从真空开关上不拆卸真空灭弧室测量其真空

摘要　应用新型励磁线圈测试了真空灭弧室磁控放电的着火条件，以及离子电流与真空度的关系，并从理论上探讨了不拆卸真空灭弧室测量其真空度的磁控放电机理。
　　关键词：真空灭弧室　真空度测量　磁控放电

Study on Mechanism for the Undetached Measurement of
Internal Pressure of Vacuum Interrupters

Zhao Ziyu　Zou Jiyan　He Junjia　Zhang Hanming

(Huazhong University of Science and Technology 430074 China)

　　Abstract　The critical initiation condition of magnetron discharge as well as the relationship between internal pressure and ion current in vacuum tube are measured by a new type coil,and the mechanisms of the magnetron discharge in the undetached measurement of internal pressure of vacuum interrupters are studied
　　Keywords:Vacuum interrupter　Pressure measurement　Magnetron discharge　
　　

1　前言

　　真空灭弧室内真空度的变化将直接影响真空灭弧室的开断性能。因此，如何检测真空灭弧室的真空度是真空电器的一个重要问题。对于制造过程中的真空灭弧室，其真空度通常是用电离真空计来测定的。真空灭弧室制成以后，它不再带有真空电离计规管，其真空度的测量通常采用圆柱型励磁线圈的磁控放电法^［1］。当真空灭弧室装入开关柜后，圆柱型励磁线圈已不可能套装到真空灭弧室上，此时，应采用不拆卸真空灭弧室测量真空度的磁控放电法^［2］。
　　对于圆柱型励磁线圈的磁控放电法，是将真空灭弧室置于圆柱型励磁线圈的中心，并向线圈通以脉冲电流，真空灭弧室内会获得一个轴向磁场，与此同时，再在分开的触头之间施加高电压脉冲，此时，触头及导电杆与屏蔽罩间的电场将与磁场垂直相交，这相当于一个冷阴极正磁控计与一个反磁控计的串联^［3］。此时，真空度的测试灵敏度较高。
　　对于不拆卸真空灭弧室测量真空度的磁控放电法，要求在不拆卸真空灭弧室的条件下进行真空度的测量。为此，本文研制了一种带铁心的新型励磁线圈，它可以放在真空灭弧室的侧面产生与电场相垂直的磁场分量。通过对比试验发现，在增大励磁电流后，新型励磁线圈的测试灵敏度与圆柱圈型励磁线相当。本文应用研制的新型励磁线圈真空度测试仪测试了磁控放电的着火条件，以及离子电流与真空度的关系，并通过理论分析，探讨了不拆卸真空灭弧室测量真空度的磁控放电机理。

2　磁控放电真空度测试仪简介

　　图1所示为真空度测试仪的电路框图及其新型励磁线圈产生的磁场分布，其工作过程为：首先由单片机输出两路控制信号，经过驱动电路使继电器K₁、K₂导通，这时220V交流电源经过整流电路后给电场电容C₁充电，经过倍压整流电路后给磁场电容C₃充电，C₁、C₃上的充电电压值经过分压器分压后进入单片机。当电场电容C₁及磁场电容C₃上的电压达到预定值后，继电器K₁、K₂断开，停止对C₁、C₃的充电；随后由单片机再输出两路控制信号，通过驱动电路及继电器后触发晶闸管VT₁、VT₂导通，从而使电容C₁对升压器初级线圈放电，电容C₃对Π型线圈放电。升压器次级的高电压经硅堆整流、电容C₂滤波后输出到灭弧室的触头上。当新型线圈产生的磁场从零上升到一临界值时，真空灭弧室开始放电并产生离子电流，真空灭弧室真空度不同，离子电流也不同，故根据离子电流的大小就可以得知真空灭弧室真空度的大小。

图1　磁控放电真空度测试仪电路框图

3　磁控放电的着火条件

　　在触头间施加高电压脉冲后，在触头与屏蔽罩之间及两触头之间便建立了强电场。根据场致发射学说，阴极(包括低压电极及与高压电极相邻的屏蔽罩)表面上会有电子发射电流。在没有磁场时，该电子电流沿电场方向直接流向阳极，由于真空灭弧室内真空度低，即电子的平均自由行程λ大于极间距d，使电子几乎不与残余气体分子相碰撞。当在真空灭弧室的侧面放置一新型励磁线圈，并通以强脉冲励磁电流后，由磁场数值计算可知，在触头与屏蔽罩之间及两触头之间的空间内，有些区域其磁场与电场垂直相交，使场致发射电子做旋轮线运动。也有些区域的磁场与电场间有一夹角，电子的运动轨迹较复杂。下面仅对屏蔽罩为阴极时的电子运动作粗略分析，如图2所示。当电场与磁场的夹角为90°-δ时，为了方便讨论，将z轴旋转δ角，使其成为与磁场方向平行的z′轴，再将电场E分解为与z′轴垂直的分量E WINOOW.google_render_ad(); _n和与z′轴平行的分量E_t，那么，在磁场B和电场E_n的联合作用下，电子在与B垂直的r′-θ′平面内做旋轮线运动，在电场E_t的作用下，电子沿B方向做加速、碰撞后减速、再加速的运动。两种运动的叠加，使场致发射电子在屏蔽罩与电极间沿B做偏斜的旋轮线运动，这样一来就大大地加大了电子运动的自由程以及与残余气体分子的碰撞游离概率。

图2　真空灭弧室内自由电子在磁场作用下的运动轨迹示意图

为使真空灭弧室在电、磁场作用下产生足够的电离，并形成稳定的自持放电，必须使得从阴极发射的每个电子抵达阳极时，从阴极发射一个新的电子。用数学公式可表示为　　

　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　γ—阴极受正离子轰击时的二次电子发射系数，与阴极材料性质及正离子能量有关
　　　α—汤生第一电离系数
　　欲使式(1)成立，必须要满足两个条件：第一是从阴极发射的每个电子在抵达阳极前与气体分子已发生(γ^.g)^-1次碰撞(g为考虑每次碰撞时电离几率小于1而引入修正系数)，即要求电子在抵达阳极前的行程l足够长；第二是电子与气体分子在碰撞时能产生碰撞电离，并至少产生γ^-1个正离子，即要求电子在两次碰撞间积累足够多的动能。
　　从阴极发射的电子，在电场E及与电场垂直的磁场分量Bcosδ的作用下，运动轨迹为旋轮线，其拱高^［4］　　

D=2E/(ηB²cos²δ)

式中　η—电子核质比
　　　η=e/m
若要求电子的行程足够长，电子在第一旋轮线就不能碰上阳极，即拱高D必须小于极间距d，或者是

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