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影响真空绝缘水平的主要因素

发表时间:2018-03-01 10:37【

  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稀少,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)最低,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以上时完全能够满足正常的使用需求。

  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。

  一个新的真空间隙进行试验时,最初几次的击穿电压往往较低。随着试验次数的增加击穿电压也逐渐增大,最后会稳定在某一数值上。这种击穿电压随击穿次数增大的现象就是电压老炼的作用。

  电压老炼就是通过放电消除电极表面的微观凸起、杂质和缺陷。经过小电流的放电使表面的微观凸起点烧熔、蒸发,使电极表面光滑平整,局部电场的增强效应减小,提高了击穿电压。老炼对电极表面的纯化作用也是很重要的。由于电极表面的电子发射容易出现在逸出功较低的杂质所在处,击穿放电同样能使杂质熔化和挥发,同样能提高间隙的击穿电压。

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