真空断路器直流闭合过程中触头间场发射电流分布特性及其对绝缘性能的影响机制研究

本文聚焦高压直流(HVDC)输电背景下真空断路器(VCB)的关键绝缘性能，通过构建专用实验平台，首次系统研究了轴向磁场(AMF)杯型触头与横向磁场(TMF)螺旋触头在20-60 kV直流闭合过程中的预击穿特性。研究发现场发射电流与预击穿间隙呈三参数威布尔分布，并存在显著负线性相关，为真空击穿机理研究提供了新实验证据，对优化相控闭合策略具有重要指导意义。

　　

Highlight

直流预击穿测试实验平台

为研究单断口真空断路器在杯型AMF和螺旋型TMF触头结构下，不同直流电压等级闭合过程中场发射电流与预击穿间隙的累积概率分布特性，本研究设计了专用实验系统。采用商用12 kV真空灭弧室(VI)配合弹簧操动机构搭建测试平台，触头材料为铬铜合金，表面粗糙度控制在0.8 μm以内。通过激光位移传感器实时监测动态间隙，采样精度达0.01 mm；采用罗氏线圈测量纳秒级场发射电流，配合高压探头同步采集电压波形。

场发射电流的累积概率分布与离散特性

场发射电流指金属电极表面在强电场作用下通过量子隧穿效应向真空发射的电子流。作为真空绝缘系统预击穿阶段的主导物理机制，该电流对40.5 kV及以下电压等级的击穿行为具有决定性影响。实验数据显示，AMF触头在60 kV时的中位场发射电流达8.7 mA，较20 kV工况提升3.2倍；TMF触头则呈现更显著的离散性，变异系数超过45%。威布尔形状参数β均大于1，表明电流分布具有典型的时间依赖性特征。

讨论

通过绘制不同触头结构的预击穿间隙(x, mm)与场发射电流(I, mA)散点图发现：AMF触头组呈现I=32.4e^-2.1x的指数关系(R²=0.91)，TMF组为I=28.5e^-1.8x(R²=0.86)。这种强负相关性证实电极间有效电场强度是电子发射行为的决定性因素。值得注意的是，当间隙<1 mm时，TMF触头的电流波动幅度可达AMF触头的2-3倍，这与其螺旋槽导致的局部场强畸变直接相关。

Conclusion

本研究主要发现：

1. 1.

   场发射电流随直流电压升高而增大，20-60 kV范围内AMF触头中位电流增长斜率较TMF触头低18%；

2. 2.

   预击穿间隙分布受触头结构显著影响，TMF触头在40 kV时间隙离散度较AMF触头高37%；

3. 3.

   建立场发射电流-间隙负相关数学模型，为真空击穿起始机制提供新解释框架。