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2019年05月16日

真空基礎知識

一、真空的基本概念

真空技術中,“真空”泛指在給定的空間內,氣體壓強低于一個大氣壓的氣體狀態,也就是說,同正常的大氣壓相比,是較為稀薄的一種氣體狀態。

真空度是對氣體稀薄程度的一種客觀量度。根據真空技術的理論,真空度的高低通常都用氣體的壓強來表示。在國際單位制中,壓強是以帕(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。

真空區域的劃分沒有統一規定,我國通常是這樣劃分的:

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

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

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

二、真空間隙的絕緣特性

真空中放置一對電極,加上高壓時,在一定的電壓下也會產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。空氣中的擊穿是由于氣體中的少量自由電子在電場作用下高速度運動,與氣體分子碰撞產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,產生更多的電子和離子。這種雪崩式的電離過程,在電極間形成了放電通道,產生了電弧。而真空中,由于壓強較低,氣體分子極少,在這樣的環境中,即使電極間隙中存在著電子,它們從一個電極飛向另一個電極時,也很少有機會與氣體分子碰撞。因而不可能有電子和氣體分子碰撞造成雪崩式的電擊穿。正是因為氣體分子十分稀少,真空間隙電擊穿需要在非常高的電壓下出現場致發射等其它現象時才有可能形成。從理論上推測,電場強度需達到108V/cm以上時才會造成電擊穿,實際上真空間隙的絕緣強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,將低于理論計算值幾個數量級。 

真空滅弧室中的真空度很高,一般為10-3~10-6 帕,此時真空間隙的絕緣強度遠遠高于1 個大氣壓的空氣和SF6 的絕緣強度,比變壓器油的絕緣強度還要高。正因為真空的絕緣強度很高,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

真空絕緣是一個十分復雜的物理過程,其機理到目前為止仍沒有明確的結論。從實際應用情況來看,主要有以下幾個方面:

1、電極的幾何形狀

電極的幾何形狀對電場的分布有很大的影響,往往由于幾何形狀不夠恰當,引起電場在局部過于集中而導致擊穿,這一點在高電壓的真空產品中尤其突出。

電極邊緣的曲率半徑大小是重要因素。一般來說,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系。試驗表明,當間隙距離較小時(≤5mm),擊穿電壓隨著間隙距離的增加而線性增長,但隨著間隙距離的進一步增加,擊穿電壓的增長減緩,即真空間隙發生擊穿的電場強度隨著間隙距離的增加而減小。當間隙達到一定的長度后(≥20mm),單靠增加間隙距離提高耐壓水平已經十分困難,這時采用多斷口反而比單斷口有利。

一般認為短間隙下的電擊穿主要是場致發射引起的,而長間隙下的的電擊穿則主要是微粒效應所致。

3、電極材料

真空開關工作在10-2Pa以上的高真空,由于此時氣體分子十分稀少,氣體分子的碰撞游離對擊穿已經不起作用,因此擊穿電壓表現出和電極材料有較強的相關性。

真空間隙的擊穿電壓隨著電極材料的不同而不同,研究者發現擊穿電壓和材料的硬度與機械強度有關。一般來說,硬度和機械強度較高的材料,往往有較高的絕緣強度。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如熔點、比熱和密度等正相關,即熔點較高的材料其擊穿電壓也較高。對比熱和密度而言亦然。這一問題的實質是在相同熱能的作用下,材料發生熔化的概率越大,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之間的關系。由圖可以看到真空度高于10-2Pa(10-4托)時,擊穿電壓基本上不再隨著氣體壓力的下降而增大,因為氣體分子碰撞游離現象已不再起作用。當氣體壓力從l0-2Pa逐步升高時(真空度下降),擊穿強度逐漸下降,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時其耐壓強度基本上保持不變。這就表明,真空滅弧室的真空度在10-2Pa以上時完全能夠滿足正常的使用需求。


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