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真空知識(shí)

一、真空的基本概念

真空技術(shù)中,“真空”泛指在給定的空間內(nèi),氣體壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài),也就是說(shuō),同正常的大氣壓相比,是較為稀薄的一種氣體狀態(tài)。

真空度是對(duì)氣體稀薄程度的一種客觀量度。根據(jù)真空技術(shù)的理論,真空度的高低通常都用氣體的壓強(qiáng)來(lái)表示。在國(guó)際單位制中,壓強(qiáng)是以帕(Pa)為單位1Pa=1N/m2。另外常用的單位還有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、毫巴 (mbar)、工程大氣壓(公斤/厘米2)等。

真空區(qū)域的劃分沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定,我國(guó)通常是這樣劃分的:

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

極高真空:10-12托

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

真空區(qū)域的特點(diǎn)不同其應(yīng)用也不同,例如吸塵器工作于粗真空區(qū)域,暖瓶、燈泡等工作于低真空區(qū)域,而真空開關(guān)管和其它一些電真空器件則是工作在高真空區(qū)域。

二、真空間隙的絕緣特性

真空中放置一對(duì)電極,加上高壓時(shí),在一定的電壓下也會(huì)產(chǎn)生電極之間的電擊穿。它的擊穿與空氣中的電擊穿有很大不同?諝庵械膿舸┦怯捎跉怏w中的少量自由電子在電場(chǎng)作用下高速度運(yùn)動(dòng),與氣體分子碰撞產(chǎn)生較多的電子和離子,新生的電子和離子又同中性原子碰撞,產(chǎn)生更多的電子和離子。這種雪崩式的電離過(guò)程,在電極間形成了放電通道,產(chǎn)生了電弧。而真空中,由于壓強(qiáng)較低,氣體分子極少,在這樣的環(huán)境中,即使電極間隙中存在著電子,它們從一個(gè)電極飛向另一個(gè)電極時(shí),也很少有機(jī)會(huì)與氣體分子碰撞。因而不可能有電子和氣體分子碰撞造成雪崩式的電擊穿。正是因?yàn)闅怏w分子十分稀少,真空間隙電擊穿需要在非常高的電壓下出現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)射等其它現(xiàn)象時(shí)才有可能形成。從理論上推測(cè),電場(chǎng)強(qiáng)度需達(dá)到108V/cm以上時(shí)才會(huì)造成電擊穿,實(shí)際上真空間隙的絕緣強(qiáng)度由于一系列不利因素例如電極表面粗糙度、潔凈度等的影響,將低于理論計(jì)算值幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

真空滅弧室中的真空度很高,一般為10-3~10-6 帕,此時(shí)真空間隙的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1 個(gè)大氣壓的空氣和SF6 的絕緣強(qiáng)度,比變壓器油的絕緣強(qiáng)度還要高。正因?yàn)檎婵盏慕^緣強(qiáng)度很高,真空滅弧室中的所有電氣間隙都可以做得很小。例如12kV 真空滅弧室的觸頭開距只有8~12mm,40.5kV 真空滅弧室的觸頭開距也只要18~25mm,真空滅弧室中的其它電氣間隙也在此尺度范圍。

三、影響真空絕緣水平的主要因素

真空絕緣是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過(guò)程,其機(jī)理到目前為止仍沒(méi)有明確的結(jié)論。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,主要有以下幾個(gè)方面:

1、電極的幾何形狀

電極的幾何形狀對(duì)電場(chǎng)的分布有很大的影響,往往由于幾何形狀不夠恰當(dāng),引起電場(chǎng)在局部過(guò)于集中而導(dǎo)致?lián)舸,這一點(diǎn)在高電壓的真空產(chǎn)品中尤其突出。

電極邊緣的曲率半徑大小是重要因素。一般來(lái)說(shuō),曲率半徑大的電極承受擊穿電壓的能力比曲率半徑小的大。

此外,擊穿電壓還和電極面積的大小成反比,即隨著電極面積的增大而有所降低。面積增大導(dǎo)致耐壓降低的原因主要是放電概率增加。

2、間隙距離

真空的擊穿電壓與間隙距離有著比較明確的關(guān)系。試驗(yàn)表明,當(dāng)間隙距離較小時(shí)(≤5mm),擊穿電壓隨著間隙距離的增加而線性增長(zhǎng),但隨著間隙距離的進(jìn)一步增加,擊穿電壓的增長(zhǎng)減緩,即真空間隙發(fā)生擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著間隙距離的增加而減小。當(dāng)間隙達(dá)到一定的長(zhǎng)度后(≥20mm),單靠增加間隙距離提高耐壓水平已經(jīng)十分困難,這時(shí)采用多斷口反而比單斷口有利。

一般認(rèn)為短間隙下的電擊穿主要是場(chǎng)致發(fā)射引起的,而長(zhǎng)間隙下的的電擊穿則主要是微粒效應(yīng)所致。

3、電極材料

真空開關(guān)工作在10-2Pa以上的高真空,由于此時(shí)氣體分子十分稀少,氣體分子的碰撞游離對(duì)擊穿已經(jīng)不起作用,因此擊穿電壓表現(xiàn)出和電極材料有較強(qiáng)的相關(guān)性。

真空間隙的擊穿電壓隨著電極材料的不同而不同,研究者發(fā)現(xiàn)擊穿電壓和材料的硬度與機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),硬度和機(jī)械強(qiáng)度較高的材料,往往有較高的絕緣強(qiáng)度。比如,鋼電極在淬火后硬度提高,其擊穿電壓較淬火前可提高80%。

此外,擊穿電壓還和陰極材料的物理常數(shù)如熔點(diǎn)、比熱和密度等正相關(guān),即熔點(diǎn)較高的材料其擊穿電壓也較高。對(duì)比熱和密度而言亦然。這一問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是在相同熱能的作用下,材料發(fā)生熔化的概率越大,則擊穿電壓越低。

4、真空度

圖一顯示了間隙擊穿電壓和氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系。由圖可以看到真空度高于10-2Pa(10-4托)時(shí),擊穿電壓基本上不再隨著氣體壓力的下降而增大,因?yàn)闅怏w分子碰撞游離現(xiàn)象已不再起作用。當(dāng)氣體壓力從l0-2Pa逐步升高時(shí)(真空度下降),擊穿強(qiáng)度逐漸下降,而在接近1托(102Pa左右)最低,以后又隨氣壓的增高而增高。從曲線上可以看出真空度高于10-2Pa時(shí)其耐壓強(qiáng)度基本上保持不變。這就表明,真空滅弧室的真空度在10-2Pa以上時(shí)完全能夠滿足正常的使用需求。

5、電極的表面狀況

電極的表面狀況對(duì)真空間隙的擊穿電壓影響較大。電極表面的氧化物、雜質(zhì)和金屬微粒都會(huì)使真空間隙的擊穿電壓明顯下降。

此外,無(wú)論真空滅弧室的電極表面在制造中加工得如何,大電流開斷均會(huì)使電極表面變得凸凹不平,這也將使得擊穿電壓降低。

6、老煉效應(yīng)

電極老煉有電壓老煉和電流老煉兩種。

一個(gè)新的真空間隙進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),最初幾次的擊穿電壓往往較低。隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加擊穿電壓也逐漸增大,最后會(huì)穩(wěn)定在某一數(shù)值上。這種擊穿電壓隨擊穿次數(shù)增大的現(xiàn)象就是電壓老煉的作用。

電壓老煉就是通過(guò)放電消除電極表面的微觀凸起、雜質(zhì)和缺陷。經(jīng)過(guò)小電流的放電使表面的微觀凸起點(diǎn)燒熔、蒸發(fā),使電極表面光滑平整,局部電場(chǎng)的增強(qiáng)效應(yīng)減小,提高了擊穿電壓。老煉對(duì)電極表面的純化作用也是很重要的。由于電極表面的電子發(fā)射容易出現(xiàn)在逸出功較低的雜質(zhì)所在處,擊穿放電同樣能使雜質(zhì)熔化和揮發(fā),同樣能提高間隙的擊穿電壓。老煉過(guò)程中若能同時(shí)抽氣,把蒸發(fā)的氣態(tài)物抽走,效果更佳。電壓老煉只適宜用在真空間隙擊穿電壓的提高,對(duì)真空滅弧室觸頭間隙擊穿電壓的提高不會(huì)有太大的效果。電弧對(duì)觸頭表面的燒損將使電壓老練的效果全部失效。

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