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副真空絕緣的破壞機(jī)理 - 真空斷路器工作原理及作用

2011年07月05日 08:39 m.1cnz.cn 作者:電子發(fā)燒友 用戶評(píng)論(0

  真空絕緣的破壞機(jī)理

  前面已說(shuō)過(guò),在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內(nèi),氣體分子的自由行程很大,不會(huì)發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會(huì)擊穿又是客觀存在,于是就有種解釋真空絕緣會(huì)破壞的機(jī)理,場(chǎng)致發(fā)射引起擊穿,微塊引起擊穿和微放電導(dǎo)致?lián)舸?/p>

  場(chǎng)致發(fā)射論對(duì)真空間隙所以能發(fā)生擊穿的解釋

  間隙電場(chǎng)能量集中,在電極微觀表面的突出部分發(fā)生電子發(fā)射或蒸發(fā)逸出,撞擊陽(yáng)極使局部發(fā)熱,繼續(xù)放出離子或蒸汽,正離子再撞擊陰極發(fā)生二次發(fā)射,相互不斷積累,最后導(dǎo)致間隙擊穿。

  聞名的FowlerandNoraheim場(chǎng)發(fā)射電流I表達(dá)式為:

             I=AE2e-B/E

         式中 E------電場(chǎng)強(qiáng)度;

            A------常數(shù),與發(fā)射點(diǎn)的面積有關(guān);

            B------常數(shù),與電極表面的逸出有關(guān)。

  在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下,可以合理地認(rèn)為真空間隙擊穿是由場(chǎng)致發(fā)射引起的,但在長(zhǎng)間隙及連續(xù)加壓與長(zhǎng)脈沖電壓下,有的學(xué)者認(rèn)為真空的擊穿尚存在其它機(jī)理:

(1)陰極引起的擊穿;在強(qiáng)電場(chǎng)下,由于場(chǎng)發(fā)射電流的焦耳發(fā)熱效應(yīng),使陰極表面突出物的溫度升高,當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí),突出物熔化產(chǎn)生蒸汽引起擊穿。

(2)陽(yáng)極引起的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束,轟擊陽(yáng)極使某點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生熔化和蒸汽而發(fā)生間隙擊穿。產(chǎn)生陽(yáng)極引起擊穿的條件與電場(chǎng)提高系數(shù)和間隙距離有關(guān)。

  微塊引起擊穿的解釋

  假設(shè)在電極表面附著較輕松的微塊,在電場(chǎng)作用下,微塊脫落而且加速,這微塊撞擊對(duì)面的電極時(shí),由于沖擊發(fā)熱可使其本身熔化產(chǎn)生蒸汽,引起擊穿。

  微放電導(dǎo)致真空間隙擊穿的解釋

  電極的陰極表面沾污,將發(fā)生微放電現(xiàn)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(shí)間由50ms到幾ms,放電一般發(fā)生在大于1mm的間隙中。

  這些真空間隙的擊穿機(jī)理表明,真空電極的材料與電極的表面狀況對(duì)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(guān)

  真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓,因耐壓實(shí)驗(yàn)前不同工況的分合閘操作有相應(yīng)的不同結(jié)果,意大利哥倫布(Colombo)工程師在設(shè)備討論會(huì)上有文論述過(guò)這方面的問(wèn)題:試驗(yàn)對(duì)象是24KV斷路器,銅鉻觸頭,額定開(kāi)斷電流16KA,額定電流630A,觸頭開(kāi)距15。8mm,觸頭分閘速度1。1m/s,合閘速度為0。6m/s。試驗(yàn)程序列于表1。

  在關(guān)合---分閘操作(試驗(yàn)系列2~5)后產(chǎn)生的最大擊穿電壓比空載循環(huán)(試驗(yàn)系列1)后給出的數(shù)值低,這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減??;同時(shí),系列2和系列5所測(cè)得的數(shù)值亦小于系列3和系列4的試驗(yàn)值,而電流過(guò)零波形和極性似乎無(wú)明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開(kāi)閉操作的形式對(duì)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(nèi),擊穿距離為0。6~2mm之間,擊穿時(shí)觸頭的電場(chǎng)強(qiáng)度為25~44kV。

表1試驗(yàn)程序及內(nèi)容表

?

試驗(yàn)序號(hào)

試驗(yàn)電流

項(xiàng)號(hào)

操作/試驗(yàn)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(yàn)

高頻熄弧能力試驗(yàn)

2 100額定開(kāi)斷電流 2-1

2-2

2-3

2-4

關(guān)合--開(kāi)斷

沖擊絕緣試驗(yàn)

1分鐘工頻試驗(yàn)

高頻熄弧能力試驗(yàn)

3 30額定開(kāi)斷電流   用30額定開(kāi)斷電流值,不同的電流波極性按2。1~2。4逐項(xiàng)試驗(yàn)
4 10額定開(kāi)斷電流   用60額定開(kāi)斷電流值重復(fù)進(jìn)行2。1~2。4的逐項(xiàng)試驗(yàn)

  意大利哥倫布工程師上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷大電流后,其真空減小絕緣強(qiáng)度會(huì)下降是一種普遍現(xiàn)象。因此,我國(guó)早期的真空斷路器在開(kāi)斷故障后,間隙絕緣會(huì)下降,達(dá)不到產(chǎn)品技術(shù)條件的絕緣水平,故能源部對(duì)戶內(nèi)高壓真空斷路器訂貨要求(部標(biāo)DL403--91)答應(yīng)在真空斷路器電壽命試驗(yàn)后,極間耐壓值降為原標(biāo)準(zhǔn)的80作試驗(yàn),假如通過(guò),就認(rèn)為該斷路器的型式試驗(yàn)合格。那么,如何解釋目前許多真空斷路器制造廠在作產(chǎn)品介紹時(shí),反復(fù)強(qiáng)調(diào)它們的真空斷路器電壽命試驗(yàn)后,間隙的絕緣強(qiáng)調(diào)不降低呢?我們以10kV真空斷路器為例來(lái)對(duì)此作說(shuō)明:真空滅弧室經(jīng)過(guò)技術(shù)和工藝改進(jìn),極間絕緣水平同早期產(chǎn)品比較,提高很多例如可達(dá)到A值,遠(yuǎn)比產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐壓值C(工頻42kV,沖擊75kV)高得多,出廠新品按C值試驗(yàn)當(dāng)然不會(huì)擊穿,電壽命試驗(yàn)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(yàn)時(shí)亦不會(huì)發(fā)生擊穿。而老產(chǎn)品的A''值是大于C值,出廠新品按C值考核,當(dāng)然能通過(guò),開(kāi)斷故障后,由A"值降到B"值。

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