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技術文章

真空開關基礎知識—真空的絕緣性能

一、真空的基本概念 
真空技術中,“真空”泛指在給定的空間內,氣體壓強低于一個大氣壓的氣體狀態,也就是說,同正常的大氣壓相比,是較為稀薄的一種氣體狀態。  
真空度是對氣體稀薄程度的一種客觀量度。根據真空技術的理論,真空度的高低通常都用氣體的壓強來表示。在國際單位制中,壓強是以帕(Pa)為單位 1Pa=1N/m2。另外常用的單位還有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、毫巴 (mbar)、工程大氣壓(公斤/厘米2)等。  
真空區域的劃分沒有統一規定,我國通常是這樣劃分的: 
粗真空:(760~10)托 
低真空:(10~10-3)托  
高真空:(10-3~10-8 )托 
超高真空:(10-8~10-12)托 
極高真空:10-12托  
托和帕的關系:1 托=1 毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa,1 帕=7.5×10-3 托。     
真空區域的特點不同其應用也不同,例如吸塵器工作于粗真空區域,暖瓶、燈泡等工作于低真空區域,而真空開關管和其它一些電真空器件則是工作在高真空區域。  

二、影響真空絕緣水平的主要因素       
真空絕緣是一個十分復雜的物理過程,其機理到目前為止仍沒有明確的結論。從實際應用情況來看,主要有以下幾個方面: 
1、電極材料      
真空開關工作在10-2Pa以上的高真空,由于此時氣體分子十分稀少,氣體分子的碰撞游離對擊穿已經不起作用,因此擊穿電壓表現出和電極材料有較強的相關性。      
真空間隙的擊穿電壓隨著電極材料的不同而不同,研究者發現擊穿電壓和材料的硬度與機械強度有關。一般來說,硬度和機械強度較高的材料,往往有較高的絕緣強度。比如,鋼電極在淬火后硬度提高,其擊穿電壓較淬火前可提高80%。     
此外,擊穿電壓還和陰極材料的物理常數如熔點、比熱和密度等正相關,即熔點較高的材料其擊穿電壓也較高。對比熱和密度而言亦然。這一問題的實質是在相同熱能的作用下,材料發生熔化的概率越大,則擊穿電壓越低。
2、間隙距離      
真空的擊穿電壓與間隙距離有著比較明確的關系。試驗表明,當間隙距離較小時(≤5mm),擊穿電壓隨著間隙距離的增加而線性增長,但隨著間隙距離的進一步增加,擊穿電壓的增長減緩,即真空間隙發生擊穿的電場強度隨著間隙距離的增加而減小。當間隙達到一定的長度后(≥20mm),單靠增加間隙距離提高耐壓水平已經十分困難,這時采用多斷口反而比單斷口有利。       
一般認為短間隙下的電擊穿主要是場致發射引起的,而長間隙下的的電擊穿則主要是微粒效應所致。 
3、電極的幾何形狀      
電極的幾何形狀對電場的分布有很大的影響,往往由于幾何形狀不夠恰當,引起電場在局部過于集中而導致擊穿,這一點在高電壓的真空產品中尤其突出。
電極邊緣的曲率半徑大小是重要因素。一般來說,曲率半徑大的電極承受擊穿電壓的能力比曲率半徑小的大。     
此外,擊穿電壓還和電極面積的大小成反比,即隨著電極面積的增大而有所降低。面積增大導致耐壓降低的原因主要是放電概率增加。 
 
4、真空度     
圖一顯示了間隙擊穿電壓和氣體壓強之間的關系。由圖可以看到真空度高于10-2Pa(10-4托)時,擊穿電壓基本上不再隨著氣體壓力的下降而增大,因為氣體分子碰撞游離現象已不再起作用。當氣體壓力從l0-2Pa逐步升高時(真空度下降),擊穿強度逐漸下降,而在接近1托(102Pa左右)*低,以后又隨氣壓的增高而增高。從曲線上可以看出真空度高于10-2Pa時其耐壓強度基本上保持不變。這就表明,真空滅弧室的真空度在10-2Pa以上時完全能夠滿足正常的使用需求。 

圖一 真空度和擊穿電壓的關系 
5、電極的表面狀況     
電極的表面狀況對真空間隙的擊穿電壓影響較大。電極表面的氧化物、雜質和金屬微粒都會使真空間隙的擊穿電壓明顯下降。     
此外,無論真空滅弧室的電極表面在制造中加工得如何,大電流開斷均會使電極表面變得凸凹不平,這也將使得擊穿電壓降低。 
6、老煉效應  電極老煉有電壓老煉和電流老煉兩種。 一個新的真空間隙進行試驗時,*初幾次的擊穿電壓往往較低。隨著試驗次數的增加擊穿電壓也逐漸增大,*后會穩定在某一數值上。這種擊穿電壓隨擊穿次數增大的現象就是電壓老煉的作用。       
電壓老煉就是通過放電消除電極表面的微觀凸起、雜質和缺陷。經過小電流的放電使表面的微觀凸起點燒熔、蒸發,使電極表面光滑平整,局部電場的增強效應減小,提高了擊穿電壓。老煉對電極表面的純化作用也是很重要的。由于電極表面的電子發射容易出現在逸出功較低的雜質所在處,擊穿放電同樣能使雜質熔化和揮發,同樣能提高間隙的擊穿電壓。老煉過程中若能同時抽氣,把蒸發的氣態物抽走,效果更佳。電壓老煉只適宜用在真空間隙擊穿電壓的提高,對真空滅弧室觸頭間隙擊穿電壓的提高不會有太大的效果。電弧對觸頭表面的燒損將使電壓老練的效果全部失效。       
電流老煉是讓真空滅弧室多次(幾十次到幾百次)開合幾百安的交流電流。利用電弧高溫去除電極表面一薄層材料,使電極表面層中的氣體、氧化物和雜質同時除去。電流老煉的作用主要是除氣和清潔電極表面,對真空滅弧室開斷性能的提高有一定的改善作用。

三、真空間隙的絕緣特性      
真空中放置一對電極,加上高壓時,在一定的電壓下也會產生電極之間的電擊穿。它的擊穿與空氣中的電擊穿有很大不同。空氣中的擊穿是由于氣體中的少量自由電子在電場作用下高速度運動,與氣體分子碰撞產生較多的電子和離子,新生的電子和離子又同中性原子碰撞,產生更多的電子和離子。這種雪崩式的電離過程,在電極間形成了放電通道,產生了電弧。而真空中,由于壓強較低,氣體分子極少,在這樣的環境中,即使電極間隙中存在著電子,它們從一個電極飛向另一個電極時,也很少有機會與氣體分子碰撞。因而不可能有電子和氣體分子碰撞造成雪崩式的電擊穿。正是因為氣體分子十分稀少,真空間隙電擊穿需要在非常高的電壓下出現場致發射等其它現象時才有可能形成。從理論上推測,電 場強度需達到108 V/cm以上時才會造成電擊穿,實際上真空間隙的絕緣強度由于一系列不利因素例如電極表面粗糙度、潔凈度等的影響,將低于理論計算值幾個數量級。       
白姐精选三肖三码 真空滅弧室中的真空度很高,一般為10-3~10-6 帕,此時真空間隙的絕緣強度遠遠高于1 個大氣壓的空氣和SF6 的絕緣強度,比變壓器油的絕緣強度還要高。正因為真空的絕緣強度很高,真空滅弧室中的所有電氣間隙都可以做得很小。例如12kV 真空滅弧室的觸頭開距只有8~12mm,40.5kV 真空滅弧室的觸頭開距也只要18~25mm,真空滅弧室中的其它電氣間隙也在此尺度范圍。  


真空度測試    
1、產品適用范圍                                         
本儀器用于如下測試目的:      
★用于真空滅弧室生產線中滅弧室的質量控制和斷路器生產廠家的滅弧室入廠檢驗。這類測試儀配以固定式線圈。    
★用于檢測安裝于開關整機上的真空滅弧室的真空度。這類檢測主要用于供電部門的例行檢修及容量試驗中對真空滅弧室承受能力的判定,這類測試儀配可拆式線圈。在上述兩種使用方式中,均可用系統計算機通過RS-232C接口控制測量,并將所測結果及日期存盤,進行檢索及計算漏率。 

2、真空度測試儀系列產品的獨特特點                         
VC-VB真空度測試儀:     
(1)該儀器體積小、重量輕,易于操作,便于攜帶,特別適用于電力供電部門、化工、煤炭、石油等行業的例行檢修。  
(2)采用提高儲能電壓的方式來增加磁場強度,進一步提高了測試靈敏度,并以此為基礎對現有的35條曲線進行了重新教準,大大提高了測量精度,尤其是在高真空區段(P<1.0*10-4Pa),測量精度取得了明顯的改善。 

VC-VIB真空度測試儀:   
(1)靈活的檢測方式,軟、硬線圈互換的功能,更加適用于滅弧室和真空開關生產廠家:對于單個滅弧室的檢測采用固定式線圈測量;對于安裝在整機上的滅弧室采用纏繞式線圈測量,有效保證測量精度。  
(2)更加優化的線圈設計,根據不同的滅弧室尺寸設計,使測量更加準確。 
(3)儀器加強了散熱功能,完全能夠滿足滅弧室和真空開關生產廠家長時間連續測量的需求。  
(4)提高了測試速度,更加提高了滅弧室和真空開關生產廠家效率。  
VC-VII真空度測試儀:  
(1)增加大液晶屏顯示,無須說明書,可直接在屏幕上選擇管型進行測試。 
(2)內置曲線由原來的35條增加到43條,對應管型由原來的200余種增加到300多種。
(3) 使用更加簡單、快捷、方便。   

3、產品主要技術內涵                                    
★基于電離電荷的采樣技術     
VC系列真空度測試儀均采用基于電離電荷的采樣技術。我公司專家在磁控放電的研究中發現:在外激勵電源、真空滅弧室的幾何尺寸、所用材料一定時,真空滅弧室內的真空度與電離的電荷量有非常準確的對應關系,而與電離電流的峰值僅有概率上的相關性。因此,我公司開創了基于電離電荷的采樣技術,顯著提高了真空滅弧室的真空度計量的準確性。 
★漏電電流的處理      
對處于分斷狀態的真空滅弧室兩端加高壓時,會有數值不等的幾個微安的漏電電流,此漏電電流即使是同型號的真空滅弧室也有較大的個體差異。尤其是對于裝在整機上的真空滅弧室,由于其周邊的絕緣支撐件也有漏電,這些漏電的總和有更大的不穩定性和不可預測性,并且在數值上與10E-4Pa數量級的真空滅弧室的電離電流相當。我們采用兩次起動高壓的方法,扣除了漏電電流,保證了無論是裝于整機上還是待裝的真空滅弧室的真空計量精度。 
★判別完全漏氣的真空滅弧室  
在VC系列真空度測試儀中,通過高壓擊穿的方式判別真空滅弧室是否完全漏氣。  
★ PC機控制測量、計算漏率、形成測量數據庫      
這部分是選配件。通過界面進行管型、電流或真空度、所用數據庫的整定,由PC機控制整個測量過程、顯示測量結果并將數據存入整定時指定的數據庫。同一只真空滅弧室在兩次測量后,可通過界面控制進行漏率計算。 
★內置國內外幾乎所有真空滅弧室的測量曲線      
真空滅弧室由于其幾何尺寸、材料的不同,當內部真空度和外加激勵電源一定時,其放電電荷量是不同的,并且有相當的差異。為準確測量,對每一種真空滅弧室必須有對應的從電離電荷量到真空度推算曲線。我公司的專家通過與國內主要真空滅弧室生產廠家的密切合作,取得了幾乎國內外所有真空滅弧室的電離電荷和真空度關系的數據,通過數學處理,將其特征參數送入VC系列產品。因此,VC系列產品內置國內外幾乎所有真空滅弧室的測量曲線。這是國內外同類產品中****的。 
★完善的輸入保護電路  當真空滅弧室的真空度非常低時,測量時真空滅弧室會被高壓擊穿,瞬間的高壓直接加至信號輸入端的采樣電路上,使其承受十分強的電沖擊。VC-V的信號輸入端的采樣電路增加了完備的保護電路,即使儀器由于輸入端的高壓沖擊而發生暫時工作不正常時(重新開機即可),也不會造成電路部分的損壞。 


4、產品綜合功能                                              
真空度測試儀是真空滅弧室的真空度的檢測設備。它以單片計算機為主控單元,測試過程完全實現自動化。該儀器在原理上改變了國內外同類產品采用電流峰值做標定的方法,而采用電離電荷量來做標定。這樣,在物理原理上有更好的準確性,而且,有效地抑制了測試過程中脈沖電源的干擾,使測試穩定可靠。該儀器采用兩次采樣的方法扣除由于環境因素產生的漏電電流,并且在測量過程中考慮了完全漏氣的真空滅弧室的判別,使真空滅弧室的測量更加準確可靠。目前,儀器中已存有35條真空滅弧室的測量標準曲線,涵蓋了國內外絕大多數管型。該儀器質量可靠,造形美觀,使用方便。  

5、產品主要技術參數                                  
●測量范圍:1×10-5 ~1×10-1Pa                                
●測量分辨率:10-5Pa        
●測量誤差:1×10-4~1×10-1 Pa中誤差<10%            
●允許環溫:0℃~55℃       
●漏氣的滅弧室在測量中將發生電擊穿。                            
●空氣濕度:〈85%RH          
白姐精选三肖三码 ●電源:AC220±l0% 

為什么要測試真空度    
滅弧室的壽命由三部分組成:電壽命、機械壽命和真空壽命。其中以真空壽命*為重要,真空壽命要隨時監測,所以要用真空測試儀。  
①真空壽命:當滅弧室出廠后在整個運行過程中是一個變化的量,因而,要隨時監 控真空度的變化,從而掌握真空滅弧室的運行狀況。   
②機械壽命:生產時自設的,這主要由波紋管的壽命來決定,一般開關出廠時自設 的機械壽命是動作10000次——20000次。   
③電壽命:額定電壓,額定電流,額定短路開斷電流。   
●為什么會有時間上的相對性?   真空滅弧室的漏氣是優良的,不漏只是一個相對的概念。  真空滅弧室產生漏氣的原因有三種:  A.慢漏;即標準漏孔的漏氣(分接點)。   B.滲漏;即玻璃分子與空氣分子之間產生作用。   C.材料放氣;即材料中吸收的空氣在真空狀態下又會釋放出來。
●平均自由程   
1在我們真空度測試儀空載時(未測試時),儀器顯示應該如何解釋?  
儀器輸入端懸空時仍能測出真空度數值,是因為懸空線猶如天線,會產生感應電勢進而產生感應電流,但此時數值一般很小。在1×10e-4pa以上,用潘寧放電原理測量真空度時已誤差很大,因而,1×10e-4pa以上,我們只要求分辯,1×10e-4pa已是*好的滅弧室,在這里電離因素和其他因素造成的放電都會產生離子流,因而,用1×10e-4pa顯示更切合實際。   
2、我們的產品在一次測量時對被測對象有什么特殊要求嗎?對所測滅弧室的數量有限制嗎?   
首先,被測對象應該是真空滅弧室。其次,它的管型應是管型曲線中的一種,或等效管型(例如,同樣的滅弧室,在寶光和旭光的型號就不同)。我們現在已有絕大多數寶光產品的曲線,而寶光又是國內*大的真空滅弧室生產廠家,產品數量*全。因此,其他廠家的產品可向廠家詢問相應于寶光的對應關系。如果不知道管型,可依據斷路器的額定參數,參考說明書的附錄二進行測量。 在測試數量上,沒有任何限制,在產品的耐用強度上和散熱上做了很多的試驗,可放心使用。我們的產品現在寶光做滅弧室出廠檢驗時經常一天要連續測量500只以上的滅弧室,因此沒有任何問題。   
3、相鄰氣體分子相鄰兩次碰撞的路程叫自由程,求平均值即是平均自由程。隨著真空度的增大,平均自由程隨之增大路程。   
4、一支滅弧室在測量時為什么要靜置一段時間后才可以開始第二次測量,原因是什么?   
真空測量依**次測量為準,連續測量時真空度要升高,因為每測一次,滅弧室內部氣體就會電離掉一部分,被兩個觸頭吸收,重新釋放出來后需要一定的時間。  
●為什么真空度是不斷變化的,且制造好后是人為不能改變的?   因為在地球上,真空只是一個相對的概念,優良的真空是做不到的,主要體現在 時間上的相對性和空間上的相對性。  

●相對性
壓強和真空度是一個物理量的兩個表達方式:真空度每提高一個數量級,壓強(氣體分子密度)就減少一個數量級。



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