前言

真空断路器电流过零开断后断口又被击穿(发生在5mm内称复燃，5mm后称重燃)是断路器家族中特有的物理现象。尽管它不存在灭弧区间(传统断路器在开断电流时都存在一定的动触头运动区间，出了这区间就没有开断能力)，又有自灭弧能力，因而一般不影响开断能力。但在开断电容电流时，重燃会使电容器上的残压对电源电压发生震荡，产生很高的过电压而损坏设备。而且它重燃发生的概率要比开断其它负载高得多，因而它便成为我们行业里*难解决和*有争议的课题。

说它*难解决是指多年来谁拿它都没有办法;说它*有争议是指其产生的原因各有各的说法。因此到底什么是真空开关切电容产生重燃的真正原因就成为行业里热门话题。

尽管我们尚未找到真空开关发生重燃的真正原因，但有一点是肯定的：既然重燃在切电容电流时普遍存在，那它产生的原因就绝不会是偶然因素，如触头先天存有毛刺，清洁度不好，触头材料有杂质和气孔等诸多书本上罗列的个性条件。我们应把目光移向共性条件，既真空间隙被击穿的基本因素。

1.真空间隙击穿的机理

大量研究表明，真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引起，而主要由电极现象决定。电极表面在强电场作用下会产生电子发射。经典的Schottky公式描述了在电场和温度作用下，电极表面电子发射的电子密度j为

j= AT2exp(- )

其中 A= Δφ=e E 式中:m，e分别为电子质量和电荷，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，T，E为电极表面温度和外加的电场强度，φ为电极材料的电子逸出功。

在这公式里m，e，k，h都是常量，温度T在开断不同负载时也不会有多大变化，电极材料的电子逸出功φ如表1:相差也不大.

金属名称钨W钼Mo 镍 Ni铜 Cu铬 Cr

电子逸出功Ve 4.5 4.6 5.1 4.6 4.5

其中只有电场强度E为变化量*大的因素。公式表明：随着电极表面温度和电场强度的增大，电极表面电子发射的电流密度也增大。试验证明，当电流密度达到某一临界值时，真空间隙就被击穿。

如果只考虑电场作用，要产生间隙击穿，电场强度必须达到109V/m以上。但实际情况下的E值要小得多，例如1cm长的真空间隙的击穿电压约为100kV，相应的电场强度为107V/m，比上面的估计值相差两个数量级。问题出在哪里呢?问题出在触头表面微观结构是凹凸不平的，存在有很多微小的局部突起点，在这些微凸处，电场将局部增强，实验及计算都能证实，这些微凸处的电场强度是间隙平均电场强度的10-100倍。(注)

这里要说明的是：目前我们加工的触头光洁度是很高的，其表面可近似的认为是无穷多个微凸点，电场应该为基本均匀，所以不应该存在电场局部增强现象。上述击穿电场强度都远远高于断路器的耐压水平，我们在日常工作中碰到的重击穿，触头表面一定有宏观的微凸点的存在，在高电场强度的作用下，微凸点将发射电子。上式的j为电子发射的电流密度，由电子发射转变为电弧等离子体的过程是：发射电子的微凸点有一定的电阻，发射电子时会使其发热熔化和蒸发，产生大量的金属蒸汽，当金属蒸汽密度满足形成阴极电离区的条件，电子就会和金属蒸汽原子发生碰撞，出现与气体间隙相似的击穿过程。电子流便转变成电弧，真空间隙就这样被击穿。微凸点被气化的过程及经历时间与它尖端曲率和热容量有关，从几毫秒到几百毫秒不等(图1)。以上击穿过程说明，要消除重燃现象用任何工艺方法增强触头材料的固有绝缘强度(加大电子逸出功)都将会是收效甚微的。
探索真空断路器切电容发生重燃的机理


图1a 触头上存在宏观的微凸点，电场在此集中。

图1b 高度集中的电场强度使微凸点发射电子。

图1c 电子流发射使发热，熔化，蒸发形成金属蒸汽。

图1d 当金属蒸汽密度满足形成阴极电离区的条件，电子流便变成电弧。

2.微凸点是如何形成的

以上分析认为电场强度在场致发射中扮演了主要角色，而场强的高度集中又是因为电极存在“微凸点”(俗称毛刺)。那毛刺是从何而来的呢?行业里持“电流老炼”论者认为毛刺是电极先天存在的，要用电流老炼来消除它。问题是如果电极存有毛刺，耐压试验关如何通得过?又为何开断别的负载重燃率要比切电容电流低得多呢?再则单管老炼对降低重燃率基本无效。大量试验证明电极存在毛刺是后天形成的，是开断或关合负载处理不当形成的。从广泛的意义上说，只要有电弧存在，触头就会局部熔化，在其凝固的瞬间，在外力(合，分闸的机械震动)的作用下就有可能形成微凸点。为了证实这一点，我们于2006年11月在40.5kV真空开关上做了一次切电容电流试验。

合分操作金属短接时间 重燃率

80ms 22%

300ms 10%

800ms 7.5%

以上数据表明，随着合闸机械震动的减弱，重燃率不断降低。证实了外力确实是形成微凸点的因素之一。

3.开断电容电流与形成微凸点的关系

形成微凸点在切电容电流时有其特有的方式，那就是合闸涌流在作怪。在实践中我们常发现带电合闸，无电分闸断口耐压将大幅下降，这是因为带电合闸一旦触头局部熔焊，分闸拉出的毛刺(微凸点)没有电弧清除的缘故。同样是关合电流，关合电感电流和关合电容电流结果是不一样的。由于真空灭弧室结构的特点，在安装时要保证动静触头系统的同轴度，同心度，触头平行度是很难的，因此在合闸时存在小面积的初始接触点，在合故障电流时，电感电流上升率低，流过初始接触点的电流密度不大，熔焊一般不会发生，既使熔焊拉出的毛刺也会被大电流电弧清除。而关合电容电流就不同了。因为关合电容会有涌流产生，尽管电流不大(数千安)，但频率很高(数千Hz)。流过初始接触点的电流密度就很大，熔焊的可能性很高，一旦熔焊由于开断电流不大，清除分闸拉出的毛刺功能差，微凸点就形成了。这就解释了为什么开断电容电流重燃率要比开断故障电流高得多的根本原因。不可否认电流老炼的确可以降低重燃率，但这并不意味它清扫了根本不存在的毛刺，其功能是在于多次电弧烧损使触头初始接触点增多，减少了合闸涌流密度而避免熔焊的结果。但这只有在整机上进行才有效，如果将灭弧室拆下来重新组装，电流老炼效果将前功尽弃，单管老炼自然无效。可以想象在组装断路器时，确保灭弧室动静导电杆同轴度及触头接触平行度对切电容电流是多么重要，在做切电容试验(尤其是35kV试验)多次更换灭弧室总能通过就是证明。试验合格那只灭弧室并不说明它质量有多好，而是碰巧确保了管子的安装精度。

4.结束语

通过以上分析可得出结论：切电容电流出现重燃现象主要原因是电极在开断或关合电容器时出现毛刺，在强电场作用下引起场致发射导致真空间隙被击穿，而重燃发生的时间与毛刺尖端曲率及毛刺热容量有关，这就是我们经常看到的重燃发生从几毫秒到几百毫秒的现象。

注：摘自清华大学出版“高压断路器原理和应用”徐国政，张节容，钱家驪，黄瑜珑编著