（机械电子工程专业论文）基于光控模块的多断口真空开关研究.pdf

摘要 摘要 由于真空间隙的击穿电压和间隙长度之间存在饱和效应，提高真空开关的工作 电压不能通过简单增加真空间隙的长度来获得。为了将真空开关推向高电压等级应 用，在解决了同步问题后，采用多断口是一个合理的选择。多断口真空开关技术的 实质是采用多个短真空间隙串联起来，充分利用真空短间隙的优良特性，使真空开 关获得更高的工作电压。对多断口真空开关绝缘特性进行研究，是发展此类高电压 等级真空开关的基础和前提条件，是目前多断口真空开关技术基础研究中的一个重 要而紧迫的课题。传统多断口开关是由处于地电位的操动机构分别操动各断口，各 断口的同期性及其绝缘布置成为影响其发展的“瓶颈”问题。本文提出了一种基于 光控模块式真空开关单元串联的多断口真空开关系统这一全新概念：首先构造光控 模块式真空开关单元，再用这些光控模块进行简单串联，构成高电压等级的多断口 真空开关。基于这种新的机构形式，本文以多断口真空开关的绝缘特性为主要研究 对象，以工程应用为出发点和目的，通过理论建模、有限元分析和实验研究，对多 断口真空开关的击穿统计特性，静态绝缘特性，电场分布特性等相关问题进行深入 的理论与实验研究。 首先，本文综述了高压真空间隙的基本绝缘特性，真空开关向高电压等级发展、 多断口真空开关技术的发展与研究现状、技术难点和问题，引出本文的研究意义。 理论分析从串联真空间隙的介质恢复的微观过程出发，研究了多断口真空开关的弧 后动态介质恢复过程，多断口真空开关的静态击穿统计特性和弧后重击穿统计特性， 借助统计方法，将微观的内在过程与宏观的外在表现联系起来，以求更准确和更深 入地理解和掌握多断口真空开关动态绝缘的基本概念。提出了多断口真空开关的击 穿电压增益现象，并对其进行了理论推导，证明了多断口解决方案的优越性。 作为本文的重点，给出了光控模块式真空开关单元的设计思想，包括光控模块 的总体结构、电子操动系统、电源系统等；分析给出了光控模块式真空开关单元的 电磁兼容和可靠性设计。在此基础上，进一步描述了基于光控模块式真空开关单元 的高电压等级多断口真空开关系统构成。采用a n s y s 有限元分析软件，对基于光 控模块的多断口真空开关进行电场优化设计，建立了计算模型，并分别以双断口和 三断口真空开关为例进行了电场优化设计，给出了电场优化设计的结果。为了模拟 双断口真空开关及三断口真空开关的电压分布关系，提出了相应的电容等值模型， 可指导多断口真空开关的整体电场优化设计。 最后，本研究依赖实验描述了三个真空灭弧室串联后组成的三断口模型的击穿 电压增益特性、静态击穿统计特性及各断口的电压分布特性，验证了第二章及第四 章通过理论分析得出的结论；实验结果表明，理论分析和实验结果能够较好的吻合。 太连理工大掌博士学位论文基于光控模块的多断口真空开关研究 实验进一步证明：多断口真空开关各断口的电压分布规律实质上决定了多断口真空 开关的击穿电压增益倍数。因此，应该通过设计最大限度地提高多断口真空开关各 断口的电压分布均匀性，从而提高其击穿电压增益倍数，最大限度地发挥多断口真 空开关的优势。本研究还设计和制作了4 0 5 k v 电压等级的光控模块式真空开关单元 样机，进行了样机的动作精度实验。实验表明，其分合闸的动作时间分散性小于l m s ， 充分说明所设计的光控模块式真空开关单元样机的动作精度可达到微秒级，满足多 断口真空开关动态介质恢复的需要。 关键词：多断口真空开关；光控模块式真空开关单元；介质恢复：击穿电压增 益；击穿统计特性；电场应力；击穿弱点：a n s y s 软件；电场优化与计算 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求 量越来越多，促使电力事业迅速发展，电网的容量不断扩大，电压等级不断提高。 目前，有两种参数的开关在高压领域占主导地位：六氟化硫( s f 6 ) 开关和真 空开关。但在1 1 0 k v 及以上电压等级，只有s f 6 开关满足高参数和高可靠性要求。 然而，s f 6 气体不可避免的泄露，对地球大气层有很强的负作用。早在1 9 9 7 年，在 日本京都会议上，s f 6 被正式定为温室效应气体，一旦泄漏，它在空气中存在的寿 命超过3 0 0 0 年，它的影响超过c 0 2 的影响2 5 0 0 0 倍uj 。因此，必须对它的使用和 排放进行限制。目前，有许多研究者一直在研究可以替代s f 6 介质的高电压等级开 关，但直到现在，还没有找到更好的替代晶，能在高压和超高压开关领域拥有和 s f 6 相近的优异特性。 真空开关是近二、三十年发展起来的一代新型开关电器，是一种极具发展潜力 的电力开关。经过几十年的实践，证实了在中压领域以及一些特定的供电系统中， 真空开关电器具有无可比拟的优越性吲。 真空开关作为一种有触点型的电路故障分断元件，具有一般开关所具有的普遍 属性，即其导电回路主体能进行导体与绝缘体相互之问的迅速转换，它充分利用了 断路器在分断过程中出现的电弧等离子体吸收回路能量，利用真空介质的强熄弧能 力及高绝缘强度，来实现这种转换。目前，在中低压领域，真空开关已经占领了世 界该领域总产量的7 0 8 0 ，并且随着技术的进步，真空开关正向更高电压等级、 更大开断容量的方向发展 j 。 然而，真空开关在向更高电压等级应用发展过程中，却发现长真空间隙存在饱 和效应，即间隙工作电压并不能随间隙长度的增加而线性增长，这阻碍了高电压等 级真空灭弧室的发展。由于真空开关的许多优点，许多研究者正在寻找各种途径， 致力于将真空开关推向更高电压等级应用。本课题就是提出新的多断口解决方案， 鳃决相关的理论与应用问题，保持目前得以证明的短真空间隙的优越性，达到将真 空开关推向更高电压等级应用的目的。 本章简要回顾与介绍了真空开关的优点、向高电压发展的历史及目前研究现 状，综述了高压真空间隙的基本绝缘特性，系统概括了多断口真空开关技术的发展 与研究现状，进而提出本课题的主要研究内容和章节安排。 基于光控模块的多断口真空开关研究 1 2 真空开关的发展与现状 真空开关是近几十年出现的新型开关电器，随着国际上中压开关无油化浪潮的 兴起，真空开关在配电系统及许多领域得到推广和应用。相比油断路器、磁吹断路 器和空气断路器等传统开关装置，真空开关有许多独特的优点【2 5 】。它以真空作为 绝缘和灭弧介质，因而耐压强度高，开断能力大，熄弧能力强；而且触头的行程很 小，一般在4 4 0 m m 之间，使得整个断路器，j 、而轻；熄弧过程在密封的真空容器 中完成，电弧和炽热气体不会向外界喷溅，因此不会污染周围环境；熄弧时间短， 电弧电压低，电弧能量小，触头损耗少，因而分断次数多，使用寿命长，适合频繁 操作；操动时的噪声小，振动轻微，适用于城市区域和要求安静的场所；同时没有 火灾和爆炸的危险。此外真空开关还具有可靠性高的特点，在真空灭弧室的使用期 限内，触头部分不需要维修、检查，即使机构维修检查，也十分方便，所花费的时 间也很短。真空开关所具有的以上特点使得真空开关在中低压领域得到广泛应用。 实际上，人们认识和利用真空介质优良的绝缘和灭弧性能已有相当长的历史。 但真空开关正式进入电力系统为电力_ 工业服务经历了相当长的时间，其整个发展过 程与不同电弧磁场控制方式的应用、采用新型触头材料以及开关和灭弧室制造工艺 水平的不断改进是分不开的。综述真空开关的发展，可概括经历了以下几个主要发 展阶段。 ( 1 ) 早期的理论研究阶段。 最早关于真空介质中电弧熄灭机理的研究可追溯到1 9 世纪末。早在1 8 9 3 年美 国的r i 谯e a h a u s e 教授就发现了真空对交流电弧有很强的灭弧能力，并为此获得了 第一项真空开关的专利【2 】。1 9 2 6 年，加州理工学院的r a m i l l i k a n 和r w s o r e n s o n 教授发表了关于真空开关的试验研究成果【5 j ，他们用一台试验性的真空开关成功地 开断了4 1 k v 、9 2 6 a 的交流电弧，并预言应用真空断路器的年代不久就会到来。随 后，美国g e ( 通用电气) 公司和w e s t i n g h o u s e ( 西屋) 等公司又研究横向吹弧磁 场对电弧运动和触头表面烧损的影响。但是，由于当时的真空技术和工艺尚不成熟， 材料冶炼技术也很落后。真空开关并没有在工业上得到应用。 ( 2 ) 深入的理论研究和关键工艺发展的阶段。 直到1 9 4 6 年，r k o l l e r 发表了真空开关基本性能的学术论文1 6 】，又重新掀起了 真空开关在工业上应用的研究热潮。为将真空开关真正发展为实用的产品，在上世 纪5 0 6 0 年代里成功解决了与真空灭弧室密切相关的一系列工艺关键问题。到 1 9 5 6 年，h c r o s s 对杰宁( j e r m i n g s ) 无线电制造公司生产的用于高频回路的真空 开关管进行了改造，试制出了用于电力回路的真空开关，并发表了在电力系统上应 用的试验结果【6 】，由此正式开始了真空开关在电力系统中的应用，真空断路器才真 正商品化。在提高灭孤室的开断能力方面，6 0 年代中期，美国和英国的许多公司 都集中精力，深入研究触头结构设计和材料制造工艺。早期真空开关采用简单平板 第一章绪 论 圆柱式对接触头结构在分断电流大于6 7 k a 时真空电弧将发生集聚，形成阳极斑 点，在阳极表面产生大面积的熔坑【7 1 ，使真空间隙在电流过零、电弧熄灭后的介质 强度恢复速度大大降低，真空灭弧室失去开断能力。6 0 年代，美国g e 公司的华裔 科学家李天和博士和c o b i n e 、l a f f e r t y 等人发明了螺旋槽结构的触头和铜铋触头材 料 9 1 ，摆脱了这个局限。螺旋槽结构的触头，可以利用分断电流自身产生一个平行 于电极表面的横向磁场，电弧弧根在这个驱弧磁场的作用下，以5 0 2 0 0 米秒的 速度在电极表面上快速运动【9 1 10 1 ，这就避免了电弧对电极表面的局部加热，使电极 表面熔化层变薄，热时间常数减少。更为重要的是，在大电流电弧过零前的一段时 间里，电弧还会从集聚型转变为扩散型【1 1 旺】，保证了真空间隙在电流过零、电弧 熄灭后，仍有足够的介质恢复速度和弧后绝缘耐受能力。这个发明极大地推动了真 空断路器向大容量的发展，g e 公司在1 9 6 1 年为电力系统制造出第一台商用三相真 空断路器，其最高电压为1 5 k v ，额定短路开断电流为1 2 k a ，额定电流为6 0 0 a 。 英国则在独自研究镶嵌式触头的基础上开发成功了4 0 0 3 0 0 0 v 的各种真空接触 器，用于煤矿工业和输电系统。 日本和德国的研究工作起步较晚，但都在国外技术的基础上进行，再加上各自 的发展，取得了很大的成就。日立公司在1 9 6 5 年制造出它的第一台 7 2 k v 5 0 k a 4 0 0 a 真空断路器。东芝公司、明电舍公司也差不多在同期试制成功他 们的产品，1 9 6 8 年，东芝公司又在从g e 公司引进真空开关制造技术的基础上如上 自己的研究成果，迅速推动了真空开关的生产与发展。德国s i e m e n s 公司在引进英 国技术后，又对触头结构和c u c r 合金制造工艺加以研究改进，开发了自己的真 空断路器。 ( 3 ) 真空开关的全面发展与广泛应用阶段。 这一阶段始于7 0 年代初，由日本学者提出了轴向磁场( a x i a lm a g n e t i cf i e l d ) 结构的触头形式，使分断能力大幅度提高，由此正式确立了真空开关在电力系统中 压领域的主导地位。这种结构的触头，借助特殊的触头结构设计，可以由分断电流 ( a ) 线圈型单极纵磁触头( b ) 线圈型多极纵磁触头 ( c ) 马蹄形纵磁触头( d ) 杯状纵磁触头 图1 一l 几种纵磁触头形式 f i g1 - ls e v e r a lt y p e so f c o n t a c t su s i n ga x i a lm a g n e t i cf i e l d 3 - 丈莲理工大学博士学岔论文 萋于光控模块的多断口真窑开关研究 自身产生一个沿电弧弧柱方向的轴向磁场( 也称纵向磁场) ，以稳定电弧，从根本 上防止了大电流电弧在阳极表面的集聚。最早是由i t o 等人开始了轴向磁场作用下 真空电弧特性的研究【l3 1 ，他们证明了通过外加一沿电弧轴向方向的磁场，可以显著 改善大电流真空电弧的稳定性，大大提高真空灭弧室的电流分断能力。随之， k i m b l i n 及m o r i n a i y a 等人从不同方面对此做了更为深入的研究【1 4 ，”】，对稳定电弧所 需的最佳磁场强度与电弧电流及电极开距的关系进行了理论阐述。y a n a b u 等人将 这种结构的触头进行了实用化【l6 1 。”，子1 9 7 6 年开发出了世界上第一台纵磁结构的 真空断路器。目前，纵向磁场结构的触头结构已成为真空灭弧室触头的主导结构， 并在线圈式结构的基础上派生出了许多的变体，如德国s i e m e n s 公司的杯状纵磁结 构 4 】，荷兰h o l e c 公司的马蹄铁纵磁结构【l8 1 ，日本日立公司的多极纵磁结构p j 以及 俄罗斯科学家提出的磁场增强型线圈结构d 9 等。图1 1 为几种较典型的纵向磁场结 构的触头形式。 真空开关技术发展到近期，对它的研究主要集中在以下五个方面，即： 曲向高电压等级领域发展。已由占主导地位的3 3 5 k v 中压等级向6 3 k v 、 1 1 0 k v 、2 2 0 k v 乃至5 d o k v 及以上电压等级发展。 b ) 向大容量方向发展。开断电流更大，由一般配电用的5 0 k a 以下的真空开 关向更太开断容量发展，如开发额定电流1 0 k a ，最高电压为1 2 k v 3 6 k v ， 短路开断电流可达1 0 0 k a 以上的发电机保护用真空断路器。 c ) 兼有高分断能力和低过电压特点的真空断路器，以适应更大功率的高压电 机的控制。 缩小真空灭弧室管径，减少零件数，使真空断路器结构设计向小型化、高 可靠性方向发展。 e ) 研制新的触头材料以提高开断特性、高电压应用时的介质恢复特性。 日智能化，在引用新的传感器的同时，研制新的操动机构及其控制系统，提 高真空开关的智能化水平。 传统的观点认为，真空开关在中低压电压等级有很强的优势，而在高电压等级 则以六氟化硫开关为主。其主要原因是真空开关在向高电压等级发展时遇到了比较 大的阻力。迄今为止，发展更高电压等级的真空开关有两种途径：一是继续发展单 断口型真空开关；二是发展双断口及多断口真空开关。为了将真空开关推向高电压 等级领域，以日、美为主，在对真空绝缘性能做了大量研究工作的基础上，首先开 始了高电压等级真空断路器的研制工作。美国g e 公司是世界上最高开始真空开关 研究的公司，于上世纪5 0 年代即开始生产4 5 k v 电压等级的真空灭弧室，并于上世 纪6 0 年代初曾采用多个4 5 k v 电压等级真空灭弧室串联制成高压和超高压真空断路 器和真空负荷开关，并实际投入了相应的电力系统上运行。这种真空断路器分别由 3 ，7 ，1 1 和1 4 个真空灭弧室组成电压等级分别为1 4 5 k v ，3 6 2 k v ，5 5 0 k v 和8 0 0 k v 的真空断路器。1 9 8 0 年，该公司又推出了额定电压8 4 k v 、分断电流4 0 k a 的单断 口真空断路器，并于同年正式生产了3 0 台额定电压1 6 8 k v 、分断电流4 0 k a 的双断 第一章绪论 口真空断路器c ”。日本的高电压等级真空断路器的研究和开发以东芝、日立、三菱、 明电舍等大型电工企业为主，明电舍公司于1 9 7 3 1 9 7 9 年间引进美国技术开始生 产额定电压8 4 k v 、分断电流2 5 4 0 k a 的单断口真空灭弧室，1 9 7 8 年，明电舍自 行研制开发了额定电压1 4 5 k v 、分断电流2 5 k a 的双断口真空断路器。1 9 8 0 年，又 开始生产额定电压1 2 3 k v 、分断电流3 1 5 k a 的单断口真空断路器，并迅速研制成 功额定电压1 4 5 k v 的单断i ：2 1 真空断路器【2 0 。东芝公司是从1 9 7 9 年开始研制额定电 压8 4 k v 、分断电流2 5 k a 的单断口真空断路器的，目前，8 4 k v 及以下电压等级的 真空断路器已经形成系列化产品，为了适应国内外市场竞争的需要，他们于1 9 8 7 年研制成功额定电压1 4 5 k v 、分断电流3 1 5 k a 的单断口真空断路器及额定电压 1 6 8 k v 、分断电流4 0 k a 的双断1 5 1 真空断路器口1 1 。而日本三菱公司已试制成功2 7 0 k v 单断口真空灭弧室，并拟发展生产5 0 0 k v 电压等级的真空断路器，一旦成功，其造 价将比相应电压等级的六氟化硫断路器便宜很多【2 2 l 。美国西屋公司也在1 9 8 0 年研 制成功额定电压7 2 k v 、分断电流4 0 6 0 k a 的真空灭弧室【2 3 】，并迅速推出了双断 口形式的1 2 1 1 4 5 k v 真空断路器以取代同电压等级的少油顷路器1 2 “。俄罗斯于 1 9 9 0 年生产了由4 个3 5 k v 的真空灭弧室组成1 1 0 k v ，分断电流为2 5 k a 的真空断 路器，并将其在实际的电力系统上投入运行。英国g e c 公司试制成功具有8 个断 口的1 3 2 k v 高压真空断路器【2 5 1 。上述的多断口真空断路器均采用机械连动，技术 复杂，制造成本高，限制了在高压和超高压领域的实际应用和推广。 真空开关除了向高电压方向发展外，还向大电流、大容量方向发展。1 9 8 2 年， 日本开发出额定电压1 3 8 k v 、分断电流达1 0 0 k a 的真空灭弧室【2 “，并在实验室完 成了额定电压1 2 k v 、分断电流高达2 0 0 k a 的真空灭弧室模型的实验研究【”】。 真空灭弧室采用的触头材料对其开断性能影响极大，在高电压等级应用中，一 般选用c u c r 合金，以及后来出现豹c u c r f e 和c u t a 等合金剧j 。而c u t e s e 材料在 抗熔焊、导电性能、降低电侵蚀率等方面都表现出优异的特性，经过综合比较被认 为是用于大电流开断的最佳选择【”】。c u t a 合金是近年来出现的新型触头材料，日 本三菱公司利用这釉材料已经开发出小型化的真空灭弧室，但由于其使用经验及价 格上的缺陷，尚未能进入大规模实用阶段。目前应用最多的仍是c u c r 系列触头， 这是因为它具有优良的吸气特性和较高的弧后耐压强度。在大电流应用方面也不断 有新的进展。 自1 9 7 6 年开始将纵向磁场触头形式应用到实际的真空灭弧室设计中以后，小 型化、紧凑型结构成为真空灭弧室的一个主要发展方向。如日本东芝公司1 9 8 4 年 生产的额定参数为2 4 k v 2 5 k a 的产品，体积降低为1 9 7 5 年相同参数产品的4 0 。 金属全封闭电力配电装置采用了小型化的真空断路器后，大约可缩小到原有尺寸的 3 0 1 2 2 3 0 1 。 操动机构是保证真空断路器机械可靠性的重要环节，因而各制造公司不断对操 动机构进行改进。目前专门配真空断路器的电动机储能弹簧机构，机械寿命可达 1 0 0 0 0 次操作，更高的甚至可达7 0 0 0 0 次。近年来开发研制的配真空开关的永磁操 查兰苎三查兰苎圭兰竺兰兰董三垄鏊堡茎箜耋堑呈兰主翌茎竺塞 动机构，更以其零部件少、结构简单、机械寿命高引起了极大关注。 我国真空开关的研究开始于1 9 5 8 年，于1 9 6 4 年研制成功我国第一台1 0 k v 、 1 5 k a 三相真空断路器。1 9 7 3 年正式生产中压真空断路器，1 9 7 8 年开始生产低压真 空接触器。在近十年里取得了很大进步。通过引进国外先进技术和国内自行开发， 目前，我国1 0 3 5 k v 电压等级、额定电流6 3 0 3 1 5 0 a 、分断电流2 5 4 0 k a 的各 型真空断路器的生产已趋于成熟，而1 1 4 1 0 k v 各等级的真空接触器和真空负荷 开关也已应用甚广。真空开关目前已在电力、煤炭、化工、冶金、铁道等部门得到 大面积的推广应用。 如前所述，真空开关的应用向高电压等级发展势在必行。目前，国内有关单位 提出了开发和研制6 3 k v 和1 1 0 k v 真空断路器的课题 3 “3 2 1 ，已在真空灭弧室的分断 性能和机构设计等方面进行了相应的研究工作，对真空灭弧室的动态绝缘特性进行 细致而卓有成效的研究【3 引。在此基础上，对发展1 1 0 k v 以上电压等级的真空断路 器的研制工作做了大量的理论探讨【3 4 1 ，并对真空灭弧室的具体结构进行了分析和设 计，得出了较合理的电极阍纵向磁场的分布。为了发展高电压等级的真空开关，以 适应电网和电力系统的需要，我们亦提出了相关的研究课题，并得到了国家自然科 学基金的资助。本文主要着重于发展高电压等级真空开关的途径之一多断口真空 开关技术的绝缘特性的研究。 1 3 高压真空间隙的绝缘特性 作为发展高电压等级真空开关的基础，高压真空间隙的绝缘问题的研究占有极 其重要的地位。真空开关的触头是在真空度高于1 0 。p a 的高真空中工作的，触头间 形成的高压真空间隙有着非常优异的绝缘特性与介质恢复特性。在真空开关发展的 早期，人们对真空间隙绝缘击穿的机理和击穿的发展过程做了大量的深入研究。这 些研究大大丰富了人们对真空介质绝缘性能的认识，为高压真空间隙的绝缘性能研 究奠定了基础。 1 3 1 真空间隙的击穿机理 理想情况下，真空中的击穿场强可达1 0 7 v e m ，但在1 0 6 1 0 4v e m 时，一般 的真空间隙也有可能发生击穿1 6 j 。真空中发生的电击穿一般是由于电极过程引起 的，主要有以下三种学说 2 “5 删：场致发射学说；微粒撞击学说；粒子交换学说。 a ) 场致发射学说。 众所周知，在强电场的作用下，金属表面位垒将降低和变窄，金属内部的自由 电子可以通过隧道效应透过表面位垒，逸出金属表面，导致电子发射，这就是场致 发射。经过磨光和清洁的电极表面，从微观来看，表面还是凹凸不平的，并且有许 多微小尖峰的存在。这样，当在电极真空间隙加上高电压时，电场在某些尖峰的端 部得到加强，在阴极引发场致发射，当场致发射电流流过这些微观突起时，会使它 第一章绪论 们发热、熔化和蒸发出大量金属蒸汽。当电子穿过金属蒸汽云时，使金属原子电离 而引起击穿。 f o w l e r n o r d h e i m 曾给出了一个计算电极尖峰部分场致发射电流密度与电场强 度之间的关系方程式【7 】= 扛一1541x10-2e2e d 警 卜矿唧i 产i y ：3 7 9 5 x 1 0 - 3 f e ( 1 1 ) 口 式中，j 为电流密度( a m ) ，e 为电场强度( v m ) ，妒为逸出功( j ) 。y ( y ) 和f y ) 是y 的缓变函数。 阴极表面微观突起处由于场致发射产生的电流，一方面可以因其焦耳热损耗和 n o r d h e i m 热效应，引起阴极突起的自发熔化和蒸发，产生大量的金属蒸汽，金属 蒸汽被场致发射电子游离，最后导致整个真空间隙的击穿，这称为阴极加热击穿； 另一方面由阴极发射的电子流轰击阳极，使阳极局部受热，产生热斑。当阳极热斑 的温度达到阳极材料的沸点时，阳极材料熔化、蒸发，最后也可能导致击穿，这种 情况称为阳极加热击穿。 m a i t l a n d 的理论计算表明【2 】，轰击阳极的电子束能量密度超过一定值时，会引 起真空间隙击穿，击穿电压矿与间隙距离d 的关系为： v d o 8 ( 1 ，2 ) 一般认为，由场致发射引起的击穿，通常是在真空间隙距离较小的情况下存在， 大电流电弧烧蚀后，触头表面的破坏引起的局部微观场增强，将有助于场致发射引 起的击穿。 b ) 微粒撞击学说。 从显微照片中可见，经过磨光和清洁处理的电极表面常常会吸附着一些金属微 粒，此外，电极也可能因燃弧后留下微小的金属颗粒或在强电场作用下从电极表面 尖峰拉出金属须。这些残余物可统称为“微粒”。这些微粒在强电场的作用下，受 静电力的影响，很容易脱离阴极，并通过真空间隙加速到达阳极，与阳极撞击后， 由动能转变为热能，使微粒本身熔化和蒸发，释放出的蒸汽为场致发射电子电离， 最后导致真空间隙的击穿。 c r a n b e r g 首先提出了微粒撞击假说【3 5 】。他认为在间隙电压作用下，粘附在电极 表面的微粒会集聚与电场成比例的电荷。在长间隙条件下，由于强电场力和或机 械力的作用，微粒脱离电极表面，进入间隙，在间隙中被电场加速，积累能量。当 它与对面电极碰撞时，动能转化为热能，使微粒熔化和蒸发。当碰撞能量足够大时， 可以产生足够的金属蒸汽。金属蒸汽被场致发射电子电离，最后引起间隙击穿。 大连理工大学博士学位论文 基于光控模袭的多断口真空开关研究 根据这一假说，c r a n b e r g 推导出击穿电压矿与间隙距离d 的关系为： y = k d o 5 ( 1 3 ) 式中，足为与电极材料有关的常数。 上式与一些试验结果吻合得较好，也很好地解释了长真空间隙中的自发击穿现 象。后来，s l i v k o v 对上述理论进行了修正口“，进一步的理论推导和实验所得到的 击穿电压v 与间隙距离d 的关系为： v ：k d o 6 2 5 ( 1 4 ) c ) 粒子交换学说。 当电极表面吸附了许多气体或有机物时，从阴极放出的一次电子在电极间加 速，并打击阳极，使阳极表面的气体电离，产生正离子和光子，它们再受电场的作 用，加速后又打在阴极上，使阴极发射二次电子，这一过程反复地进行下去，使二 次电子不断增加，最后导致真空间隙的击穿。粒子交换学说的整个过程实质上与第 一种场致发射学说基本上相似，如果电极表面很干净的话，由这一原因引起的绝缘 击穿基本上不会发生。 综上所述，真空间隙的绝缘击穿过程是一个非常复杂的过程，常常不是一个单 一的击穿机理起作用，而是几个机理共同起作用，彼此之间很难准确地加以区分和 界定。但总体来看，击穿电压y 与间隙距离d 的关系可以表示为： y = k d “( 1 5 ) 式中，置和口随闻隙结构、击穿条件而变化。由于真空间隙击穿过程的复杂性， k 和口的具体取值都应通过实验来加以确定。 1 3 2 影响真空击穿的各种因素 真空间隙的击穿是一种相当复杂的物理现象，它与许多因素有关，其中，比较 重要的影响因素有：真空间隙长度、电极材料、电极表面状态、电极形状和大小、 富 至 吝 ： 童 o d ( c m ) 1 击穿电压2 击穿电场强度 图t 一2 击穿电压、击穿电场强度与间隙长度的关系 f i g 1 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r e a k d o w n v o l t a g e ，b r e a k d o w n e l e c t r i c f i e l da n dg a p l e n g t h 第一苹绪论 真空度、外施电压波形和频率以及电极的高压老练等。 击穿电压和真空间隙长度之间的关系是真空击穿研究中首先关心的问题，在这 方面已积累了大量的实验数据 7 7 1 。图1 2 是击穿电压v 与间隙长度d 的典型关系 曲线。 实验表明【3 8 j ，当间隙长度较小时，击穿电压近似正比于间隙长度，即有： v = k d ( 1 6 ) 但是，当间隙长度较大时，随着真空间隙长度的增大，击穿电压的上升速度逐 渐减慢。这时击穿电压通常与间隙长度的口次方成正比，即有 v = k d 。 ( 1 7 ) 式中，指数a 是非常重要的因子，取值一般在0 4 。0 7 之间。 真空度( p a ) 图1 3 短真空间隙下击穿电压与真空度的关系 f i g1 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r e a k d o w nv o l t a g ea n dp r e s s u r ei ns h o r tg a pl e n g t h 3 0 0 1 0 。1 0 41 0 61 0 5 真空度( p a ) i 不锈钢电极，间隙长2 0 0 m m2 不锈钢电极，间隙长5 0 r a m 图1 4 长真空间隙下击穿电压与真空度的关系 f i g1 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r e a k d o w nv o r a g ea n dp r e s s u r ei nl o n gg a pl e n g t h 9 m 咖 瑚 姗 瑚 0 出脚酞旧 大莲理工大学博士学位论支 基于光控模块的多断口真空开关研艽 从图1 2 中我们可以看出击穿电压和间隙长度之间存在饱和效应，而许多研究 者认为，长真空间隙和短真空间隙的击穿电压特性之所以不同，其原园在于两者的 击穿机理不同 3 9 1 。显然，工程上把较长的真空间隙分割成几个串联的较短的真空间 隙，就可以提高其耐压水平。这实际上就是采用多断口真空开关技术来获得高电压 等级的真空开关的基本依据。 真空间隙的击穿电压、真空度和间隙长度之间不符合巴申定律，对于较短的真 空间隙来说，实验表明，真空度在1 0 4 l o 2 p a 之间变化时，击穿电压基本上不随 真空度的变化而变化。在1 0 。i p a 范围内，随着真空度的下降，击穿电压迅速下 降，以后，气压和击穿电压的关系逐渐按巴申定律变化。图l 。3 给出了钨电极真空 间隙的击穿电压和真空度之间的关系( 图中，间隙开距为i m m ) 。但是对于数厘米 到数十厘米长的真空间隙。击穿电压和真空度的关系如图1 - 4 所示【38 1 。在长真空间 隙，击穿电压在高真空范围内为恒值，在中真空范围内，随着真空度的降低，击穿 电压有所提高，并在1 0 2 l o 1 p a 范围内出现极大值，此后，随真空度的降低，击 穿电压急剧下降。 在其它条件不变时，电极材料对击穿电压的影响很大 4 5 。一般来说，熔点高、 机械强度高的电极材料，同样的间隙条件下击穿电压值亦高。电极表面状况对击穿 电压的影响也极为明显，电极表面的悬浮氧化物、介质掺杂等都会使其击穿电压降 低，电极表面的灰尘、金属微粒对真空绝缘也极为有害，将大大降低真空间隙的击 穿电压。同时，影响击穿电压的因素还有电极形状和大小。电极面积增大时，击穿 电压有下降的趋势【”。电极形状对真空击穿的作用比较复杂，具体表现在电极曲率 半径和击穿电压之间的复杂关系上【4 吲。当间隙长度d 与电极的曲率半径r 的比值 很小时，r 越小，击穿电压越高，当d r 值较大时，则出现相反的趋势，击穿电压随 电极的曲率半径的减小而降低。 关于外施电压波形对击穿电压的影响，在较短的和经过高压老练的真空间隙 中，电压波形和击穿电压的关系不大，在较长的真空间隙中，特别是在开断了大电 流以后的触头间隙中，击穿电压与电压波形有关【4 】。通常是直流击穿电压最低，脉 冲击穿电压次之，而工频击穿电压幅值最高。 对电极表面进行放电处理称之老练，可分为高压老练和电流老练两种。高压老 练实际上是在真空间隙上施加一定的交流或直流高压，使真空间隙之间产生多次小 电流火花放电或长期的辉光放电电流。在火花放电或辉光放电电流的作用下，电极 表面的微小突起、毛刺受到特别强烈的电子和离子轰击，在这些地方发生强烈的加 热和离子溅散，结果，表面的微小突起和毛刺就可被除去，电极表面的氧化物及其 它脏污也可能被烧掉，能很大程度上提高真空间隙的耐压水平。高压老练对真空电 极还有一定的除气作用。电流老练是让电极之闯燃烧直流或交流真空电弧，利用真 空电弧的电磨损作用除去电极表面的一薄层材料，随着这一薄层材料的除去，电极 表面的气体、氧化物和其它脏物也随之除去了。电流老练的作用主要是除气和清洁 电极，在真空灭弧室中有改善开断性能的作用，对改善触头间隙的耐压水平作用不 第一章绪论 人a 1 3 3 真空击穿的概率统计特性 前面的讨论中，一直使用击穿电压来描述真空间隙的耐压特性。但实际上，即 使以上讨论的所有条件都相同，在个相当宽的电压范围内，真空间隙都有可能发 生击穿，只是在不同电压下，击穿的概率不同而已。从本质上来说，真空间隙的绝 缘击穿过程是一个随机过程，击穿的引发和发展受到许多随机因素的影响，而且击 穿电压的分散性远比在其它介质中要大得多。作为真空绝缘击穿研究的一个重要内 容，其统计特性的研究占有非常重要的地位。它一方面有助于人们更为深入的了解 和发现真空绝缘破坏机理，同时也为真空开关绝缘配合统计方法的应用奠定了基 础。概率统计研究能够为真空灭弧室绝缘结构的设计提高更直接的指导。 y m u r a i 和h t o y a 等人m4 “4 2 】较早对真空间隙的静态击穿统计特性进行了研 究。y m u r a i 【4 0 对处于分闸状态的真空灭弧室，上加一定的宣流电压，然后以一定 的速度控制触头闭合，则在触头闭合的过程中，触头间隙将发生击穿。由于击穿事 件的随机特性，在同样的外施电压条件下，测量每次击穿瞬间的触头开距，则可以 得到触头临界开距的概率分布曲线。改变不同的试验电压值，则可得到击穿特性随 外加电压的变化规律。同时，他采用触头间隙d 和击穿概率为5 0 的触头间隙d ，。之 比x = d d ，。为一个新的参量，可以将试验所得到的数据画在威布尔( w e i b u l l ) 概率 纸上，得到一条直线。说明x 的统计分布遵从于威布尔分布。h t o y a 等人【4 “1 对 由两个半球电极形成的真空间隙进行试验研究，所加电压为2 5 0 t 2 5 0 0 i s 的操作冲 击电压，试验步骤及测量方法与y m u r a i 相同，也得到了类似的结果。根据得到的 试验结果，引入“击穿弱点”的概念，他们提出真空间隙的击穿与阳极表面的击穿 弱点有关，而阳极表面单位面积内的弱点数与极间电压及阳极表面场强有关。显然， 他们采用的这种测量方法有两个缺点：一是因操动机构运动特性固有的分散性和测 量系统的时延，将引入较大的测量误差( 主要是d 的测量) ；二是在间隙击穿瞬间， 有幅值很高的高频信号叠加在电压波上，危及测量设备和人身安全。 为了克服以上的缺点，文 3 3 】的研究是在定开距下进行的，这样可以使d 的测 量准确，并可减小实验误差，所采用的试验电压为1 2 5 0 v s 的标准雷电冲击电压。 文 4 3 1 对单个真空灭弧室的静态击穿统计特性做了较为深入的研究，并根据试验获 得的结果，引入一个特征参量x ( = u 2 a ) 来描述电场应力的作用，说明了单个真 空灭弧室的击穿是在电场应力超过一定值以后才有可能发生，从微观出发，推导了 击穿电压累积概率所必须满足的数学表达式，并用统计学的观点对击穿弱点和真空 击穿的面积效应做出了理论解释，从而获得了一些有用的结论。 在实际的运行条件下。真空灭弧室在分断电流后，断口两端立即会受到快速上 丈避理工大学博士学位论文 萋于光控模块的多断口真空开关研究 升的暂态恢复电压的作用。真空断路器能否可靠地完成分断操作，取决于真空间隙 的介质强度恢复速度与暂态恢复电压上升速度的“竞争”结果。当间隙的介质强度 恢复速度超过暂态恢复电压的上升速度时，真空断路器就能够可靠地分断电流。否 则，真空间隙就会因为暂态恢复电压的作用而发生重击穿。 文【4 4 对1 0 k v 真空断路器在冲击发电机上进行容量试验中出现的重击穿现象 做了统计分析。其统计计算表明，设计良好的真空断路器均有一个电流的稳定开断 区。真空断路器弧后重击穿几率的大小与被开断电流的相对大小有关，当开断电流 小于极限开断电流的6 0 时，重击穿几率的大小接近于零，当开断电流接近开断 稳定区的上限时，有l 左右的弧后重击穿几率和0 4 左右的延滞击穿几率，同 时，重击穿时间的概率分布服从于威布尔分布。 文 3 3 1 对单个真空灭弧室的弧后重击穿统计特性进行了理论研究，提出了重击 穿概率的数学模型，定性地分析说明了真空灭弧室的重击穿特性和概率分布。 1 4 多断口真空开关技术的发展与研究现状 如前所述，发展更高电压等级的真空开关有两种途径：一是继续发展单断口型 真空开关；二是发展双断口及多断口真空开关。从图1 2 中击穿电压和间隙长度之 间的饱和效应看出，在长真空间隙下，真空开关的耐压水平不能通过简单增加真空 间隙的长度来获得。为了将真空开关推向高电压等级应用领域，采用多断口真空开 关技术是一个合理的选择。 所谓多断口真空开关技术，其实质是采用多个小真空间隙串联，使真空开关获 得更高的电压耐受特性多断口真空开关技术的优越性就是充分利用真空短间隙的 优良特往。 目前，国内外研究者对多断口真空开关技术的研究主要集中在以下几个方面 【4 5 - 4 8 + 5 6 - 6 1 3 4 5 ： 1 ) 对多真空间隙串联的静态绝缘特性的研究。 2 ) 对多断口真空开关的动态绝缘特性一多间隙金属蒸汽电弧的动态介质恢复 特性研究。 3 ) 对多断口真空开关的操动机构及控制系统的研究。 1 4 1 多真空间隙串联的静态绝缘特性 多断口真空开关的多真空间隙串联的静态绝缘特性是指开关在没有开断大电 流情况下的绝缘特性。多真空问隙串联的静态绝缘特性是研究多断口真空开关技术 中绝缘结构设计的基础。目前，国内外的研究方向主要集中在双断口真空开关的静 态击穿特性、静态击穿统计特性和静态绝缘击穿机理等几个方面，对于三个及以上 断口真空开关的特性至今尚未见到比较深入的报道。 s g i e r e 和p s e n t k e r 对一具有两个串联的真空灭弧室的真空开关和一单一真空 第一苹绪论 灭弧室真空开关的静态击穿特性进行了比较研究【4 5 6 1 。他们通过在真空灭弧室上 分别施加交流电压和雷电冲击电压，测量双断口真空开关和单断口真空开关在不同 开距下的击穿电压值，可得到真空灭弧室击穿电压与开距的关系，并得到了一个初 步的重要结论：即在一定的总间隙长度下，双断口真空开关与单断口真空开关相比 具有更高的击穿电压值。 在对单个真空灭弧室的静态击穿统计特性做了大量研究的基础上，t s h i o i r i 和 y n i w a 等人h 对一双断口真空断路器的击穿统计特性进行了实验研究。当双断口 真空断路器进行空载开断后，以一个大约为i m s 的匀速闭合断路器，并将雷电冲 击电压施加于双断口真空断路器上，发现断路器发生真空击穿时，记录下此时的真 空间隙长度和击穿电压值，同时通过多次实验可以获得其累积击穿概率。实验发现： 双断口真空断路器与单断口真空断路器相比，在相同的总开距下双断口真空断路器 的击穿概率要低，即使双断口真空断路器两个断口的电压分布不均匀，但它还是具 有比单断口真空断路器更高的绝缘可靠性。 v a s i d o r o v 和d f a l f e r o v 对两个串联起来布置的真空触发开关进行研究 4 s j 。 他们首先假设：当其中一个真空触发开关发生击穿后，忽略发生击穿的真空触发 开关上的电压降落及在另一真空触发开关上可能产生的过电压影响，认为整个装置 电压都施加于没有发生击穿的真空触发开关上；认为击穿发展的时间比整个电压 施加于没有发生击穿的真空触发开关上的时间短，即其中一个真空触发开关一旦发 生击穿，则整个电压立刻全部加到另一真空触发开关上。在此假设基础上，他们对 整个串联装置的击穿统计概率进行了讨论，得到了一些基本的结论。 现在许多人认为【4 “3 7 】，在小真空间隙( 即开距很短，小于1 n 2 m m 的真空间 隙) 中，真空击穿主要是由场致发射引起的，真空间隙较大时，微粒就成了造成真 空击穿的主要原因了。真空间隙在发生全面击穿之前，电极间就出现微小的电流一 预击穿电流。如果所加的电压为直流电压，则流过间隙的是比较稳定的预击穿电流， 其值为l o 巧l o 3 a 。在稳定的电流上有时也会出现一些小的电流脉冲。当真空间隙 施加工频电压时，在真空击穿前也同样会出现预击穿电流，并且至少存在着两种形 式的预击穿电流，它们被称为瞬态电流和亚稳态电流【4 9 】。通过计算表明，在相同电 压下，根据场致发射理论计算的电流波形与预击穿电流波形基本相同，这表明，预 击穿电流非常可能是场致发射电流。 对于双断口真空开关的静态绝缘击穿机理，e s e n t k e r 和h c k a r n e r 进行了初步 的研究【4 6 ，认为双断口真空间隙的预击穿放电( p r e b r e a k d o w nd i s c h a r g e s ) 起了决 定性的作用。由于预击穿放电电流的存在，使得两个断口的电压分布不均匀，对预 击穿放电电流的波形检测发现，为减小预击穿放电电流，可以采取的措施有：减 小外施冲击电压值；降低触头间隙的分布电容；提高真空断口的老练水平； 软化预应力。 总的说来，在前人对单断口真空开关的真空绝缘性能做了大量研究工作的基础 上，国内外已经开始研究多断口真空开关的静态绝缘特性，不过，由于研究还不够 查苎翌三銮兰兰圭兰竺兰兰苎王堂丝茎兰堕耋塑旦兰至墅茎至耋 深入，因此得到的一些成果还比较粗糙，为了实现将多断口真空开关技术在高压和 超高压领域的实际应用和推广，还需进行继续的研究和相当的努力。 1 4 2 多断口真空开关的动态绝缘特性 众所周知，对于单断口真空开关，真空灭弧室在电流过零、电弧熄灭后，是依 靠真空条件下带电粒子的快速扩散来恢复其绝缘能力的。触头间隙由燃弧时的高导 电状态恢复为绝缘状态的过程就称为真空间隙的介质强度恢复过程，从电流过零到 间隙耐压水平恢复到静态的9 0 的时间则称为恢复时间。真空灭弧室的介质强度 恢复特性直接关系到真空灭弧室能否顺利、可靠地分断大电流，因而很早以来就受 到人们的重视，对此做了较多的研究。 真空灭弧室的弧后介质强度恢复包括固有介质强度恢复和动态( 实际) 介质强 度恢复两个方面的内容 5 0 1 。固有介质强度恢复特性是指灭弧室在没有暂态恢复电压 作用下的恢复特性，是一种理想状态下的恢复特性，也是研究实际介质恢复特性的 基础。而在实际的运行条件下，真空开关在分断电流后，断口两端立即会受到快速 上升的暂态恢复电压( t r a n