真空斷路器滅弧系統(tǒng)的解析

李碩，付思，魏喜成，李志洋（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧遼陽(yáng)，111003）

真空斷路器滅弧系統(tǒng)的解析

李碩，付思，魏喜成，李志洋
（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧遼陽(yáng)，111003）

本文介紹了真空電弧的滅弧機(jī)理，在此基礎(chǔ)上分析滅弧系統(tǒng)中電極結(jié)構(gòu)、電極材料、屏蔽罩和真空度等對(duì)真空斷路器滅弧性能的影響。

真空斷路器；滅弧系統(tǒng)；影響

1 真空斷路器滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常真空斷路器的主導(dǎo)電回路由上出線端子、下出線端子與真空滅弧室內(nèi)部電極組成，其中通過(guò)導(dǎo)電夾、軟連接、連接桿互相接觸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連接。滅弧系統(tǒng)存在真空滅弧室內(nèi)，密封在真空外殼內(nèi)部，有兩個(gè)電極，一個(gè)靜電極和一個(gè)動(dòng)電極，包括屏蔽罩等部件構(gòu)成。目前滅弧系統(tǒng)中各部件的形狀尺寸眾多，但多數(shù)有一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)。圖1所示為典型的真空斷路器滅弧系統(tǒng)示意圖[1]。

圖1 特瑞德公司ISM系列額定值為12kV/630A/20kA真空斷路器

真空斷路器開(kāi)斷電流的方法就是：把密封在真空中的兩個(gè)金屬電極拉開(kāi)就能可靠地分?jǐn)喔邏弘娐返拇箅娏鳌嗦菲髟诓僮鬟^(guò)程中，通過(guò)操動(dòng)機(jī)構(gòu)使驅(qū)動(dòng)絕緣子動(dòng)作，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)拉桿使動(dòng)電極動(dòng)作，產(chǎn)生一定的開(kāi)距。由于真空斷路器的開(kāi)距與開(kāi)斷容量具有飽和性，電極之間的開(kāi)距一般比較小。

由于真空中電弧的能量小加之粒子在真空中的強(qiáng)擴(kuò)散作用，使得真空斷路器有較優(yōu)良的滅弧特性。針對(duì)不同的開(kāi)斷電流，真空斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各不相同，開(kāi)斷小電流，利用高真空的強(qiáng)擴(kuò)散作用采用平板電極與相應(yīng)開(kāi)距來(lái)開(kāi)斷電流；開(kāi)斷大電流，通常采用加強(qiáng)磁場(chǎng)和內(nèi)部自生磁場(chǎng)橫磁場(chǎng)（TMF）或縱磁場(chǎng)（AMF）共同作用下的電弧控制系統(tǒng)，分?jǐn)嚯娀　６诜謹(jǐn)嚯娏鞔笮〔煌_(kāi)斷時(shí)期不同，磁場(chǎng)與電極結(jié)構(gòu)、材料相互配合得到的最優(yōu)的熄弧能力，仍需要大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

2 真空中的滅弧機(jī)理

當(dāng)一對(duì)載流觸頭在真空中分離時(shí)產(chǎn)生電弧。但由于真空中不存在氣體，電弧必須在觸頭材料的金屬蒸氣中燃燒，這種電弧就是金屬蒸氣電弧。所以真空電弧實(shí)際上可理解為“真空環(huán)境中的金屬蒸氣電弧”。

真空中電弧開(kāi)斷的優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)為：電弧電壓低、燃弧時(shí)間短、電弧能量低，因而電流開(kāi)斷時(shí)所產(chǎn)生的熱也很少。真空中電弧的熄滅取決于低氣壓電弧的載流子、尤其是電子強(qiáng)烈的擴(kuò)散。在弧心處，充滿了高壓的金屬蒸氣，離開(kāi)弧心壓力急劇下降，容器壁附近壓力降到10-3-10-6Pa的低氣壓柱，由于中性原子很少，載流子的遷移率很高，電子的擴(kuò)散非常強(qiáng)烈。由于屏蔽罩與電極的空間中電子、離子都充分被電極所吸收，所以在恢復(fù)電壓極性翻轉(zhuǎn)后，剩余電流也是極小的。真空中電弧電壓很小，由于真空電弧低密度弧柱周圍的熱傳導(dǎo)及熱輻射損失很小，弧柱的熱損失很小，電弧電壓的很大一部分是陰極附近的電壓降，幾乎與電弧間隙長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

根據(jù)真空斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與真空中的滅弧機(jī)理特點(diǎn)，滅弧系統(tǒng)性能受真空滅弧室中各部件的特性影響。

3 真空斷路器滅弧性能的影響因素

3.1 電極結(jié)構(gòu)的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于應(yīng)用電弧的控制技術(shù)，來(lái)提升真空斷路器的滅弧性能。電弧控制技術(shù)是主要思想是通過(guò)短路電流自身產(chǎn)生磁場(chǎng)，需要設(shè)計(jì)各類電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定的磁場(chǎng)，包括橫磁（TMF）或縱磁（AMF），其工作方式分別是：橫磁場(chǎng)使電弧移動(dòng)，縱磁場(chǎng)使電弧在它的自然聚焦點(diǎn)上保持?jǐn)U散。

電極結(jié)構(gòu)有螺旋槽電極結(jié)構(gòu)、單極多極線圈式電極結(jié)構(gòu)、杯狀電極結(jié)構(gòu)、折疊花瓣電極結(jié)構(gòu)，萬(wàn)字型電極結(jié)構(gòu)等。

螺旋槽電極在電弧徑向產(chǎn)生磁場(chǎng)力，使電弧在電極表面上沿圓周方向運(yùn)動(dòng)，可防止了電極表面的局部加熱。線圈式縱向磁場(chǎng)電極是在內(nèi)部觸頭背面設(shè)置一個(gè)能產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)的線圈來(lái)提高真空滅弧室的開(kāi)斷能力。杯狀電極結(jié)構(gòu)的杯壁上有許多傾斜的槽，形成多個(gè)觸指，動(dòng)觸頭和靜觸頭的斜槽傾斜的方向彼此相反，電流流過(guò)杯壁上的觸指時(shí)，有很大的切向分量電流，產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)。折疊花瓣電極結(jié)構(gòu)在原有杯狀電極結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將斜槽數(shù)減少到3、4個(gè)，使斜槽與軸線的夾角作顯著擴(kuò)大，并伸長(zhǎng)了斜槽長(zhǎng)度，大大增加了橫向磁吹電弧的作用。萬(wàn)字型電極結(jié)構(gòu)觸頭片上開(kāi)有萬(wàn)字型槽隙，電流從上導(dǎo)電桿流入，經(jīng)過(guò)觸臂和電弧柱，從下導(dǎo)電桿流出，對(duì)電弧柱產(chǎn)生垂直于電弧的橫向磁吹力。

如何巧妙地應(yīng)用磁控方式和電極結(jié)構(gòu)相配合，是提升真空開(kāi)斷容量的不變?cè)掝}。

3.2 觸頭材料的影響

真空電弧實(shí)際上是真空環(huán)境中的金屬蒸氣電弧，電極材料充當(dāng)了電弧的導(dǎo)電介質(zhì)。改變電極的材料是改變基本的電弧特性、耐壓能力和截流情況。

目前，真空斷路器的電極材料廣泛采用CuCr材料，Cu具有低的熱電子發(fā)射能力、良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性保證了良好的開(kāi)斷性能，而Cr的硬脆特性保證電極有較好的耐壓和抗熔焊性能，而且Cr與氧的高度親和性保證了真空斷路器在開(kāi)斷大電流時(shí)，尤其是接近電流過(guò)零前，具有大量的吸氣作用，有利于提升電弧開(kāi)斷能力。對(duì)于更高電壓等級(jí)的觸頭還可通過(guò)添加第3種元素來(lái)改進(jìn)CuCr觸頭材料的絕緣性能，例如鋯Zr元素、鎢W元素，以提高電極的耐壓能力。

3.3 屏蔽罩的影響

屏蔽罩一般采用Cu、Ni、Fe、不銹鋼等金屬制造，其作用如下。

(1）從弧區(qū)飛濺出的金屬蒸氣與粉末直接凝結(jié)在絕緣容器的內(nèi)壁，防止絕緣容器內(nèi)的絕緣強(qiáng)度降低。

(2）進(jìn)入電弧屏蔽罩的金屬蒸氣和粉末有效地凝結(jié)，使開(kāi)斷成功。

(3）與輔助屏蔽罩一起使滅弧室內(nèi)電場(chǎng)分布改善。

屏蔽罩對(duì)金屬凝結(jié)系數(shù)評(píng)價(jià)對(duì)開(kāi)斷容量的影響，如凝結(jié)系數(shù)為1時(shí)，進(jìn)入屏蔽罩的粒子無(wú)返回地全部被屏蔽罩內(nèi)壁所捕獲。對(duì)于銅而言，在室溫下其凝系數(shù)為0.899，157℃時(shí)降為0.797。因此凝結(jié)面須保持在較低的溫度下，同時(shí)屏蔽罩的厚度對(duì)開(kāi)斷容量也有影響。在設(shè)計(jì)滅弧系統(tǒng)過(guò)程中，應(yīng)重視屏蔽罩對(duì)其性能的影響。

3.4 真空度的影響

真空斷路器的長(zhǎng)壽命和滅弧的可靠性主要是由真空外殼的可靠性和壽命決定的。真空斷路器要長(zhǎng)期維持高度真空必須解決以下三個(gè)問(wèn)題。

(1)真空外殼容器漏氣問(wèn)題。

(2)從真空外殼內(nèi)的零件中放氣的問(wèn)題。

(3)真空外殼容器的透氣問(wèn)題。

真空設(shè)備、真空檢測(cè)、真空工藝等技術(shù)迅速發(fā)展，使得真空斷路器內(nèi)維持高真空度的問(wèn)題基本得以解決。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電力系統(tǒng)輸電電壓等級(jí)的提升，智能電網(wǎng)的應(yīng)用，真空斷路器滅弧系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)上都有了進(jìn)一步的發(fā)展。2016年，ISDEIV國(guó)際會(huì)議英國(guó)VIL公司推出12kV/25kA/1250A自開(kāi)斷真空斷路器SAVI樣機(jī)[2]，其中主回路均在真空滅弧室內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)目非常少，其中滅弧系統(tǒng)、主回路與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)共處一室，且要求高真空度密封，有著各種如開(kāi)斷、絕緣和溫升等技術(shù)問(wèn)題尚未清晰，仍需進(jìn)一步研究。但這種自開(kāi)斷的真空斷路器外型結(jié)構(gòu)完全整體化，無(wú)任何外接運(yùn)動(dòng)部件，適合各類戶內(nèi)、戶外與各種特殊場(chǎng)合。這種結(jié)構(gòu)改變的不單單是真空斷路器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)將帶動(dòng)電力系統(tǒng)其他電器的結(jié)構(gòu)與連接方式的改變，這將是真空斷路器的一場(chǎng)革新，也將是日后真空滅弧系統(tǒng)和真空開(kāi)關(guān)的研究方向。

[1]鞠佳,特瑞德.單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器服務(wù)中壓配電網(wǎng)[J].電氣應(yīng)用. 2009年第28卷第6期, 10-13.

[2]L.T.Falkingham and W.J.Molan. The Self Actuating Vacuum Interrupter(SAVI): A New Concept in Vacuum Interrupter Technology. 2016,27rd ISDEIV,525-528.

Analysis of arc extinguishing system of vacuum circuit breaker

Li Shuo,Fu Si,Wei Xicheng,Li Zhiyang
(Shenyang University of Technology,Liaoyang Liaoning,111003)

In this paper, it presents the vacuum arc extinguishing mechanism. Based on the analysis of arc extinguishing system, it studies the influence on the arc extinguishing capacity of the electrode structure, electrode material, shield and the vacuum degree.

Vacuum Interrupter;Arc extinguishing system;Influence

2016年遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“新型一體化真空斷路器整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究”，項(xiàng)目編號(hào)：LGD2016033。