真空断路器精.ppt

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1、真空断路器第1页，本讲稿共25页 8-1 概概 述述真空断路器的独特优点：真空断路器的独特优点：n以真空作为绝缘和灭弧介质，耐压高，开断能力强；以真空作为绝缘和灭弧介质，耐压高，开断能力强；n电弧在真空容器中燃烧，对周围环境无要求；电弧在真空容器中燃烧，对周围环境无要求；n开关触头开距小，总体积小；开关触头开距小，总体积小；n寿命长，适合频繁操作开合；寿命长，适合频繁操作开合；n无环境污染、无噪声；无环境污染、无噪声；n可靠性高，免维修。可靠性高，免维修。第2页，本讲稿共25页8-2 真空绝缘及其击穿真空绝缘及其击穿引起真空绝缘破坏的机理（击穿原因）：引起真空绝缘破坏的机理（击穿原因）：场致发

2、射场致发射粒子交换粒子交换微放电微放电第3页，本讲稿共25页1、场致发射和预击穿过程场致发射和预击穿过程 触头端的小尖端和微观突起，引起电场增强，导致金触头端的小尖端和微观突起，引起电场增强，导致金属中自由电子的冷阴极发射，形成预击穿电流。使阴极突属中自由电子的冷阴极发射，形成预击穿电流。使阴极突起的自发熔化和蒸发，产生大量金属蒸汽，被场致发射电起的自发熔化和蒸发，产生大量金属蒸汽，被场致发射电子引起间隙击穿子引起间隙击穿-阴极加热击穿；阴极加热击穿；由阴极发射的电子流轰击阳极，使其局部受热产生热斑，由阴极发射的电子流轰击阳极，使其局部受热产生热斑，阳极材料熔化击穿阳极材料熔化击穿-阳极加热击

3、穿。阳极加热击穿。场致发射击穿通常发生在电极间距较小时。场致发射击穿通常发生在电极间距较小时。第4页，本讲稿共25页2.2.微粒迁移引起的击穿微粒迁移引起的击穿n对于尺寸在对于尺寸在0.1100um的金属的金属/非金属大原子团，电非金属大原子团，电极表面松散吸附的微粒、金属尘埃等称为一次微粒；极表面松散吸附的微粒、金属尘埃等称为一次微粒；n大电流燃弧时的电侵蚀作用熔滴形成大量金属颗粒大电流燃弧时的电侵蚀作用熔滴形成大量金属颗粒称为二次微粒。称为二次微粒。n这些微粒对真空间隙击穿有很大作用。且击穿电压与间隙这些微粒对真空间隙击穿有很大作用。且击穿电压与间隙距离有关系。距离有关系。第5页，本讲稿共

4、25页3.3.电极的二次发射电极的二次发射 间隙中的正离子、负离子等撞击阴极而引间隙中的正离子、负离子等撞击阴极而引 起二次电子发射，间隙中带电微粒数越来越多，电流迅速起二次电子发射，间隙中带电微粒数越来越多，电流迅速增大造成击穿增大造成击穿。第6页，本讲稿共25页4 4、真空击穿的统计特性、真空击穿的统计特性n真空间隙击穿的引发因素主要来源于电极表面，可用真空间隙击穿的引发因素主要来源于电极表面，可用“击穿弱点击穿弱点”统一描述。统一描述。n击穿弱点：存在于电极表面、在电场应力作用下有击穿弱点：存在于电极表面、在电场应力作用下有可能引发击穿的各种因素的总称。可能引发击穿的各种因素的总称。第7

5、页，本讲稿共25页5 5、影响真空击穿的因素、影响真空击穿的因素电极的几何形状和大小电极的几何形状和大小 电极的几何形状直接影响电场分布，曲率半径越大电极的几何形状直接影响电场分布，曲率半径越大击穿越困难。击穿越困难。但当但当D1MM时，半径小反而能提高击穿电压；时，半径小反而能提高击穿电压；电极面积越大，引发击穿的弱点数目越多，放电电极面积越大，引发击穿的弱点数目越多，放电概率增加，真空击穿电压降低。概率增加，真空击穿电压降低。电极间隙的大小与击穿类型有关电极间隙的大小与击穿类型有关第8页，本讲稿共25页 电极材料电极材料 见表见表8-1n材料越硬、材料越硬、机械强度越高机械强度越高、击穿电

6、压越高。击穿电压越高。n如材料的熔点、比热、密度等如材料的熔点、比热、密度等真空度真空度n由大气压开始抽真空时，击穿电压有所下降，但进一由大气压开始抽真空时，击穿电压有所下降，但进一步降压时又会上升。步降压时又会上升。第9页，本讲稿共25页 n老练作用老练作用 是一种电极表面处理措施，通过在电极上加高压使电是一种电极表面处理措施，通过在电极上加高压使电极间隙发生连续的火花放电。极间隙发生连续的火花放电。若干次处理后，间隙击穿电压显著提高。若干次处理后，间隙击穿电压显著提高。第10页，本讲稿共25页8.3真空电弧的基本特性 1.真空电弧的引燃真空电弧的引燃 间隙绝缘击穿引弧间隙绝缘击穿引弧 外界

7、高压脉冲触发引弧外界高压脉冲触发引弧 触头分开是由金属蒸汽桥爆炸产生电弧触头分开是由金属蒸汽桥爆炸产生电弧第11页，本讲稿共25页 n真空电弧是由阴极斑点产生的金属蒸汽维持真空电弧是由阴极斑点产生的金属蒸汽维持的一种低压电弧。的一种低压电弧。n单个阴极斑点所承载的电流是一定的（如铜单个阴极斑点所承载的电流是一定的（如铜100A），斑点数目与电流大小和阴极材料），斑点数目与电流大小和阴极材料有关。如图有关。如图8-3第12页，本讲稿共25页 2.真空电弧的形态真空电弧的形态n电弧一旦产生，即处在综合力作用下：电弧一旦产生，即处在综合力作用下：自身环向磁场产生的收缩力；自身环向磁场产生的收缩力；内

8、部各种粒子相互碰撞产生的气体压力；内部各种粒子相互碰撞产生的气体压力；外界磁场产生的磁场力。外界磁场产生的磁场力。第13页，本讲稿共25页 1）扩散型真空电弧）扩散型真空电弧A、发生在小电流切断中，一个斑点电弧电流约、发生在小电流切断中，一个斑点电弧电流约100A，而从阴极向阳极的金属蒸汽电弧呈锥形弧柱；，而从阴极向阳极的金属蒸汽电弧呈锥形弧柱；B、大于、大于100A的大电流，会形成多个斑点和多个锥形电的大电流，会形成多个斑点和多个锥形电弧，互不影响；弧，互不影响；C、阴极斑点在触头表面不停的在移动，运动趋势是由电极、阴极斑点在触头表面不停的在移动，运动趋势是由电极中心向边缘运动。出现中心向边

9、缘运动。出现“逆向运动逆向运动”与符合安培定律所指与符合安培定律所指方向相反。方向相反。第14页，本讲稿共25页D、在阳极没有斑点，因阳极接收电子和离子，且电弧一、在阳极没有斑点，因阳极接收电子和离子，且电弧一直在运动，所以阳极表面温度很低，有利熄弧直在运动，所以阳极表面温度很低，有利熄弧E、阴极斑点也在不停运动，所以阴极斑点不会熔化，在电、阴极斑点也在不停运动，所以阴极斑点不会熔化，在电流过零时，也很快熄灭流过零时，也很快熄灭第15页，本讲稿共25页）集聚型真空电弧）集聚型真空电弧n当电弧电流大到某一临界值后，阴级斑点不再向外当电弧电流大到某一临界值后，阴级斑点不再向外围移动，而是集聚在一个

10、或几个较大的面积上，并围移动，而是集聚在一个或几个较大的面积上，并使阳极也开始出现斑点，这种热量集中会使斑点熔使阳极也开始出现斑点，这种热量集中会使斑点熔化，形成更多金属蒸汽，电弧电压降低，使电弧很化，形成更多金属蒸汽，电弧电压降低，使电弧很难熄灭，达到极限开断能力难熄灭，达到极限开断能力第16页，本讲稿共25页3.真空电弧的伏安特性真空电弧的伏安特性 真空电弧电压（扩散型）的伏安特性是正特性，真空电弧电压（扩散型）的伏安特性是正特性，即电弧电压随电流增加而上升。即电弧电压随电流增加而上升。第17页，本讲稿共25页8-4触头结构与材料触头结构与材料是影响开断能力和寿命的关触头结构与材料是影响开

11、断能力和寿命的关键键分类：非磁吹触头分类：非磁吹触头-平板圆柱型平板圆柱型磁吹触头（横磁触头、纵磁触头）磁吹触头（横磁触头、纵磁触头）第18页，本讲稿共25页 横磁触头横磁触头 电流在转弯处形成横向磁场，电流在此电流在转弯处形成横向磁场，电流在此横向磁场作用下，向外沿受力移动达到横向磁场作用下，向外沿受力移动达到触头边缘，最终熄灭。触头边缘，最终熄灭。纵磁触头纵磁触头 电流依靠触头特殊结构形成纵向磁场，电流依靠触头特殊结构形成纵向磁场，可以稳定电弧，防止大电流真空电弧在可以稳定电弧，防止大电流真空电弧在阳极表面集聚，提高了分断力。阳极表面集聚，提高了分断力。关键是使电流在触头表面横向流动，从关

12、键是使电流在触头表面横向流动，从而产生纵向磁场，使电弧在圆盘边缘燃而产生纵向磁场，使电弧在圆盘边缘燃烧。烧。第19页，本讲稿共25页8-5真空中的开断n真空电弧是依靠阴极斑点产生电子、正离子真空电弧是依靠阴极斑点产生电子、正离子及中性金属蒸汽来维持电弧，当蒸汽不足及中性金属蒸汽来维持电弧，当蒸汽不足即电流过零时就会熄灭。即电流过零时就会熄灭。n直流电弧电压降很小，很难熄灭，故可制造直流电弧电压降很小，很难熄灭，故可制造人造零点（采用一个换向装置）。人造零点（采用一个换向装置）。第20页，本讲稿共25页 断口间隙在电弧熄灭后，会被恢复电压断口间隙在电弧熄灭后，会被恢复电压击穿重燃。击穿重燃。第2

13、1页，本讲稿共25页 n重燃的原因为：重燃的原因为：电极过量放气，当空间超过电极过量放气，当空间超过100M个原子个原子时会击穿重燃；时会击穿重燃；阴极表面微小颗粒维护强烈的场致复发阴极表面微小颗粒维护强烈的场致复发形成新斑点；形成新斑点；当外场增强到当外场增强到500KV/cm发生击穿；发生击穿；电流过零后，间隙中等离子消散速度不电流过零后，间隙中等离子消散速度不够，影响介质绝缘恢复。够，影响介质绝缘恢复。第22页，本讲稿共25页弧后介质强度恢复过程n电流在过零时（在过零点前），突然灭弧电流提前电流在过零时（在过零点前），突然灭弧电流提前到零（发生截流现象），间隙中导电离子向外扩散，到零（发

14、生截流现象），间隙中导电离子向外扩散，这时间隙由完全导电状态过渡到绝缘状态这时间隙由完全导电状态过渡到绝缘状态-介质介质绝缘强度恢复过程绝缘强度恢复过程，相应的时间称，相应的时间称恢复时间恢复时间n间隙能否再击穿，电弧能否不再重燃决定于间隙能否再击穿，电弧能否不再重燃决定于间隙恢间隙恢复电压复电压和和介质恢复过程介质恢复过程的竞争。这是微秒级的速度。的竞争。这是微秒级的速度。第23页，本讲稿共25页弧后电流 在开断大电流时，电流过零后，仍会现一些发射电在开断大电流时，电流过零后，仍会现一些发射电流、预击穿电流和暂态放电称为流、预击穿电流和暂态放电称为弧后电流弧后电流产生原因：产生原因：间隙存在

15、剩余带电粒子；间隙存在剩余带电粒子；电流过零时，等离子体区中性粒子和离子的碰撞会产电流过零时，等离子体区中性粒子和离子的碰撞会产生二次电子和离子；生二次电子和离子；在过零时，电极表面还存在发射过程，形成发射电流、在过零时，电极表面还存在发射过程，形成发射电流、预击穿电流和其它暂态放电。预击穿电流和其它暂态放电。第24页，本讲稿共25页真空断路器的真空灭弧室结构真空断路器的真空灭弧室结构 1 1 静触头静触头 2 2 动触头动触头 3 3屏蔽罩屏蔽罩4 4 波纹管波纹管 5 5 与外壳封接的法兰盘与外壳封接的法兰盘6 6 金属波纹管金属波纹管 7 7 玻壳玻壳 SF6SF6断路器灭弧室结构示意图断路器灭弧室结构示意图 1 1 静触头静触头 2 2 绝缘喷嘴绝缘喷嘴 3 3 动触头动触头 4 4 气缸气缸 5 5 压气活塞压气活塞(固定固定)6)6 电弧电弧 第25页，本讲稿共25页