真空开关—真空的绝缘性能

       真空开关—真空的绝缘性能

       一、真空的基本概念

        真空技术中，“真空”泛指在给定的空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，也就是说，同正常的大气压相比，是较为稀薄的一种气体状态。
 真 空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。根据真空技术的理论，真空度的高低通常都用气体的压强来表示。在单位制中，压强是以帕（Pa）为单位 1Pa=1N/m2。另外常用的单位还有托（Torr）、毫米汞柱（mmHg）、毫巴 （mbar）、工程大气压（公斤／厘米2）等。

       真空区域的划分没有统一规定，我国通常是这样划分的：

       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

       托和帕的关系：1 托=1 毫米汞柱（mmHg）=133.322Pa，1 帕=7.5×10-3 托。
   
       真空区域的特点不同其应用也不同，例如吸尘器工作于粗真空区域，暖瓶、灯泡等工作于低真空区域，而真空开关管和其它一些电真空器件则是工作在高真空区域。

      二、真空间隙的绝缘特性

      真空中放置一对电极，加上高压时，在一定的电压下也会产生电极之间的电击穿。它的击穿与空气中的电击穿有很大不同。空气中的击穿是由于气体中的少量自由电 子在电场作用下高速度运动，与气体分子碰撞产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子。这种雪崩式的电离过程，在电 极间形成了放电通道，产生了电弧。而真空中，由于压强较低，气体分子极少，在这样的环境中，即使电极间隙中存在着电子，它们从一个电极飞向另一个电极时， 也很少有机会与气体分子碰撞。因而不可能有电子和气体分子碰撞造成雪崩式的电击穿。正是因为气体分子十分，真空间隙电击穿需要在非常高的电压下出现场 致发射等其它现象时才有可能形成。从理论上推测，电场强度需达到108V/cm以上时才会造成电击穿，实际上真空间隙的绝缘强度由于一系列不利因素例如电 极表面粗糙度、洁净度等的影响，将低于理论计算值几个数量级。
 
       真空灭弧室中的真空度很高，一般为10-3～10-6 帕，此时真空间隙的绝缘强度远远高于1 个大气压的空气和SF6 的绝缘强度，比变压器油的绝缘强度还要高。正因为真空的绝缘强度很高，真空灭弧室中的所有电气间隙都可以做得很小。例如12kV 真空灭弧室的触头开距只有8～12mm，40.5kV 真空灭弧室的触头开距也只要18～25mm，真空灭弧室中的其它电气间隙也在此尺度范围。
 
       三、影响真空绝缘水平的主要因素
     
       真空绝缘是一个十分复杂的物理过程，其机理到目前为止仍没有明确的结论。从实际应用情况来看，主要有以下几个方面：

        1、电极的几何形状

        电极的几何形状对电场的分布有很大的影响，往往由于几何形状不够恰当，引起电场在局部过于集中而导致击穿，这一点在高电压的真空产品中尤其突出。

       电极边缘的曲率半径大小是重要因素。一般来说，曲率半径大的电极承受击穿电压的能力比曲率半径小的大。

      此外，击穿电压还和电极面积的大小成反比，即随着电极面积的增大而有所降低。面积增大导致耐压降低的原因主要是放电概率增加。

        2、间隙距离

       真空的击穿电压与间隙距离有着比较明确的关系。试验表明，当间隙距离较小时（≤5mm），击穿电压随着间隙距离的增加而线性增长，但随着间隙距离的进一步 增加，击穿电压的增长减缓，即真空间隙发生击穿的电场强度随着间隙距离的增加而减小。当间隙达到一定的长度后（≥20mm），单靠增加间隙距离提高耐压水 平已经十分困难，这时采用多断口反而比单断口有利。

       一般认为短间隙下的电击穿主要是场致发射引起的，而长间隙下的的电击穿则主要是微粒效应所致。

      3、电极材料

       真空开关工作在10-2Pa以上的高真空，由于此时气体分子十分，气体分子的碰撞游离对击穿已经不起作用，因此击穿电压表现出和电极材料有较强的相关性。
 
       真空间隙的击穿电压随着电极材料的不同而不同，研究者发现击穿电压和材料的硬度与机械强度有关。一般来说，硬度和机械强度较高的材料，往往有较高的绝缘强度。比如，钢电极在淬火后硬度提高，其击穿电压较淬火前可提高80%。

     此外，击穿电压还和阴极材料的物理常数如熔点、比热和密度等正相关，即熔点较高的材料其击穿电压也较高。对比热和密度而言亦然。这一问题的实质是在相同热能的作用下，材料发生熔化的概率越大，则击穿电压越低。

     4、真空度

   图一显示了间隙击穿电压和气体压强之间的关系。由图可以看到真空度高于10-2Pa（10-4托）时，击穿电压基本上不再随着气体压力的下降而增大，因为 气体分子碰撞游离现象已不再起作用。当气体压力从l0-2Pa逐步升高时（真空度下降），击穿强度逐渐下降，而在接近1托（102Pa左右）zui低，以后又 随气压的增高而增高。从曲线上可以看出真空度高于10-2Pa时其耐压强度基本上保持不变。这就表明，真空灭弧室的真空度在10-2Pa以上时完够满 足正常的使用需求。

                                    图一 真空度和击穿电压的关系

      5、电极的表面状况

      电极的表面状况对真空间隙的击穿电压影响较大。电极表面的氧化物、杂质和金属微粒都会使真空间隙的击穿电压明显下降。

      此外，无论真空灭弧室的电极表面在制造中加工得如何，大电流开断均会使电极表面变得凸凹不平，这也将使得击穿电压降低。

      6、老炼效应

     电极老炼有电压老炼和电流老炼两种。