真空滅弧室的額定觸頭壓力計(jì)算及降低

摘 要：額定觸頭壓力是真空滅弧室的關(guān)鍵參數(shù)之一，不同的觸頭壓力將對(duì)真空斷路器的性能產(chǎn)生不同的影響，包括積極因素和消極因素，更小的觸頭壓力有利于真空斷路器的小型化。文中分析了在真空滅弧室上施加額定觸頭壓力的原因，給出了最小額定觸頭壓力的計(jì)算公式，得到了影響真空滅弧室額定觸頭壓力的因素。當(dāng)峰值耐受電流值確定后，調(diào)整觸頭直徑和觸頭材料可以影響真空滅弧室的最小額定觸頭壓力，通過合理選擇觸頭直徑和觸頭材料，能夠有效的降低額定觸頭壓力。

關(guān)鍵詞：真空滅弧室；額定觸頭壓力；降低

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.004

0 引言

真空滅弧室是真空斷路器的核心組件，施加在真空滅弧室上的觸頭壓力的大小將直接影響真空滅弧室和真空斷路器的性能。觸頭壓力不足時(shí)，將不能保證真空滅弧室的觸頭接觸良好，會(huì)使真空滅弧室的電阻增大，進(jìn)而影響真空滅弧室的溫升性能。此外，觸頭壓力不足還會(huì)使真空滅弧室在進(jìn)行額定峰值耐受電流試驗(yàn)時(shí)觸頭分離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸頭熔焊，試驗(yàn)失敗。另一個(gè)方面，如果觸頭壓力足夠，那么將不會(huì)出現(xiàn)由于觸頭接觸不好導(dǎo)致的電阻大和額定峰值耐受試驗(yàn)時(shí)的觸頭分離和熔焊。

由于開關(guān)和斷路器的結(jié)構(gòu)和尺寸限制，真空滅弧室的觸頭壓力不能無限增大，所以合理的選擇觸頭壓力使真空滅弧室一方面能夠滿足回路電阻和峰值耐受電流的要求，同時(shí)又有利于真空斷路器和開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了必然的選擇。

當(dāng)前，真空滅弧室生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品樣本中給出了各自的額定觸頭壓力要求。然而，隨著絕緣水平的提高和環(huán)境的限制，對(duì)于真空斷路器和真空滅弧室外形尺寸的限制越來越多，體積減小將影響斷路器向真空滅弧室提供的額定觸頭壓力，斷路器能夠提供的觸頭壓力將減小。研究分析真空滅弧室額定觸頭壓力和降低額定觸頭壓力成為應(yīng)對(duì)該問題的有效措施。

1 額定觸頭壓力的計(jì)算

在進(jìn)行動(dòng)熱穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)，斷路器提供給真空滅弧室的額定觸頭壓力至少能夠抵抗兩個(gè)觸頭之間產(chǎn)生的電動(dòng)斥力，避免觸頭在電動(dòng)斥力的作用下分離，避免出現(xiàn)觸頭熔焊問題。

1.1 觸頭間電動(dòng)斥力的產(chǎn)生

假定真空滅弧室的兩個(gè)觸頭接觸面都是理想狀態(tài)，則觸頭表面的電流將沿圖1中箭頭所示方向流動(dòng)。此時(shí)，電流流過兩個(gè)觸頭表面將不產(chǎn)生使兩個(gè)觸頭分離的電動(dòng)斥力。

然而，實(shí)際觸頭的表面狀態(tài)不可能是理想狀態(tài)，兩個(gè)觸頭接觸時(shí)將會(huì)是數(shù)個(gè)凸起的點(diǎn)接觸，假定兩個(gè)觸頭的實(shí)際的接觸點(diǎn)是位于觸頭中心的微小圓柱體，則此時(shí)極限條件下觸頭中的電流路徑如圖2所示。

可以看出，此時(shí)觸頭中的電流方向發(fā)生變化，先沿觸頭邊沿向中心接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，之后通過接觸點(diǎn)到下一片觸頭，再從中心接觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到觸頭邊沿。通過左手定則可以判斷出，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體中的電流方向相反時(shí)，兩個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生的電動(dòng)力為斥力。

當(dāng)電流流過真空滅弧室時(shí)，兩片觸頭之間產(chǎn)生的電動(dòng)力為斥力。產(chǎn)生電動(dòng)斥力的原因是真空滅弧室觸頭表面存在“微凸起”，兩片觸頭不能完全解除，觸頭中的電流路徑發(fā)生變化。由于真空滅弧室中觸頭表面受多種因素的影響，包括機(jī)械加工，機(jī)械碰撞、電弧燒蝕等，真空滅弧室的觸頭表面始終達(dá)不到理想狀態(tài)，觸頭表面的“微凸起”將始終存在。當(dāng)電流流過真空滅弧室時(shí)，兩個(gè)觸頭之間總是會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)斥力。

1.2 觸頭間電動(dòng)斥力的計(jì)算

通過之前的分析可知，觸頭之間的電動(dòng)斥力是由于電流沿著特殊路徑流過觸頭時(shí)產(chǎn)生的磁場作用于流過觸頭的電流產(chǎn)生的。為了簡化計(jì)算，假定接觸點(diǎn)位于觸頭中心部位，電流路徑如圖3所示。

將每一個(gè)電流路徑近似為一條載流導(dǎo)線，通過電磁學(xué)方法可以計(jì)算出每一條載流導(dǎo)線附近的磁場強(qiáng)度，進(jìn)而計(jì)算出該導(dǎo)線流過電流時(shí)所受到的磁場力大小，其中極坐標(biāo)點(diǎn)（r，α）處的磁場強(qiáng)度可以表示為：

通過積分可以算出整個(gè)觸頭所受到的垂直方向的電動(dòng)斥力的綜合為：

式（1-2）中I表示流過觸頭的總電流，D表示觸頭半徑，d表示接觸點(diǎn)的半徑。通過式（1-2）即可計(jì)算出電流流過兩個(gè)觸頭時(shí)，兩個(gè)觸頭之間的電動(dòng)斥力。但是，實(shí)際上，由于接觸點(diǎn)半徑d未知，只能通過估算得到。

通常情況下，真空滅弧室的觸頭材料是提前選定的，其硬度值也是確定的。考慮兩個(gè)觸頭接觸過程，接觸時(shí)觸頭之間的“微凸起”首先接觸，在觸頭壓力作用下“微凸起”將頂在另一個(gè)觸頭平面并發(fā)生變形，變形后的“微凸起”部分就是兩個(gè)觸頭中間的接觸點(diǎn)，變形后“微凸起”的等效半徑可以代替接觸點(diǎn)的半徑。近似認(rèn)為觸頭之間之發(fā)生塑性形變，不發(fā)生彈性形變時(shí)，“微凸起”的半徑和材料硬度及所受力之間的關(guān)系可以表示為：

式（1-3）中B表示材料的布氏硬度，d表示“微凸起”半徑，F(xiàn)表示施加在“微凸起”上的力。

在觸頭接觸過程中，觸頭表面“微凸起”接觸到另一個(gè)觸頭后所受到的壓力就是額定觸頭壓力減去觸頭之間的電動(dòng)斥力，所以式（1-2）和（1-3）中的力F的表示相同的值。將式（1-3）帶入式（1-2），可以得到觸頭之間電動(dòng)斥力的計(jì)算公式：

額定觸頭壓力是觸頭簧施加在觸頭上的力，該力值在抵擋電動(dòng)斥力的條件下，保證觸頭接觸，即額定觸頭壓力應(yīng)該不小于觸頭之間的電動(dòng)斥力，可以認(rèn)為最小觸頭壓力等于電動(dòng)斥力。通過式（1-4）可以計(jì)算真空滅弧室的最小觸頭壓力。

2 降低額定觸頭壓力的措施

從第一部分的分析可知，在真空滅弧室上施加額定觸頭壓力的原因是抵擋大電流流過真空滅弧室時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)斥力，避免電動(dòng)斥力的作用使真空滅弧室的觸頭分離。故而降低額定觸頭壓力可以通過降低大電流流過真空滅弧室時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)斥力來實(shí)現(xiàn)。

2.1 合理的選擇觸頭材料

式（1-4）中，觸頭的布氏硬度值和觸頭之間的電動(dòng)斥力成正比，通過減小觸頭的布氏硬度值可以適當(dāng)?shù)臏p小真空滅弧室的最小額定觸頭壓力。常用銅鉻材料的硬度值如下表1所示。

可以看出，不同觸頭材料的硬度值有較大的差異，CuCr觸頭材料的硬度值只有CuW觸頭材料硬度值的三分之一。通過式（1-4）可以計(jì)算得出，只考慮觸頭材料硬度的影響時(shí)，使用CuCr觸頭材料的真空滅弧室的最小額定觸頭壓力可以比使用CuW觸頭材料的真空滅弧室減小約20%。

通過添加其他金屬材料可以改善CuCr觸頭材料的性能，包括開斷能力、絕緣能力以及材料硬度等。新添加材料對(duì)于觸頭性能有可能出現(xiàn)互相干涉的情況，故通常需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)來確認(rèn)新添加材料對(duì)于觸頭性能的影響。

2.2 容性關(guān)合涌流對(duì)場致發(fā)射電流的影響

觸頭直徑大小也和觸頭直徑的電動(dòng)斥力成反比，故減小觸頭的直徑可以實(shí)現(xiàn)降低最小額定觸頭壓力的目標(biāo)。當(dāng)觸頭半徑從30mm減小到15mm時(shí)，使用式（1-4）可以簡化的計(jì)算出電動(dòng)斥力的變化，電動(dòng)斥力降低20.6%，對(duì)應(yīng)的最小額定觸頭壓力也能夠降低20.6%，降低效果明顯。

然而，由于觸頭直徑與真空滅弧室的額定短路電流開斷能力有關(guān)，很難大幅度的降低真空滅弧室的觸頭直徑。降低觸頭直徑時(shí)需要對(duì)真空滅弧室的開斷能力進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，確保不影響額定短路電流開斷。

3 結(jié)論

額定觸頭壓力時(shí)真空滅弧室的關(guān)鍵參數(shù)之一，降低額定觸頭壓力有助于實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的小型化。文中通過分析在真空滅弧室上施加觸頭壓力的原因，給出了電流流過觸頭表面時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)斥力的計(jì)算方法，并提出通過合理選擇觸頭材料和觸頭直徑來實(shí)現(xiàn)降低真空滅弧室額定觸頭壓力的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]P.G.Slade，“The Vacuum Interrupter Theory，Design and Application”，Boca Raton， London，New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2008：177-190.

[2]張冠生.電器理論基礎(chǔ)[J].145-167.

作者簡介：馮衛(wèi)剛（1983-），男，工程師，從事真空滅弧室設(shè)計(jì)和工藝工作。endprint