10kV真空断路器的应用原理分析

摘 要 真空断路器是利用真空作为绝缘与灭弧介质的断路器。凡是绝对压力低于正常大气压的状态都可以称为真空状态。绝对压力等于零的空间称为绝对真空，这才是真正的真空，或理想的真空。在这样的真空条件下，间隙的绝缘强度是很高的，电弧很容易熄灭，所以真空断路器的灭弧能力很强，介质强度很高。

关键词 10 kV；真空断路器；操动机构；原理

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0028-02

1 真空绝缘与击穿

真空断路器使用安全且维护简单。因为触头与灭弧室结构都密封在陶瓷容积内，灭弧过程与外界条件无关，既不受污秽条件影响也不会污染外界。

理想真空间隙指的是电极表面理想、光滑的高真空度的间隙，也就是不考虑电极表面微观凹凸变形的影响。这种高真空间隙，气体分子的自有行程相对较大，发生相互碰撞的机率很小，因此，碰撞游离现象基本上不起重要作用，这就是真空间隙有很高的绝缘强度的原因。

气体间隙的击穿电压随压力的变化如图1可见，在以上的真空度，击穿电压不再随压力的下降而增大，这使得击穿强度决定于其他条件。考虑到灭弧室结构上可能的微量漏气以及材料可能含有气体杂质，在运行中会慢慢析出，这些因素会使灭弧室内的压力逐渐上升，要保证灭弧室足够长的工作寿命，则要求制造厂将真空度保证在10-5Pa以上。

1）场发射击穿的机理。金属表面在足够强的电场作用下，会产生电子发射。如果只考虑电场的作用，要产生比较显著的场发射电流，电场强度必须在109V/m以上。实际结构中电场值比估计值低得多，主要原因是：①表面微观不平；②表面局部发热；③材料中含有杂质；④微粒引起击穿的机要。

2）真空间隙中，电极表面总会有一些微质点存在，当运动撞击到对方的电极上时，就会引起局部加热、气化，发展以至击穿。

2 真空绝缘的老炼作用

老炼是消除电极表面的微观凸起，缺陷和杂质的过程。新电极表面总是存在许多缺陷，经过小电流放电，凸起的小微粒被烧熔、蒸发，使电极表面平整，令局部电场增强效应减少，击穿电压得以提高。

老炼对电极表层材料的纯化作用也是非常重要的，由于表面发射常出现在杂质所在处或界面上，击穿微微放电将杂质烧熔，使它气化挥发。

2.1 真空中电弧的形成与熄灭

真空中的电弧，主要在于维持燃弧的介质是金属蒸汽而不是气体分子，真空电弧实为金属蒸汽中的电弧。金属蒸汽主要来自触头电极的蒸发，因此电极的材料特性对真空电弧的性质起决定作用。

2.2 阴极现象

在小电流条件下，是由阴极起决定性的作用，这时阴极还没有出现高温的密集区“斑点”。

从阴极上许多高温的阴极斑点上发射出金属蒸汽、电子、离子，提供弧柱区导电的基本粒子。通常一个肉眼观察到的小亮点可能包含几十个斑点的集合。这些斑点或斑点集合在阴极表面无规则的游动，而且遍布阴极表面如图2所见。

2.3 阳极现象

对于小电流真空电弧，阳极只是接受来自阴极的粒子流，维持电路电流平衡。阳极温度低，接受能量小，对整个电弧没有大的影响。在大电流时，从外部特性看，电弧电压增大，阳极附近电压降增大，阳极表面逐渐形成高温的阳极斑点。在电流更大时，阳极区电场剧增，中性分子大量游离，形成高温、集聚的阳极斑点。

阳极斑点的出现标志着弧后介质恢复条件的恶化，严重时就会使开断失败，这是限制真空开关开断能力的决定性的因素。

3 断路器的结构和工作原理

真空断路器的型号比较复杂，按使用条件可分为户内和户外断路器两种型号。断路器的主要组成部分为：框架、灭弧室和操动机构三部分。

下面以ZN65A-EP-12型户内真空断路器为例，说明其结构特点与工作原理。

3.1 断路器结构（如图3）

3.2 操动机构

此断路器可电动储能、合分闸，也可手动储能、合分闸。操动机构由合闸机构、分闸机构、主轴、合闸簧、分闸簧、合分闸线圈、储能机构、辅助开关等组成。

3.3 对操动机构的要求

断路器的作用主要体现在触头的分、合动作上，而此动作又是通过操动机构来实现的。因此，操动机构对于断路器的可靠性起着极为重要的作用。

3.3.1 合闸

在合闸过程中，合闸指令持续时间短，且操动机构的操作力只在短时间内提供，故断路器中应有保持合闸的部分。

以图3中所示为例，合闸电磁铁接到合闸指令后，铁心顶杆向上运动，通过连杆带动主轴旋转，主轴带动连接真空管的的拐臂运动，合闸结束后，主轴上的轴承托住分闸机构下方的挚子，从而使断路器仍能保持在合闸位置。

3.3.2 分闸

分闸电磁铁的到分闸指令后，铁心向上运动，推动分闸机构中的弯板使分闸挚子转动，保持合闸状态的挚子与轴承分开，主轴在分闸簧的带动下旋转，并带动与真空管相连的拐臂运动，完成分闸动作。

3.3.3 防跳

防跳顾名思义就是防止跳跃合闸，当控制开关未复归，或者控制开关接点和自动装置的接点卡住时，当合闸到故障点，保护动作跳闸，此时就可能发生多次跳合闸现象。为了避免这种现象的发生，在跳闸回路接入防跳继电器，当开关跳闸时，防跳继电器的电流线圈通电，使接在防跳继电器的电压线圈回路的常开点闭合，在控制开关没有断开的情况下，串在合闸回路的防跳继电器的常闭点处在断开位置，断开了合闸回路。这样就有效的避免了跳合现象的发生。只有在合闸脉冲消失后，防跳继电器的电压线圈断电后，接线才能恢复到原来状态。

3.3.4 连锁

为保证操动机构的可靠性，很多用户要求操动机构装有连锁装置。目前较为常用的连锁是分合闸位置连锁，此连锁保证断路器在合闸位置时，操动机构不能进行合闸操作；断路器在分闸位置时，机构不能分闸。

4 结束语

本文介绍了10 kV真空断路器的应用原理，并介绍了真空灭弧室的绝缘与老炼，断路器操动机构各部分的功能，同时对真空灭弧的形成从原理上做出了分析。

参考文献

[1]张节容，等.高压电器原理和应用[M].清华大学出版社，1989.

[2]马志瀛，开关保护设备《电气工程师手册》第3版编委会，王建华.电气工程师手册第3版[M].北京：机械工业出版

社，2006.