真空的绝缘性能(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:鬼马

  一、真空的基本概念

  真空技术中,“真空”泛指在给定的空间内,气体压强低于一个大气压的气体状态,也就是说,同正常的大气压相比,是较为稀薄的一种气体状态。

   真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。根据真空技术的理论,真空度的高低通常都用气体的压强来表示。在国际单位制中,压强是以帕(Pa)为单位1Pa=1N/m2。另外常用的单位还有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、毫巴 (mbar)、工程大气压(公斤/厘米2)等。

     真空区域的划分没有统一规定,我国通常是这样划分的:

     粗真空:(760~10)托


     低真空:(10~10-3)托


     高真空:(10-3~10-8)托


     超高真空:(10-8~10-12)托


     极高真空:10-12


  托和帕的关系:1 托=1 毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa,1 帕=7.5×10-3 托。


  真空区域的特点不同其应用也不同,例如吸尘器工作于粗真空区域,暖瓶、灯泡等工作于低真空区域,而真空开关管和其它一些电真空器件则是工作在高真空区域。

二、真空间隙的绝缘特性

  真空中放置一对电极,加上高压时,在一定的电压下也会产生电极之间的电击穿。它的击穿与空气中的电击穿有很大不同。空气中的击穿是由于气体中的少量自由电子在电场作用下高速度运动,与气体分子碰撞产生较多的电子和离子,新生的电子和离子又同中性原子碰撞,产生更多的电子和离子。这种雪崩式的电离过程,在电极间形成了放电通道,产生了电弧。而真空中,由于压强较低,气体分子极少,在这样的环境中,即使电极间隙中存在着电子,它们从一个电极飞向另一个电极时,也很少有机会与气体分子碰撞。因而不可能有电子和气体分子碰撞造成雪崩式的电击穿。正是因为气体分子十分稀少,真空间隙电击穿需要在非常高的电压下出现场致发射等其它现象时才有可能形成。从理论上推测,电场强度需达到108V/cm以上时才会造成电击穿,实际上真空间隙的绝缘强度由于一系列不利因素例如电极表面粗糙度、洁净度等的影响,将低于理论计算值几个数量级。


  真空灭弧室中的真空度很高,一般为10-3~10-6 帕,此时真空间隙的绝缘强度远远高于1 个大气压的空气和SF6 的绝缘强度,比变压器油的绝缘强度还要高。正因为真空的绝缘强度很高,真空灭弧室中的所有电气间隙都可以做得很小。例如12kV 真空灭弧室的触头开距只有8~12mm,40.5kV 真空灭弧室的触头开距也只要18~25mm,真空灭弧室中的其它电气间隙也在此尺度范围。


三、影响真空绝缘水平的主要因素


  真空绝缘是一个十分复杂的物理过程,其机理到目前为止仍没有明确的结论。从实际应用情况来看,主要有以下几个方面:


1、电极的几何形状


  电极的几何形状对电场的分布有很大的影响,往往由于几何形状不够恰当,引起电场在局部过于集中而导致击穿,这一点在高电压的真空产品中尤其突出。

  电极边缘的曲率半径大小是重要因素。一般来说,曲率半径大的电极承受击穿电压的能力比曲率半径小的大。

  此外,击穿电压还和电极面积的大小成反比,即随着电极面积的增大而有所降低。面积增大导致耐压降低的原因主要是放电概率增加。

2、间隙距离

  真空的击穿电压与间隙距离有着比较明确的关系。试验表明,当间隙距离较小时(≤5mm),击穿电压随着间隙距离的增加而线性增长,但随着间隙距离的进一步增加,击穿电压的增长减缓,即真空间隙发生击穿的电场强度随着间隙距离的增加而减小。当间隙达到一定的长度后(≥20mm),单靠增加间隙距离提高耐压水平已经十分困难,这时采用多断口反而比单断口有利。

    一般认为短间隙下的电击穿主要是场致发射引起的,而长间隙下的的电击穿则主要是微粒效应所致。

3、电极材料

  真空开关工作在10-2Pa以上的高真空,由于此时气体分子十分稀少,气体分子的碰撞游离对击穿已经不起作用,因此击穿电压表现出和电极材料有较强的相关性。

  真空间隙的击穿电压随着电极材料的不同而不同,研究者发现击穿电压和材料的硬度与机械强度有关。一般来说,硬度和机械强度较高的材料,往往有较高的绝缘强度。比如,钢电极在淬火后硬度提高,其击穿电压较淬火前可提高80%。

  此外,击穿电压还和阴极材料的物理常数如熔点、比热和密度等正相关,即熔点较高的材料其击穿电压也较高。对比热和密度而言亦然。这一问题的实质是在相同热能的作用下,材料发生熔化的概率越大,则击穿电压越低。

4、真空度


  图一显示了间隙击穿电压和气体压强之间的关系。由图可以看到真空度高于10-2Pa(10-4托)时,击穿电压基本上不再随着气体压力的下降而增大,因为气体分子碰撞游离现象已不再起作用。当气体压力从l0-2Pa逐步升高时(真空度下降),击穿强度逐渐下降,而在接近1托(102Pa左右)最低,以后又随气压的增高而增高。从曲线上可以看出真空度高于10-2Pa时其耐压强度基本上保持不变。这就表明,真空灭弧室的真空度在10-2Pa以上时完全能够满足正常的使用需求。

5、电极的表面状况


  电极的表面状况对真空间隙的击穿电压影响较大。电极表面的氧化物、杂质和金属微粒都会使真空间隙的击穿电压明显下降。


  此外,无论真空灭弧室的电极表面在制造中加工得如何,大电流开断均会使电极表面变得凸凹不平,这也将使得击穿电压降低。

6、老炼效应

  电极老炼有电压老炼和电流老炼两种。

  一个新的真空间隙进行试验时,最初几次的击穿电压往往较低。随着试验次数的增加击穿电压也逐渐增大,最后会稳定在某一数值上。这种击穿电压随击穿次数增大的现象就是电压老炼的作用。

  电压老炼就是通过放电消除电极表面的微观凸起、杂质和缺陷。经过小电流的放电使表面的微观凸起点烧熔、蒸发,使电极表面光滑平整,局部电场的增强效应减小,提高了击穿电压。老炼对电极表面的纯化作用也是很重要的。由于电极表面的电子发射容易出现在逸出功较低的杂质所在处,击穿放电同样能使杂质熔化和挥发,同样能提高间隙的击穿电压。老炼过程中若能同时抽气,把蒸发的气态物抽走,效果更佳。电压老炼只适宜用在真空间隙击穿电压的提高,对真空灭弧室触头间隙击穿电压的提高不会有太大的效果。电弧对触头表面的烧损将使电压老练的效果全部失效。

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