大于50mm后，继续加大直径，极限开断电流就很少增加后，继续加大直径，极限开断电流就很少增加了。例如圆盘直径为了。例如圆盘直径为40mm60mm的触头，极限开断电流为的触头，极限开断电流为7kA。应用：目前只用于开断电流要求不大的应用：目前只用于开断电流要求不大的真空负荷开真空负荷开关和真空接触器关和真空接触器上，开断电流上，开断电流8000A以下。以下。2.2.横向磁场的触头结构横向磁场的触头结构 横向磁场横向磁场：就是与弧柱轴线相垂直的磁场，它与电弧电流产：就是与弧柱轴线相垂直的磁
44、场，它与电弧电流产生的电磁力能使电弧在电极表面运动，防止电弧停留在某一生的电磁力能使电弧在电极表面运动，防止电弧停留在某一点上，延缓阳极斑点的产生，提高了开断性能。点上，延缓阳极斑点的产生，提高了开断性能。结构结构：20世纪世纪50年代末，美国通用电气公司提出了具有横向年代末，美国通用电气公司提出了具有横向磁场的磁场的螺旋槽触头螺旋槽触头结构，使开断电流提高到结构，使开断电流提高到30kA的水平。到的水平。到了了60年代，英国又发展推出了具有横向磁场的年代，英国又发展推出了具有横向磁场的杯状触头杯状触头。欧。欧洲很多厂家如西门子和洲很多厂家如西门子和AEG公司等竞相采用。开断电流提高公司等竞相
45、采用。开断电流提高到到50kA，且触头表面烧伤轻微。，且触头表面烧伤轻微。机理机理（螺旋槽）（螺旋槽）：螺旋触头在触头圆盘的中部有一突起的圆螺旋触头在触头圆盘的中部有一突起的圆环。圆盘上开有几条螺旋槽，从圆环的外周一直延伸到触头环。圆盘上开有几条螺旋槽，从圆环的外周一直延伸到触头的外缘。当触头在的外缘。当触头在闭合位置时，只有圆环部分接触闭合位置时，只有圆环部分接触。触头分。触头分离时，在圆环上产生电弧，由于电流线在圆盘处有拐弯，在离时，在圆环上产生电弧，由于电流线在圆盘处有拐弯，在弧柱部分产生与弧柱垂直的横向磁场，如果电流足够大，真弧柱部分产生与弧柱垂直的横向磁场，如果电流足够大，真空电弧发
46、生集聚的话，那么磁场会使电弧离开接触圆环，向空电弧发生集聚的话，那么磁场会使电弧离开接触圆环，向触头的外缘运动，把电弧推向开有螺旋槽的触头表面触头的外缘运动，把电弧推向开有螺旋槽的触头表面(称为称为跑跑弧面弧面）。一旦电弧转移到跑弧面上，触头上的电流就受到螺）。一旦电弧转移到跑弧面上，触头上的电流就受到螺旋槽的限制，只能按规定的路径流通，从而垂直于触头表面旋槽的限制，只能按规定的路径流通，从而垂直于触头表面的弧柱就受到一个作用力的弧柱就受到一个作用力F，其径向分量，其径向分量F使电弧朝触头外缘使电弧朝触头外缘运动，而切向分量运动，而切向分量F使电弧在沿切线方向运动，使电弧在沿切线方向运动，F和
47、和F“的合的合力使电弧在触头外缘上做高速圆周运动，从而使电弧熄灭。力使电弧在触头外缘上做高速圆周运动，从而使电弧熄灭。3.3.纵向磁场的触头结构纵向磁场的触头结构 纵向磁场纵向磁场：与弧柱轴线平行的磁场称为纵向磁场，它对电弧：与弧柱轴线平行的磁场称为纵向磁场，它对电弧的形态、抑制阳极斑点的形成、减小电弧电压有着显著的作的形态、抑制阳极斑点的形成、减小电弧电压有着显著的作用。用。从阴极斑点发射的电子和离子在向阳极方向运动时，会同时从阴极斑点发射的电子和离子在向阳极方向运动时，会同时向四周密度较低的地区扩散，具有一定的径向速度向四周密度较低的地区扩散，具有一定的径向速度v。当存在。当存在纵向磁场纵
48、向磁场B时，电荷径向运动与纵向磁场产生的力时，电荷径向运动与纵向磁场产生的力F是圆周方是圆周方向的。它将约束径向运动的电荷绕着电弧轴线方向作旋转运向的。它将约束径向运动的电荷绕着电弧轴线方向作旋转运动，使径向扩散的电子和离子数大为减少，延缓了在阳极附动，使径向扩散的电子和离子数大为减少，延缓了在阳极附近出现离子贫乏现象。近出现离子贫乏现象。另外，电子和离子绕电弧轴线作旋另外，电子和离子绕电弧轴线作旋转运动时产生的离心力，将局部抵转运动时产生的离心力，将局部抵消电弧本身磁场产生的磁压力消电弧本身磁场产生的磁压力(向心向心力力)的作用，从而延缓电弧直径的减的作用，从而延缓电弧直径的减小，电弧电压也
49、会降低。这对推迟小，电弧电压也会降低。这对推迟集聚型电弧的出现也是非常有利的。集聚型电弧的出现也是非常有利的。20世纪世纪70年代，日本东芝电气公司研制成功了纵向磁场的触年代，日本东芝电气公司研制成功了纵向磁场的触头结构，使得开断电流有了新的提高。头结构，使得开断电流有了新的提高。结构结构：上下触头背面设置特殊形状的线圈。：上下触头背面设置特殊形状的线圈。性能性能：目前商用产品的开断电流可达：目前商用产品的开断电流可达100kA,在试验室研究中，在试验室研究中，开断电流已达开断电流已达200kA。结构较复杂，需解决机械强度和温升问。结构较复杂，需解决机械强度和温升问题。题。除触头结构外，触头材
50、料是影响真空开关开断性能的另一重除触头结构外，触头材料是影响真空开关开断性能的另一重要因素。触头材料除了要求具有要因素。触头材料除了要求具有高导电率、高导热系数、高高导电率、高导热系数、高机械强度和低接触电阻机械强度和低接触电阻外，还必须具备以下主要要求外，还必须具备以下主要要求:二、触头材料二、触头材料 耐弧性能好耐弧性能好。真空开关的特点是不需检修，因此要求触头能。真空开关的特点是不需检修，因此要求触头能够耐受少则够耐受少则8次次12次，多则次，多则3050次开合额定短路电流时对次开合额定短路电流时对触头的烧损，还要求具有开合几千上万次额定电流的能力。触头的烧损，还要求具有开合几千上万次额
