真空斷路器觸頭的發展現狀及展望

林仁杰 李夢如 國網江蘇省電力有限公司蘇州供電公司

對于一個斷路器，在線路穩定運行時，斷路器要能夠承載負荷，長期運行；在線路需要進行負荷分斷時，能夠安全滅弧，并在滅弧之后保持一定的絕緣性，防止電壓擊穿，電弧重燃；在進行負荷接入時，能夠穩定合上，及時滅弧，確保高溫下不會造成觸頭的粘合；在故障來臨的時候，能夠短期承受故障電流并可安全分斷。觸頭作為斷路器兩個斷口的接觸部分，是電弧燃燒最直接的地方，其性能的好壞嚴重影響著整個斷路器的開斷表現。本文主要介紹真空斷路器觸頭的發展現狀，然后結合電網的發展需要，材料制作工藝的發展等方面來展望未來觸頭的發展。

一、觸頭結構的發展

在觸頭應用的早期，人們普遍使用平板式觸頭。電弧在觸頭上隨機燃燒，開斷能力差，只能開斷較小的短路電流。20 世紀60年代初，人們開始意識到可以通過改變觸頭結構在觸頭間產生磁場以控制電弧運動，從而提高觸頭的開斷能力。磁場控制型觸頭根據其產生磁場的方向可以分為縱磁觸頭、橫磁觸頭和縱橫復合觸頭[1,2]。

（一）橫磁觸頭

當電流流過橫磁觸頭時，會在觸頭間隙產生沿徑向方向的磁場。在觸頭間隙產生電弧時，橫向磁場會對電弧產生一個沿切向方向的力，使得電弧在觸頭表面上旋轉。電弧在觸頭表面上旋轉，使得弧根不會在一個固定的地方燃燒，降低了觸頭表面的局部燒蝕，從而提高了觸頭的開斷能力。但橫磁作用下的電弧高速旋轉，經常會有電弧甩出觸頭間隙，電弧燃燒相對不穩定。

（二）縱磁觸頭

縱磁觸頭跟橫磁觸頭原理一樣，都是通過觸頭機構的設計，使得電流流過觸頭時產生磁場，從而對觸頭間的電弧進行控制。縱磁觸頭產生的是沿觸頭軸向的磁場。在縱向磁場的作用下，真空電弧等離子體柱呈現收縮狀，抑制電弧等離子體運動到觸頭間隙外。縱磁觸頭下的電弧燃燒穩定，電弧能量損失小，電弧電壓相對較低，一定程度上降低了觸頭面的燒蝕。

（三）縱橫復合觸頭

橫向磁場作用下的電弧高速旋轉卻不穩定，縱向磁場作用下的電弧能夠有效限制在觸頭間隙內燃燒。針對兩種觸頭的優點，人們又設計出一種新型的觸頭結構，縱橫復合觸頭。該觸頭結構大致分為外面的杯狀結構和中間的盤狀結構，觸頭間的電弧受到外杯狀結構產生的縱向磁場作用下，限制在觸頭間燃燒，觸頭間的電弧受到盤狀結構產生的橫向磁場作用下進行旋轉，避免局部持續的燃燒。

二、觸頭材料的發展

對于觸頭材料，人們希望材料屬性能夠抗熔焊性能強，機械強度強，導電能力強，耐高壓，耐大電流，較低的燒蝕率，較高的使用壽命，較經濟實惠等。

在最開始的材料研究中，人們先是尋找了一些純金屬材料。純銅材料有較好的導電能力，高電壓大電流的耐受能力較強，材料本身實惠易得，基于以上的有點，純銅材料最開始獲得人們的青睞，并投入了使用。隨著社會的發展，社會用電需求增高，大電流下的純銅觸頭易出現熔焊變形，使用壽命短。于是人們開始尋求新的觸頭材料，銅基合金，從最開始的CuBi 合金到后面廣泛運用的CuCr 合金，人們做了大量的研究。現在市場上的觸頭材料普遍為CuCr 合金[3]。后來人們開始研究在CuCr 合金中添加一些重金屬物質來改變材料性質。如，添加W、Mo 等難熔金屬，可以增加觸頭的抗電壓強度。

隨著電壓電流的進一步增高，對于觸頭材料的要求也隨之發生了變化，尋找新型理想材料的腳步并未停止。

三、真空斷路器未來展望

（一）材料制備工藝

近些年來，隨著材料科學的發展，人們不僅僅追求材料的選擇，也在追求新型的制作工藝。除了熔鑄法、熔滲法、粉末冶金法等老的制作工藝外，為了使合金材料更加均勻，材料表面更加細膩，現在還引進了一些新的制備工藝，如電弧燒蝕法等。新的材料性能會對觸頭開斷能力產生大的影響，是未來發展的一個主題。

（二）觸頭結構

通過對觸頭結構的設計能夠對電弧進行磁場控制。現在研究最多的是徑向方向的橫向磁場和軸向方向的縱向磁場。未來對于不同形態的電弧可以運用不同的磁場方向進行電弧控制，從而達到較強的開斷能力。

（三）環境友好型斷路器

隨著全球溫室效應越來越嚴重，對于SF6 氣體的限制有部分國家已經從之前的限制排放到完全禁止排放。真空斷路器也將慢慢替代SF6 斷路器，成為電網斷路器的主流。但是真空斷路器電流開斷能力遠不及SF6 斷路器來得穩定，于是，人們便想到了對斷口進行均壓分流處理，用多個真空斷路器代替一個SF6 斷路器進行開斷。多斷口均壓分流的處理方式也慢慢進入了人們的討論當中。

四、結語

真空斷路器是環境友好型社會未來發展不可或缺的一部分。開斷能力一直是評判一個斷路器好壞的重要指標，如何優化真空斷路器的觸頭結構，找到適合觸頭制作的材料，運用先進的材料制作工藝是提高真空斷路器的硬性條件。穩定的開斷與接入才能保證電網安全可靠的運行。