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弧后真空间隙介质强度恢复的现象与分析方法

 
弧后真空间隙介质强度恢复的现象与分析方法
4.1.1 一般现象
在真空间隙(主要是指真空灭弧室电极间的间隙)燃弧时,电弧将电极加热,被加热的电极反过来有蒸发出大量的金属(触头材料)蒸汽以维持电弧的继续燃烧。在燃弧时间隙中存在有金属蒸汽、电子、离子和金属液滴等。在正弦电弧电流接近自然过零点时,由于电流较小,使电弧在正常的电弧电压下不能在电极上蒸发出足够的金属蒸汽来维持电弧的燃烧。此时电弧趋于熄灭,并在外电路的作用下电弧电压开始上升。电弧电压的上升使输入弧隙的能量增大。这样又可增加输入触头的能量使触头蒸发出较多的蒸汽。因而电弧又正常燃烧,电弧电压又开始下降。如此反复就出现了电弧的不稳定,直到电弧突然熄灭(即截流)。
刚刚熄灭电弧的真空间隙,虽然电流已经被开断和电子发射已经停止(没有恢复电压的情况下),但扔存在一定量的残余离子、电子和中性粒子,它们需经过一定的时间才能扩散出真空间隙。在大电流时,这些残余物由于量大喝电极温度较高而需更长的扩散时间。电弧电流过零后随着残余离子、电子和中心粒子不断地扩散,间隙就开始建立承受电压的能力,承受电压大小主要取决于残余物的扩散情况。此时间隙的介质强度随时间的变化规律为燃弧后真空间隙的固有介质恢复特性。实际的真空间隙在电弧熄灭后悔立即出现恢复电压,其中的残余物会受恢复电压的影响而和固有恢复过程的扩散有区别,因此介质恢复特性也有所不同。此时的恢复特性为实际恢复特性。
图4-1中所示的为在电弧熄灭后一定时间给真空间隙施加以脉冲电压而得到的不同材料间隙的恢复特性。该特性测量时电弧电流是较小的直流电流,电弧的熄灭是用加以反向脉冲电流是直流截断的方法实现的。图中a、b、c、d的电极材料分别为银、铜、铍和铁,电极的直径为50mm,间隙距离为2.3mm。很明显,介质强度恢复特性与触头材料的性质有关。小的相对原子直流的材料可以加速介质恢复,这是因为在同一温度下小的相对原子直流的原子有较大的速度,但相对原子直流不是恢复过程的唯一决定因素。另外,高的初始恢复速度和醉倒达到完全恢复时的击穿电压(即最终的介质强度)之间没有必然的联系,这可由铍电极和铁电极间隙恢复特性看出。由图还可以看出,有些情况下间隙最终达到的介质强度小于初始恢复达到的介质强度,这种现象被称为“高地”(Pleteau)现象。
真空电弧熄灭后介质的恢复特性
为了对真空间隙介质强度恢复特性性能进行简明的描述,可选介质强度恢复至最终介质强度一定百分值的时间为介质恢复时间,简称恢复时间。表4-1给出了银触头真空间隙的恢复时间与电流的关系。表4-2给出了不同触头直径和间隙距离下银电极的恢复时间。图4-2为不同电流下同电极恢复时间,该恢复时间测量中所使用电流波形近似地为一矩形。
燃弧时间对介质恢复过程也有影响。在同一电流下,燃弧时间越长则需要回复时间也越长。由于电极热传导的作用,如果电流较小且燃弧时间大于一定值时,再增加燃弧时间对恢复时间无明显影响。
银电极在不同触头直径和间隙距离下的恢复时间
燃弧时间对介质恢复过程也有影响。在同一电流下,燃弧时间越长则需要的恢复时间也越长。由于电极热传导的作用,如果电流较小且燃弧时间大于一定值时,再增加燃弧时间对恢复时间无明显影响。
此外,电弧熄灭后真空间隙承受正极性或负极性电压(相对于电弧电压的极性)的能力是不同的。Zalucki等测得对于低熔点金属隔、铝和铜,负极性击穿电压比正极性击穿电压高约10%~20%。实际上,在真空电话燃弧期间阴极斑点使阴极表面变得粗糙,而阳极则由于加热比较均匀(特别对较低熔点的触头材料)而显得光滑。这样,正极性电压对应着粗糙的阴极而负极性电压对应着较光滑的阳极。负极性时阴极表面的电场增强系数由于阴极表面光滑而较小,故击穿电压有较大的提高。
铜电极介质恢复时间与燃弧电流的关系
对真空间隙介质恢复现行进行研究的目的就是要了解介质恢复过程的规律,为设计出具有高的起始恢复速度和最终介质强度的真空灭弧室提供理论根据,提高真空开关的开断容量。

4.1.2 分析方法
1.恢复特性的测量
⑴ 调节恢复电压频率的振荡回路
⑵ 单脉冲介质恢复特性测量线路
⑶ 多脉冲介质强度恢复特性测量线路
2.理论分析



 
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