1.真空中的绝缘强度与真空电弧
1)真空的绝缘
当对在真空中的一对电极加上电压时,在达到一定电压时也会产生击穿,这种情况下的击穿叫做真空击穿。真空击穿的性质与其他介质的电击穿有很大不同,由于在高真空下气体分子密度很小,游离的带电粒子受电场加速与气体分子发生碰撞的概率很小,电子的平均自由程远大于真空容器的几何尺寸,在10-2Pa真空中,电子的平均自由程达2.8m,因此,不可能由电子与气体分���碰撞电离而引起真空击穿现象。
真空中的击穿现象往往可以由场致发射和爆炸发射机理来解释。在场致发射机理下,理论上,当加到电极间隙上的电场达到l07V/crm时就会引起击穿,即引起显著的场致发射。但实际上,考虑到电极表面的微观凹凸不平、电极材料中的杂质及电极形状等影响,真空的击穿强度要比理论值低1-2个数量级。
另外,在10-2Pa以下的低真空状态,击穿电压与真空度关系密切,而到了10-2Pa(10-4乇)以上的高真空,击穿电压就与真空度关系不大了。由于真空开关管内正常真空度均优于10-2Pa,所以真空度一般不影响耐压。
2)真空电弧
真空电弧与高压气体电弧是完全不同的两种电弧。在真空环境下,气体非常稀薄,在1.33xl0-2,Pa的真空度下,相同体积中所含气体分子数仅为标准大气压下的千万分之一,因此,在这种稀薄的气体中,即使在电极间的间隙中存在有电子,它们从一个电极飞向另一个电极时,也几乎没有机会与气体分子碰撞而产生击穿。
因此,在真空开关管中的电弧不再是依靠电子与气体分子或原子碰撞产生的,而是由触头蒸发的金属蒸气来维持的,其过程是:当触头行将分离前,触头上原先施加的接触压力开始减弱,动触头与定触头之间的接触电阻开始增大,流过触头的负荷电流的发热量增加。在触头刚要分离的瞬间,动触头与定触头之间仅靠一些表面毛刺(尖峰)接触,此时负荷电流将密集收缩到这些尖峰上,接触电阻急剧增大,电流密度急速增加,导致发热温度迅速提高,致使触头表面金属产生蒸发。与此同时,在触头刚分离时,触头间的距离还十分微小,产生了极高的电场强度,引起强烈的场致发射,发射电子与金属蒸气中的原子碰撞,又引起电离和激发,*终导致触头之间间隙击穿,形成电弧,这种电弧就称为真空电弧。
真空电弧一旦形成,就会出现电流密度在l04A/cm:以上的阴极斑点,使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发,以维持真空电弧。在电弧熄灭后,电极之间与电极周围的金属蒸气迅速扩散,密度迅速下降直到零,触头问恢复高真空绝缘状态。
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