真空灭弧室工频预击穿特性研究

Study on the Prebreakdown Characteristics of Vacuum Interrupters under ac Voltage

Abstract　The prebreakdown current of vacuum interruptes under ac voltage has been measured, and the electrode-effect of prebreakdown current has also been analyzed. It is found that only when the prebreakdown current through the vacuum gap increases to a critical value, will the breakdown happen. For the widely used material CuCr50,this current critical value is the order of mA.
Key words　vacuum interrupter　power frequency　prebreakdown

0　引　言

　　研究真空灭弧室在工频电压作用下的预击穿特性，可以进一步搞清真空间隙在工频电压作用下的击穿机理和主要影响因素，在一定条件下可以对电力系统中真空开关的耐压强度进行较为真实和合理的估计，并可为真空开关的在线检测提供一定的指导，具有较强的实际意义。实践表明，真空间隙的击穿由预击穿现象引发，主要是由于场致电子发射和微放电引起的。当开距较小时(d<2 mm)，主要由场致电子发射引起；当开距较大时(d>10 mm)，微放电起主要作用；在2～10 mm之间，可能是两者共同或单独作用的结果［1～2］。本文主要通过测量工频预击穿电流来研究真空灭弧室在小开距(d<4 mm)下的预击穿特性。

1　实验方法与试品

　　当加在真空灭弧室两端的工频电压逐渐上升到一定值时，在真空间隙击穿之前，流过真空间隙的电流主要包括以下一些分量：
　　a) 由强电场引起的阴极场致发射电流；
　　b) 由两触头组成的电容而产生的容性电流；
　　c) 阳极由于受到阴极发射的电子轰击而发热和释气、熔化产生的离子电流；
　　d) 由微放电所引起的脉冲电流等。
　　工频预击穿电流通常指全电流中除掉容性电流后的其余各电流分量之和，主要由场致发射电流决定。获取工频预击穿电流可采用补偿法或构造法［3］。笔者在实验中采用了补偿法，即与真空灭弧室并联一电容，用流过该电容的容性电流去补偿流过真空间隙的容性电流Iｃ，从而获得预击穿电流Iｐ。实验所得的典型工频预击穿电流Ip与施加电压U的相位关系见图1。从图1可看出，与U加电压的相位相同。
 

图1　Ip与U的相位关系

　　实验中采用的试品有两种，如表1所示。每组试品各有3支，分别为A1，A2，A3，B1，B2和B3管。

表1　两种试品的参数
 

参　数额定
电压
/kV开断
电流
/kA触头
直径
/mm触头
材料触头
形状屏蔽罩
固定
方式真空度
/Pa第一组1031.577CuCr50杯状纵磁瓷柱式10－4第二组1031.565CuCr50杯状纵磁中封式10－42　击穿和预击穿现象
　　实验发现，在逐渐升压的过程中，真空间隙会出现一些击穿和预击穿现象：
　　1) 在工频电压作用下，真空间隙击穿发生几种情况：(a)电压处在不断上升的过程中；(b)电压维持在某固定值之后的一段时间内。
　　2) 保持电压不变，经过一段时间后，预击穿电流有时会突然增大或减小。这主要是随着电压作用时间的增加，电极表面发射点的数目和状况不断变化。预击穿电流的突然增大常伴随着新发射点的出现，其突然减小则常伴随着旧发射点的消失。
　　3) 由于真空间隙击穿产生的老炼效应，使间隙耐压水平升高，在某电压下击穿一次或数次后，电压不变，真空间隙逐渐变得能够耐受该电压。
　　4) 由于老炼效应，改善了触头的表面状况，击穿后电压升高，偶尔会出现预击穿电流峰值比击穿前变小的现象。

3　实验结果与分析

3.1　工频预击穿电流的电极效应

　　试验中发现，预击穿电流正、负峰值一般不相等，有时正峰值较大，有时负峰值较大，很少存在两者相等的情况。考虑到预击穿电流主要由场致发射引起，而场致发射与触头电极的表面微观结构密切相关，认为这可能与两电极表面微观结构不同有关。于是在试验中交换了灭弧室两端的接线，并对所有试品均进行了此项试验。发现预击穿电流原来正峰值大的交换接线后变为负峰值大，负峰值大的交换接线后变为正峰值大，并且交换前后正、负峰值基本相等，说明上述解释正确。
　　由于上述现象是因为电极表面状况的不同引起的，因此称为预击穿电流的电极效应。电极效应的程度反映了两触头表面状况的差异。为了更深入研究电极效应与间隙击穿电压等因素之间的关系，有必要引入极性度α来标定电极效应的程度：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)

　　对试验结果进行分析发现，α对真空间隙的击穿电压并无多大的影响，α大时击穿电压不一定低，α小时击穿电压不一定高，见图2。
 

图2　电极效应对击穿电压的影响(B1，B2，B3管)

　　对工频预击穿电流进行计算机模拟后进一步分析发现：预击穿电流频谱分析中各偶次谐波分量与α密切相关，且两者具有同向变化趋势。α越大，各偶次谐波分量也越大，其中以100 Hz分量为最；α越小，各偶次谐波分量也越小，当α＝1(即预击穿电流正、负峰值完全相等)时，各偶次谐波分量皆为零，见图3。其频谱分析中奇次谐波一般占主要部分，且随α的增大，各奇次谐波分量有减小的趋势。

3.2　工频预击穿电流的临界值

　　试验中，随着施加电压的升高，预击穿电流逐渐增大，直至引发间隙的击穿。击穿可能由预击穿电流的正峰值引发，见图4，也可由其负峰值引发，或者由两峰值同时引发。为了进一步探讨预击穿电流与击穿之间的关系，本文对击穿时刻附近的预击穿电流临界值进行了研究。临界值的确定方法，取与击穿时刻相邻周期内的预击穿电流的峰值，作为预击穿电流的临界值。
 

图3　预击穿电流各偶次谐波与α间的关系
 

图4　由预击穿电流引发的击穿

　　预击穿电流临界值与开距、击穿电压的关系见图5。由图可知，预击穿电流临界值的分布虽然有一定的分散性，但总体相对稳定。在开距d≤3.5 mm时，临界值的分布范围不随开距的变化而变，也不随击穿电压的变化而变。也就是说，小开距(d≤3.5 mm)真空间隙的击穿是由工频预击穿电流增大到一定临界值时引发的，与开距和电压无关(即与间隙的平均场强无关)，这可以作为小开距(d≤3.5 mm)真空间隙在工频电压作用下的击穿判据。
 

图5　预击穿电流临界值与开距、击穿电压的关系

　　对图5中的预击穿电流临界值(近百个点)进行统计分析，可得其分布图，如图6所示。由图5和图6可知，预击穿电流临界值的最大、最小值分别为10.21和0.39 mA，其中1～6 mA之间占90%以上。因此，对于本文所用试品(触头材料均为CuCr50)而言，预击穿电流的临界值基本处在mA级范围内，这个范围相对稳定。
 

图6　预击穿电流临界值的分布

4　结　论

　　a.工频预击穿电流存在电极效应，主要是由于两触头电极表面微观结构的不同造成的。电极效应的程度对间隙的击穿电压没有影响。预击穿电流频谱分析中各偶次谐波含量与极性度α密切相关。
　　b.只有当预击穿电流增大到一定临界值范围内时，才会导致小开距真空间隙的击穿，这可作为小开距真空间隙在工频电压作用下的击穿判据。对CuCr50触头材料，此电流临界值范围为mA数量级。

作者简介：王卫斌　1975年生，硕士，主要从事高电压技术及真空灭弧室绝缘特性方面的研究工作。

作者单位：王卫斌（西安交通大学，西安710049）
杨兰均（西安交通大学，西安710049）
冯允平（西安交通大学，西安710049）

参考文献

1，Latham R V. HV Vacuum Insulation: The physcial Basis, Academic Press, London, New York, Sydney, 1981
2，Ziomek W, Moscicka-Grzesiak H. Relation of breakdown voltage and prebreakdown microdischarge parameters in vacuum. IEEE Trans EI, 1993, 28(4):481
3，王卫斌等.真空灭弧室工频预击穿电流的测量.高压电器，1999，35(5)：8