一、真空的基本概念
真空技术中,“真空”泛指在给定的空间内,气体压强低于一个大气压的气体状态,也就是说,同正常的大气压相比,是较为稀薄的一种气体状态。
真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。根据真空技术的理论,真空度的高低通常都用气体的压强来表示。在国际单位制中,压强是以帕(Pa)为单位1Pa=1N/m2。另外常用的单位还有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、毫巴 (mbar)、工程大气压(公斤/厘米2)等。
真空区域的划分没有统一规定,我国通常是这样划分的:
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
极高真空:10-12托
托和帕的关系:1 托=1 毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa,1 帕=7.5×10-3 托。
真空区域的特点不同其应用也不同,例如吸尘器工作于粗真空区域,暖瓶、灯泡等工作于低真空区域,而真空开关管和其它一些电真空器件则是工作在高真空区域。
二、真空间隙的绝缘特性
真空中放置一对电极,加上高压时,在一定的电压下也会产生电极之间的电击穿。它的击穿与空气中的电击穿有很大不同。空气中的击穿是由于气体中的少量自由电子在电场作用下高速度运动,与气体分子碰撞产生较多的电子和离子,新生的电子和离子又同中性原子碰撞,产生更多的电子和离子。这种雪崩式的电离过程,在电极间形成了放电通道,产生了电弧。而真空中,由于压强较低,气体分子极少,在这样的环境中,即使电极间隙中存在着电子,它们从一个电极飞向另一个电极时,也很少有机会与气体分子碰撞。因而不可能有电子和气体分子碰撞造成雪崩式的电击穿。正是因为气体分子十分稀少,真空间隙电击穿需要在非常高的电压下出现场致发射等其它现象时才有可能形成。从理论上推测,电场强度需达到108V/cm以上时才会造成电击穿,实际上真空间隙的绝缘强度由于一系列不利因素例如电极表面粗糙度、洁净度等的影响,将低于理论计算值几个数量级。
真空灭弧室中的真空度很高,一般为10-3~10-6 帕,此时真空间隙的绝缘强度远远高于1 个大气压的空气和SF6 的绝缘强度,比变压器油的绝缘强度还要高。正因为真空的绝缘强度很高,真空灭弧室中的所有电气间隙都可以做得很小。例如12kV 真空灭弧室的触头开距只有8~12mm,40.5kV 真空灭弧室的触头开距也只要18~25mm,真空灭弧室中的其它电气间隙也在此尺度范围。
三、影响真空绝缘水平的主要因素
真空绝缘是一个十分复杂的物理过程,其机理到目前为止仍没有明确的结论。从实际应用情况来看,主要有以下几个方面:
1、电极的几何形状
电极的几何形状对电场的分布有很大的影响,往往由于几何形状不够恰当,引起电场在局部过于集中而导致击穿,这一点在高电压的真空产品中尤其突出。
电极边缘的曲率半径大小是重要因素。一般来说,曲率半径大的电极承受击穿电压的能力比曲率半径小的大。
此外,击穿电压还和电极面积的大小成反比,即随着电极面积的增大而有所降低。面积增大导致耐压降低的原因主要是放电概率增加。