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影響真空絕緣水平的主要因素

發表時間:2018-03-01 10:37【

  真空絕緣是一個十分複雜的物理過程,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,主要有以下幾個方麵:

  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,往往由於幾何形狀不夠恰當,引起電場在局部過於集中而導致擊穿,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,擊穿電壓還和電極麵積的大小成反比,即隨著電極麵積的增大而有所降低。麵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係。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後(≥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,由於此時氣體分子十分稀少,氣體分子的碰撞遊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,鋼電極在淬火後硬度提高,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係。由圖可以看到真空度高於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,因為氣體分子碰撞遊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)最低,以後又隨氣壓的增高而增高。從曲線上可以看出真空度高於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。

  5、電極的表麵狀況

  電極的表麵狀況對真空間隙的擊穿電壓影響較大。電極表麵的氧化物、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麵在製造中加工得如何,大電流開斷均會使電極表麵變得凸凹不平,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,最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,最後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麵的微觀凸起、雜質和缺陷。經過小電流的放電使表麵的微觀凸起點燒熔、蒸發,使電極表麵光滑平整,局部電場的增強效應減小,提高了擊穿電壓。老煉對電極表麵的純化作用也是很重要的。由於電極表麵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。

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