真空開關—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
  
       *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、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，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108V/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。
 
       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。
 
       三、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。

        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，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。

     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）zui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，zui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，zui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。