長葛市正宇電器有限公司“真空斷路器”因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。 

真空斷路器的概述

1893年，美國的里頓豪斯提出了結(jié)構(gòu)簡單的真空滅弧室，并獲得了設(shè)計(jì)專利。1920年瑞典佛加公司第一次制成了真空開關(guān)。1926年美國索倫森等公布的研究成果也顯示了在真空中分?jǐn)嚯娏鞯目赡苄裕蚍謹(jǐn)嗄芰π?，又受到真空技術(shù)和真空材料發(fā)展水平的限制，尚不能投入實(shí)際使用。隨著真空技術(shù)的發(fā)展，50年代美國才制成第一批適用于切斷電容器組等特殊要求的真空開關(guān),分?jǐn)嚯娏魃型Ｔ?千安的水平。由于真空材料冶煉技術(shù)上的進(jìn)步和真空開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)研究上所取得的突破，1961年，美國通用電氣公司開始生產(chǎn)15千伏、分?jǐn)嚯娏鳛?2.5千安的真空斷路器。1966年試制成15千伏、26千安和31.5千安的真空斷路器，從而使真空斷路器進(jìn)入了高電壓、大容量的電力系統(tǒng)。80年代中期，真空斷路器的分?jǐn)嗄芰σ堰_(dá)100千安。 

中國從1958年開始研制真空開關(guān)，1960年西安交通大學(xué)和西安開關(guān)整流器廠共同研制成第一批6.7千伏、分?jǐn)嗄芰?00安的真空開關(guān);隨后又制成10千伏、分?jǐn)嗄芰?1.5千安的三相真空開關(guān)。1969年華光電子管廠和西安高壓電器研究所制成了 10千伏、2千安單相快速真空開關(guān)。70年代以后，中國已能獨(dú)立研制和生產(chǎn)各種規(guī)格的真空開關(guān)。

真空斷路器工作原理及作用

絕對壓力低于一個(gè)大氣壓的氣體稀薄的空間，稱為真空空間，真空度越高即空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個(gè)mm水銀柱高)，毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1托=131。6Pa，1毫巴=100Pa)我們通常所說真空滅弧室內(nèi)部的真空度要達(dá)10-4托是指滅弧室內(nèi)的氣體壓強(qiáng)僅為"萬分之一mm水銀柱高"，亦即是1。31x10-2Pa。

"派森定理"亦有譯為"巴申定律"，是指間隙電壓耐受強(qiáng)度與氣體壓力之間的關(guān)系。圖1表示派森定理的關(guān)系曲線呈"V"字形，即充氣壓力的增加或降低，都能提高極間間隙絕緣強(qiáng)度。其擊穿機(jī)理至今還不清楚，因?yàn)檎婵諟缁∈覂?nèi)部真空度高于10-4托，這樣稀薄空氣的空間，氣體分子的自由行程為103mm，在真空滅弧室這么大小的容積內(nèi)，發(fā)生碰撞的機(jī)率幾乎是零。因此不會(huì)發(fā)生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實(shí)驗(yàn)得出的，條件是在均勻電場的情況下，其間隙擊穿電壓Uj可表示為:

Uj=KLa

L------間隙距離；

a------間隙系數(shù)(間隙<5mm時(shí)a=1，>5mm時(shí)，a=0。5)

由派森定理的"V"形關(guān)系曲線中看出，當(dāng)真空度達(dá)103托時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)四周曲線變得平坦，擊穿電壓幾乎無變化。

當(dāng)真空度和間隙距離相同時(shí)，其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發(fā)生變化，電極材料機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高時(shí)，真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。

真空絕緣的破壞機(jī)理

前面已說過，在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內(nèi)，氣體分子的自由行程很大，不會(huì)發(fā)生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會(huì)擊穿又是客觀存在，于是就有種解釋真空絕緣會(huì)破壞的機(jī)理，場致發(fā)射引起擊穿，微塊引起擊穿和微放電導(dǎo)致?lián)舸?/p>

場致發(fā)射論對真空間隙所以能發(fā)生擊穿的解釋

間隙電場能量集中，在電極微觀表面的突出部分發(fā)生電子發(fā)射或蒸發(fā)逸出，撞擊陽極使局部發(fā)熱，繼續(xù)放出離子或蒸汽，正離子再撞擊陰極發(fā)生二次發(fā)射，相互不斷積累，最后導(dǎo)致間隙擊穿。

聞名的FowlerandNoraheim場發(fā)射電流I表達(dá)式為:

I=AE2e-B/E

式中　E------電場強(qiáng)度；

A------常數(shù)，與發(fā)射點(diǎn)的面積有關(guān)；

B------常數(shù)，與電極表面的逸出有關(guān)。

在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下，可以合理地認(rèn)為真空間隙擊穿是由場致發(fā)射引起的，但在長間隙及連續(xù)加壓與長脈沖電壓下，有的學(xué)者認(rèn)為真空的擊穿尚存在其它機(jī)理:

(1)陰極引起的擊穿；在強(qiáng)電場下，由于場發(fā)射電流的焦耳發(fā)熱效應(yīng)，使陰極表面突出物的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，突出物熔化產(chǎn)生蒸汽引起擊穿。

(2)陽極引起的擊穿:由于陰極發(fā)射的電子束，轟擊陽極使某點(diǎn)發(fā)熱產(chǎn)生熔化和蒸汽而發(fā)生間隙擊穿。產(chǎn)生陽極引起擊穿的條件與電場提高系數(shù)和間隙距離有關(guān)。

微塊引起擊穿的解釋

假設(shè)在電極表面附著較輕松的微塊，在電場作用下，微塊脫落而且加速，這微塊撞擊對面的電極時(shí)，由于沖擊發(fā)熱可使其本身熔化產(chǎn)生蒸汽，引起擊穿。

微放電導(dǎo)致真空間隙擊穿的解釋

電極的陰極表面沾污，將發(fā)生微放電現(xiàn)象。微放電是一種小的自抑制熄滅的電流脈沖，它的總放電電荷3107C，存在時(shí)間由50ms到幾ms，放電一般發(fā)生在大于1mm的間隙中。

這些真空間隙的擊穿機(jī)理表明，真空電極的材料與電極的表面狀況對真空間隙的絕緣都是非常要害的因素。

真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關(guān)

真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓，因耐壓實(shí)驗(yàn)前不同工況的分合閘操作有相應(yīng)的不同結(jié)果，意大利哥倫布(Colombo)工程師在設(shè)備討論會(huì)上有文論述過這方面的問題:試驗(yàn)對象是24KV斷路器，銅鉻觸頭，額定開斷電流16KA，額定電流630A，觸頭開距15。8mm，觸頭分閘速度1。1m/s，合閘速度為0。6m/s。試驗(yàn)程序列于表1。

在關(guān)合---分閘操作(試驗(yàn)系列2~5)后產(chǎn)生的最大擊穿電壓比空載循環(huán)(試驗(yàn)系列1)后給出的數(shù)值低，這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減?。煌瑫r(shí)，系列2和系列5所測得的數(shù)值亦小于系列3和系列4的試驗(yàn)值，而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了開閉操作的形式對斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響，擊穿電壓在30~50kV范圍內(nèi)，擊穿距離為0。6~2mm之間，擊穿時(shí)觸頭的電場強(qiáng)度為25~44kV。