[发明专利]一种高电压真空开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空开关，尤其是涉及一种高电压真空开关。

背景技术

目前电力系统内的高电压开关主要有六氟化硫(SF₆)开关和真空开关两种。六氟化硫开关内的介质是六氟化硫气体，这种开关内的电弧是六氟化硫气体中的电弧；真空开关内部是气压低于1.33×10^-2Pa的高真空，真空开关中的电弧实质上是电极材料的金属蒸汽中的电弧。这两种开关各有优缺点。

SF₆开关的优点是：由于六氟化硫气体优异的热化学性能和极强的电负性，所以它具有非常好的灭弧性能与绝缘性能，这就使得六氟化硫开关在110kV以上的高电压开关中占据绝对的优势；但它有一个重大缺点：六氟化硫气体是一种具有强温室气体效应的气体，它的地球温暖化效应系数Global Warming Potential是二氧化碳气体的24900倍，且其分子结构非常稳定，其寿命长达3200年。全世界SF₆的产量主要用于高电压开关和其他输变电设备中，在电力设备的制造和电力设备的运行中，不可避免地会泄露出大量的SF₆气体，所以《京都议定书》规定2030年将禁止使用SF₆气体。因此研发具有环保型的、替代六氟化硫开关的新型高电压开关是一件迫切的任务。

真空开关的优点是灭弧能力强，特别是制造和运行无污染，属于环境友好型的开关；其缺点是两个电极之间不能承受高电压，这一缺点使其通常只能用于110kV电压等级以下的开关中。这一缺点是由于其击穿电压随电极间距离的增大呈现出饱和的特性，所以无法靠提高极间距的方法来有效地提高击穿电压。

为了替代110kV及以上电压等级的SF₆开关，世界各国的科技人员进行了长期的多方面的研究工作。例如：试图寻找具有环保型的其它介质来替代SF₆介质，但至今还未找到比SF₆气体更好的介质；试图研究进一步提高真空开关电极间击穿电压的措施，如提高电极表面的光洁度，采用不同的电极材料等等，但都没有得到期望的结果。

开关的两个电极断开时，若某一时刻阴极表面的电场强度超过某一阈值，就会由于场致发射而发射出电子，电子在电极间做加速运动，具有很高能量的电子撞击阳极就会轰击出正离子和金属蒸汽，这之后就会发生两个过程：第一个过程是后续的电子就会与金属蒸汽中的金属原子发生雪崩式的碰撞电离，电离出的大量电子和正离子就在阳极附近形成了电弧等离子体；第二个过程是从阳极表面轰击出的正离子在强电场作用下加速运动，撞击阴极并轰击出电子和金属蒸汽，后续的正离子与金属蒸汽同样也会发生雪崩式的碰撞电离，结果就在阴极附近形成电弧等离子体。随后阴极和阳极附近的等离子体迅速向整个间隙扩散，最终使间隙导通，电极间的电压迅速下降到电弧的维持值。

为了增强灭弧能力，目前真空开关的触头电极普遍采用了能产生与电极轴向平行的纵向磁场触头结构或与电极轴向垂直的横向磁场触头结构，当电弧电流流经这样的触头时，就会在电极之间产生纵向磁场或横向磁场。但当电弧熄灭后，电极间没有电弧电流也就没有相应的磁场。目前国内外还没有人采取在电极间外施一个X轴向的横向磁场来阻止电子向阳极运动，从而提高电极间击穿电压的措施。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的由于真空开关中两电极间的电压和电场强度都很高，电极表面微小晶须尖端处的场致发射无法阻止的技术问题；提供了一种能够阻止真空开关中阴极表面发射的电子轰击阳极表面，从而提高击穿电压的一种高电压真空开关。

本发明通过下述技术方案来提高电极间的击穿电压：

本发明创造性地在两个电极之间的间隙中外施一个垂直于电场方向的X轴向的横向磁场，这一磁场和电极间的电场组成一个正交电磁场。在这一正交电磁场中，从阴极表面发射的电子将垂直于电场和磁场作漂移运动而不能到达阳极。下面分析电子在正交电磁场中的运动轨迹。

设两电极间的均匀电场幅值为E，方向为Z轴的负方向，外施均匀磁场的磁场幅值为B，方向为X轴正向，如图1所示。则电子的运动方程为