真空滅弧室漏電流的機(jī)理分析及對(duì)策

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(1. 蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 710030；2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；3. 上海電器科學(xué)研究院，上海 200063；4. 天水長城開關(guān)廠，甘肅 天水 741000)

1 引言

真空滅弧室(其結(jié)構(gòu)如圖1所示)是真空開關(guān)的心臟[1]，其性能優(yōu)劣直接影響真空開關(guān)的性能，主要是影響真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰罢婵臻_關(guān)耐受電壓的能力。

圖1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)

2 真空滅弧室漏電流

真空滅弧室漏電流的大小反映其耐受電壓的能力，一些用戶除了要求檢驗(yàn)真空滅弧室的耐受電壓外，還對(duì)真空滅弧室耐受電壓下的漏電流做了嚴(yán)格要求。質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)的真空滅弧室，其漏電流的大小一般不超過100μA，最大也不超過1mA[2]，真空滅弧室耐受電壓的能力取決于內(nèi)部絕緣強(qiáng)度和外部絕緣強(qiáng)度的大小。真空滅弧室在觸頭兩端施加電壓時(shí)，其介質(zhì)回路有兩路，一路是觸頭間隙，另一路是外殼。真空滅弧室要有優(yōu)越的耐受電壓的能力，觸頭間隙和外殼都應(yīng)有承受過電壓的能力。其電介質(zhì)的等效電路可用圖2表示。圖中顯示，真空滅弧室的絕緣電阻由代表間隙的電容Cg和代表外殼的電阻R兩部分組成，絕緣電阻越大，則漏電流i就越小。對(duì)于一定間隙的真空滅弧室，其間隙承受過電壓的能力(電介質(zhì)的強(qiáng)度)主要取決于真空度、觸頭結(jié)構(gòu)及滅弧室內(nèi)電場(chǎng)分布情況。對(duì)于真空滅弧室外殼，主要是保證其在外加電壓作用下，不發(fā)生沿面放電甚至閃絡(luò)。一般情況下，通過檢測(cè)真空滅弧室漏電流的大小，可以綜合判斷其耐受電壓的絕緣能力。

圖2 真空滅弧室分?jǐn)酄钫\時(shí)在交流電壓作用下的等效電路等效電路圖

3 產(chǎn)生機(jī)理及危害

(1)

式中:me—電子的質(zhì)量；

υe——電子的運(yùn)動(dòng)速度；

Wi——?dú)怏w原子(或分子)的游離能。

質(zhì)點(diǎn)兩次碰撞之間的距離稱為自由行程。平均自由行程與氣體間的壓力成反比，與絕對(duì)溫度成正比。一般情況下，平均自由行程越大，越容易發(fā)生碰撞游離。

當(dāng)一個(gè)真空滅弧室設(shè)計(jì)制作完成以后，其動(dòng)靜觸頭之間的間隙d保持不變，因此，間隙擊穿電壓的大小主要取決于壓力(壓強(qiáng))p，也就是真空滅弧室真空度的大小。當(dāng)真空度較大時(shí)，電子的相對(duì)密度很小，在向陽極運(yùn)動(dòng)過程中，其碰撞次數(shù)太少，產(chǎn)生的帶電微粒很少，氣體的放電能力就很弱，因而擊穿電壓就大，真空滅弧室耐受電壓的能力就強(qiáng)。因此，理論上，真空度越高，壓力越小，電子的碰撞次數(shù)越少，產(chǎn)生的帶電微粒就越少，因此，間隙的介電強(qiáng)度越高，擊穿電壓就越高，真空滅弧室耐受電壓的能力就越強(qiáng)，此時(shí)，漏電流就越小。

影響真空滅弧室耐受電壓的因素，除了觸頭間隙間所存有的帶電微粒(真空度起主要作用)外，還與真空滅弧室的外殼有關(guān)。如圖1所示，真空滅弧室的外殼由陶瓷或玻璃制成。由于陶瓷和玻璃同屬親水性絕緣物質(zhì)，具有很強(qiáng)的吸附水的能力，水又吸收雜質(zhì)，在外加電壓的作用下，這些雜質(zhì)很容易電離成帶電微粒而發(fā)生沿面放電，降低真空滅弧室耐受電壓的能力，此時(shí)，外殼的絕緣強(qiáng)度降低，漏電流增大。如圖2所示，在外加電壓的作用下，真空滅弧室主觸頭間隙與真空滅弧室外殼形成并聯(lián)電路。特別地，若真空滅弧室的沿面放電發(fā)展為閃絡(luò)，就表明真空滅弧室沿外殼表面發(fā)生擊穿，嚴(yán)重影響真空滅弧室的絕緣性能。

4 改進(jìn)措施

既然影響真空滅弧室耐受電壓的因素包括滅弧室內(nèi)部和外殼兩個(gè)方面，那么，應(yīng)從這兩個(gè)方面入手采取措施加以改進(jìn)。

首先，從真空滅弧室內(nèi)部來說來說，應(yīng)從以下兩個(gè)方面引起重視：

(1) 改善觸頭的物理結(jié)構(gòu)，使真空滅弧室的電場(chǎng)盡可能為勻強(qiáng)電場(chǎng)。

在真空滅弧室觸頭間隙確定的情況下，改善滅弧室內(nèi)電場(chǎng)的分布情況，使之分布更均勻一些，有助于提高真空滅弧室的耐受電壓，減小漏電流的大小。在實(shí)際情況下，首先應(yīng)適當(dāng)增加觸頭的厚度，并使觸頭的尖角、棱角鈍化，這樣，這些部位的電場(chǎng)分布不太集中，從而有助于提高真空滅弧室的耐受電壓；另外，對(duì)于高電壓、大容量的真空滅弧室，還應(yīng)在觸頭周圍設(shè)計(jì)均壓屏蔽罩、均壓屏蔽罩末端設(shè)計(jì)輔助均壓屏蔽罩，有效的改善觸頭附近的電場(chǎng)分布，在真空滅弧室兩端端蓋附近設(shè)計(jì)端部屏蔽罩，可有效降低真空滅弧室端蓋附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。

(2) 提高真空度。

表1 某公司ZNTD12/1250—31.5型真空滅弧室的真空度與壓強(qiáng)的測(cè)試數(shù)據(jù)

真空度是反應(yīng)真空滅弧室質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，質(zhì)量合格的真空滅弧室真空度的大小有一個(gè)范圍，在10-4～10-2Pa，即10-6～10-4mmHg之間[3]。表1是國內(nèi)某公司ZNTD12/1250—31.5型真空滅弧室的真空度與壓強(qiáng)的關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制成坐標(biāo)圖后如圖3所示，從圖中可以看出，當(dāng)真空滅弧室的壓強(qiáng)大于10-2Pa時(shí)，其耐壓能力迅速降低因此，保持真空滅弧室具有10-2Pa以上的真空度是十分必要的。

(3)提高同軸度。導(dǎo)向套可有效保證真空滅弧室的同軸度，但有時(shí)同軸度仍不在最佳狀態(tài)，需要細(xì)致調(diào)試。同軸度提高，保證動(dòng)靜觸頭有效接觸，可減小接觸

電阻，減小觸頭閉合時(shí)產(chǎn)生的熱量，有效降低觸頭斷開時(shí)因熔焊而產(chǎn)生的對(duì)觸頭表面的拉傷。

圖3 一種10kV真空弧室真空度與耐壓關(guān)系圖

(4) 觸頭表面光潔平整，必要時(shí)通過老煉去除觸頭表面的毛刺。

其次，從真空滅弧室外殼方面來說，應(yīng)從以下接個(gè)方面引起重視：

(1) 增大爬電距離，尤其是在產(chǎn)品小型化的情況下，通過把外殼設(shè)計(jì)成波紋狀，可以有效的達(dá)到目的。

(2) 保持外殼清潔度，注意使用環(huán)境，尤其是在污穢潮濕環(huán)境戶外使用的真空開關(guān)，要注意采取措施保持外殼干凈。

(3) 對(duì)于高壓大容量真空滅弧室，在真空滅弧室外表面和絕緣瓷套之間添加硅脂絕緣，可有效提高真空滅弧室外表面的絕緣強(qiáng)度[4]。

5 結(jié)論

通過提高真空滅弧室的內(nèi)絕緣和降低真空滅弧室外殼表面電導(dǎo)，可以大大提高真空滅弧室的耐受電壓，提高產(chǎn)品質(zhì)量。