固封極柱用真空滅弧室

孟麗 王帥

摘? 要：固封極柱式真空斷路器以其絕緣性能好、可靠性高、機械壽命長以及體積小等有點成為當代真空斷路器的更新換代產品，因此對真空滅弧室的各項指標提出了更高的要求。該文從短路開斷能力、絕緣水平、接觸電阻和機械壽命等方面闡述了固封極柱用真空滅弧室的設計特點和生產工藝。

關鍵詞：固封極柱;短路開斷能力;絕緣水平;接觸電阻;機械壽命

中圖分類號：TM56? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

真空滅弧實的絕緣水平是衡量真空斷路器除短路開斷能力之外的一個重要指標，因此也是制約真空斷路器發展的一個關鍵因素。真空滅弧室的外部絕緣由空氣絕緣發展成復合絕緣，進而演變成固封絕緣。

固封極柱的優點是具有極高的絕緣性能和強大的抵御外界影響能力，適用于高溫、高濕、高海拔等全環境使用場合。

正是固封極柱產品以上這些優點，固封極柱產品的出現，對真空滅弧室提出了更高的要求。這主要表現在：

（1）由于固封極柱的應用，使真空滅弧室外部絕緣得以充分地保證，因此在同一電流等級和電壓等級的前提下真空滅弧室可以做得更小，這即是降低產品成本的需要，也滿足真空開關在某些使用場合占地面積的要求，更符合環保的理念。

（2）由于固封極柱的整體性特點，決定了其散熱條件相對惡劣，溫升便成了開發此類產品的重點，因此減少真空滅弧室的回路電阻也成了極柱式真空滅弧室的一大重點課題。

（3）為了滿足固封極柱的免維護特點，滅弧室的設計必須考慮提高使用壽命，以降低斷路器的使用與維護成本，常規1萬次的機械壽命已無法滿足固封極柱式真空斷路器的要求，通常要達到3萬次的機械壽命。

1 固封極柱用真空滅弧室的設計

為滿足固封極柱用真空滅弧室的要求，該公司改變了傳統的設計理念，采用自主研制的縱磁均布式觸頭結構和零件自定位的設計思路，生產工藝上也改變了傳統的裝配焊接方式，采用“純一次封排”工藝，研制出滿足市場要求的固封極柱用真空滅弧室。

1.1 縱磁均布式觸頭結構的設計—提高短路開斷能力

目前國內真空滅弧室多數采用的觸頭結構是杯狀六槽縱磁結構，開斷時觸頭實際有效利用面積僅為70%左右，主要是因為杯狀六槽縱磁結構由于自身斜槽傾角及斜槽旋轉角度的限制，產生的縱向磁場強度相對較弱，而且沿徑向磁場強度迅速減弱，較大的邊緣部分得不到利用。

為了滿足真空開關管小型化要求，我們自行研制設計出一種新型縱磁均布式觸頭結構。該結構不僅能夠產生較強的縱向磁場，而且結構簡單，易于生產。

在此結構中引入了鐵磁材料，采用特殊手段抑制了渦流。鐵磁材料的引入，增加了觸頭邊緣處的縱向磁場，從而使觸頭表面的縱向磁場更加均勻。在燃弧期間，真空電弧在均勻磁場的作用下，被有效地控制在一個較大的區域內燃燒，使電弧能量降低、開斷能力提高。

1.2 滅弧室內部電場分布設計—提高內部絕緣水平

由于產品的進一步小型化，電場的分布變得尤為重要。產品內部電氣間隙縮小后仍需承受標準所規定的絕緣電壓，這就需要對內部電場進行優化分析與測算，借助計算機分析軟件對開滅弧室部結構進行了多次電場計算，對內部各部件結構進行多次修改設計，優化后的內部電場分布均勻，降低了瓷殼內表面沿面的電場強度及三相界面的電場強度，消除了主屏蔽罩兩端口處的尖峰電場，改善了屏蔽罩的均壓作用。

另外還對主屏蔽罩與導電桿之間的間隙進行了改進。改進后觸頭間隙中的電場強度有了一定程度的降低，進一步緩解了主間隙間的電場應力，提高了介質恢復速度。

通過軟件的分析不斷地對內部各零部件尺寸、形狀、位置等進行調整，最終的結果是使滅弧室內部各處電場強度盡量分布均勻，消除各處可能出現的尖端電場，以有效地降低瓷殼內表面沿面的電場強度及三相界面的電場強度，從而提高產品的絕緣強度及弧后介質恢復速度。

優化設計后盡可能使真空滅弧室內中間屏蔽罩上的電位為50%，動靜端兩端對稱分布，電場分布基本均勻，三相界面處得到了有效的屏蔽，無電場集中現象，這就有效地保證了體積減小后對電壓的耐受能力。

1.3 滅弧室接觸電阻的減小

縱磁均布式觸頭結構已經較好地解決了開斷電流所需的磁場問題，基本滿足了固封極柱產品的需要，但結合降低接觸電阻的要求，在空間允許的情況下，我們又從觸頭和杯座2個方面做了進一步的改進。

（1）在保證開斷能力的前提下，將觸頭厚度由原來的5 mm減薄至3 mm，直徑不變。同時，將觸頭表面的環形槽尺寸加大，這樣有利于接觸電阻的減小。

（2）將杯座外徑增大、高度縮小。如果為了滿足磁場的需要，按照原來的銑槽方式，必然削弱杯座每個杯指的強度，甚至有可能無法實現，借助于Solidworks軟件對其進行多方案的優化，通過調整銑槽的位置和斜槽的傾角，最終選定了較為理想的銑槽方式，既能滿足磁場的要求，又有利于降低接觸電阻。

1.4 滅弧室機械壽命的提高

機械壽命一般是由真空滅弧室的波紋管決定的。而波紋管的壽命既與設計有關，又與其使用狀態有關。

從設計角度考慮，選用優質的波紋管材料、選擇合適的波紋管波數、保持合理的開距以及在真空滅弧室的生產過程中避免波紋管多次進爐等都是增加波紋管使用壽命的行之有效的方法。

我們在選擇固封極柱用真空滅弧室的波紋管時，首要考慮的是選用含碳量低的不銹鋼材料，使波紋管的耐腐蝕性有所提高。

其次，在真空滅弧室滿足絕緣水平的前提下，設計開距不要過大，或適當增加波紋管的波數，讓工作位移量不要超過波紋管自由長度20%。

2 生產工藝的保證

2.1 裝配工藝

整個裝配工藝采用一次封排工藝結構，這種新型的裝配焊接方式省去了原來的動靜端管芯裝配、屏蔽筒組合裝配以及波紋管組合裝配，提高了生產效率和生產能力，消除了人機環境對部件的二次污染，提高了真空滅弧室內部真空度及潔凈度，有利于提高滅弧室的開斷性能及絕緣水平。

2.2 老煉工藝

2.2.1 大電流老煉

大電流老煉就是真空滅弧室通以數百安培較大電流的同時拉開觸頭，使觸頭間產生擴散型電弧，燃燒的電弧剝除了觸頭表面覆蓋著的臟物、氧化物和氣體，使觸頭表面成為完全新鮮的活性表面，起到了凈化觸頭表面的作用。

固封極柱用真空滅弧室在進行大電流老煉時需要注意的問題就是防止老煉規范過重，使觸頭表面燒損嚴重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平。

2.2.2 高壓老煉

選擇合適的老煉升壓速度、老煉電壓值和電壓穩定時間、老煉開距，再配以合適的外絕緣保護措施，使固封極柱用真空滅弧室老煉效應進行得更徹底，可以改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，提高了真空滅弧室的擊穿電壓和長期工作電壓下的穩定性，同時也可以提高其短路開斷能力和動態絕緣水平。

3 結語

固封極柱的優點是具有極高的絕緣性能和強大的抵御外界影響能力，適用于高溫、高濕、高海拔等全環境使用場合。

近些年固封極柱產品的研究與開發，逐步成熟，成品率有了較大的提高，但仍存在很多問題和不足，象產品質量不穩定、固封極柱價格過高等。

固封極柱開發推廣，需開關廠家和滅弧室廠家的聯手和共同努力，生產出適應固封極柱特點的真空滅弧室，推動真空開關市場的快速發展。

參考文獻

[1]趙力楠.固封極柱真空滅弧室瓷殼長度的優化設計[J].高壓電器，2017（3）：97-100.

[2]劉衛榮.固封極柱用真空滅弧室[J].電器工業，2004（8）：48.