真空灭弧室弧后击穿的讨论

真空断路器的开断能力是断路器设计中最重要的一个指标，也是诸多研究者关注的热点问题。通过前面对金属蒸气的计算和对鞘层发展的计算，可以发现金属蒸气的持续时间要远远长于鞘层的发展时间。一般而言，在鞘层的发展阶段暂态恢复电压的幅值处于较低水平。如果出现极端情况，弧隙间的等离子密度超过10¹⁹/m³，则很小的电压就可以导致弧隙发生重击穿现象，这也称作“热击穿”。这时电流已远远超过了断路器的开断极限，单纯讨论鞘层阶段的击穿问题无法了解和认识断路器的真正开断能力。真空断路器的开断能力更大程度是由金属蒸气扩散阶段的电压耐受能力决定的。在鞘层发展结束之后，弧隙间已经没有等离子体存在，但依然存在大量的金属蒸气，甚至灼热的触头继续向外释放金属蒸气，而因为金属蒸气扩散持续时间较长，暂态恢复电压有可能上升到峰值。此时，断路器能否开断成功就由弧隙间隙金属蒸气密度和恢复电压的幅值共同来决定。虽然，金属蒸气是一种较为特殊的介质，但是依然符合气体放电理论。研究者们经常使用所谓的Paschen曲线来描述气体介质的绝缘耐压能力。Paschen曲线是Townsend击穿理论的一个结果和推理。非自持放电向自持放电的转化条件经过简化可以得到

如果认为γ是一个常数，同时电极间的电场为均匀电场，那么经过变化可以得到击穿电压为

式中 A，B——常数，与气体介质相关；

P——气体压强（Pa）；

d——电极间隙（m）。

用Paschen曲线描述气体断路器是成功的，但是研究者却发现采用Paschen曲线描述真空断路器的开断极限并不总能获得满意的结果。Schade和Dullni也注意到了真空断路器与气体断路器的开断极限的区别。他们发现真空断路器金属蒸气的扩散阶段存在两种类型的击穿：立即击穿和延迟击穿，如图5-36所示。如果金属蒸气密度超过了临界值，在一定实验条件下为（n₀d）_critical=3×10¹⁹/m³，则真空灭弧室的耐压能力非常有限，只要有一个很小的电压就可能发生击穿，此时可以用Paschen曲线来描述击穿电压，并且击穿特性类似于气体断路器。但是，如果n₀d的值小于临界值则存在一个区域，如图5-36中阴影所示，在这个区域内击穿并不是确定发生的事件而是一个概率事件。如果n₀d的值接近于临界值则发生击穿的概率就大，反之则小。如果n₀d的值超出这个区域，击穿的特性就表现出真空击穿的特性，此时介质恢复过程已经完成，触头间隙击穿已经从气体击穿转变为真空击穿。

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图5-36 真空断路器开断极限示意图

延迟击穿才是真正的真空断路器的开断极限所在。具体造成延迟击穿的因素并不是特别清楚，但是可以肯定的是，延迟击穿与触头表面状态、触头温度以及电流过零之后的弧隙的金属蒸气密度是直接相关的。延迟击穿区域的击穿电压比Paschen曲线所描述的击穿电压要低，按照Townsend理论是无法完全解释的。Pas-chen曲线采用Pd-V_s描述气体介质的耐压能力，击穿电压除了和气体介质的性质相关外，同时还与气体的气压和电极的开距相关。我们注意到，该描述并未考虑到一些微观过程，例如微凸起导致的局部电场集中，而是假设了电极间存在一个均匀电场。从本实验中可以看到，大电流开断之后的表面因为电弧的烧蚀，存在严重的变形，不可避免地造成了触头表面的不平整，局部微凸起现象十分严重。此外，电流过零之后，电极电位出现了翻转，原来的阴极成为新阳极，原来阳极成为新阴极。大电流开断之后，阳极斑点的形成，极大地加剧了阳极触头表面的变形，而弧后弧前的阳极却正好成为发射电子的新阴极，这无疑会提高电子的发射概率，使得击穿电压降低。还可以从Richardson-Dushman方程来分析这个问题。方程中可能影响阴极表面发射的因素包括：电场E和场致增强系数β。阳极的烧蚀导致的触头表面的微凸起既会提高触头局部的电场E，同时也会提高场致增强系数β。这就意味着阴极发射出更多的电子导致更快形成雪崩过程，进而引起击穿。还应该注意到，方程中存在另一个变量温度T。由触头表面温度计算分析可知，大电流开断之后触头表面可能依然处于熔化的状态达几微秒，同时出现熔化状态不但可能蒸发出更多的金属蒸气，在暂态恢复电压的作用下还可能出现所谓的TaylorCone，在表面形成更大的凸起，这又加剧了触头局部电场的不均匀性。如果触头表面出现熔化的状态，从计算中可以获知，触头表面温度的下降可能非常缓慢，因为固化过程本身是一个不断放热的过程，这无疑阻碍了触头表面恢复到初始阶段。上述微观过程Townsend理论都未考虑，这些因素在密度较大的气体放电中并不重要，但是对于低密度气体放电问题就可能带来一些随机现象，延迟击穿可能就是在这些因素综合作用下出现的一种现象。

真空断路器提高开断能力的核心问题是控制触头表面温度。触头表面温度决定了金属蒸气量，也就间接的决定了断路器的开断能力。为了提高真空断路器的开断能力首先就必须保证在电流过零时刻的触头表面的温度足够低。Slade认为如果要可靠地开断一个电流，就必须保证电流过零之前的1～2ms内电弧已经从集聚态回归到扩散态，这样才能够给予触头充分的时间从灼热的状态冷却。同时纵向磁场和横向磁场电弧控制技术也对成功开断非常关键，这两种技术都保证了电弧能均匀的烧蚀触头表面，不至于造成局部过热的状况。所以弧后的介质恢复过程从某种程度上说是弧前电弧燃烧过程的一个结果，对于特定触头直径的真空灭弧室，想要控制或者优化弧后介质恢复过程，就是要控制燃弧期间触头能量的注入。

本节针对真空电弧弧后介质恢复过程中的金属蒸气扩散阶段的电压击穿问题采用PIC-MCC方法进行了仿真，仿真中考虑了阴极表面的电子发射以及因为重离子轰击所造成的二次电子发射，同时考虑了电子与金属蒸气的弹性碰撞、电离碰撞和激发碰撞等因素所造成的电子雪崩过程。通过此方法分析了不同金属蒸气密度条件下，电子和离子的分布状态以及能量分布，进而获得金属蒸气击穿的完整演化过程。本节的内容可以总结如下：

1）通过仿真分析，定量地描述了直流电压作用下，弧后金属蒸气的击穿过程，给出了击穿过程中电子和离子的分布状态，以及电子和离子的能量分布演化过程。电子密度峰值开始从阴极逐渐向阳极移动，最后峰值基本保持稳定，并又从阳极向阴极移动。电子能量分布随着放电过程的发展而逐渐趋于能量较小的范围，离子能量分布在整个过程中基本保持不变。

2）电压对击穿有着重要的影响。相同的金属蒸气密度条件下，所施加的电压幅值越高，则击穿的概率越大。如果电压幅值低于临界值，则放电过程无法进行。非自持放电向自持放电转换，必须保证所施加的电压高于临界值。

3）给出金属蒸气密度与击穿电压之间的定量关系。结果表明金属蒸气密度对击穿有决定性的影响。击穿电压随着金属蒸气密度的降低而升高，当金属蒸气密度低于临界值时，即使电压升高，也无法获得击穿电压。

4）结合延迟击穿现象，分析得出断路器的开断能力应该是由触头表面温度，表面状态以及金属蒸气密度共同决定的结果，无法单纯地使用Townsend理论解释延迟击穿现象，必须将诸多随机过程共同考虑才能获得合理的解释。同时，提高真空断路器开断能力的关键在于控制燃弧阶段的触头表面的能量注入和表面温度。只有在电流过零时保证触头表面温度足够低，才能保证开断的成功。