真空断路器灭弧室的基础知识及应用简介.pdf

1- 真空灭弧室基础知识及应用简介 -2- 一真空灭弧室的基本知识一真空灭弧室的基本知识 1 什么是真空 真空是指在给定的空间内，远低于一个环境大气压的气体状态真空状态下气体的稀薄程度 通常用真空度来描述，以压强值来表示 l 大气压=7 6 0 m m H g 1 3 3 . 3 P a / m m H g ＝1 . 0 1 3 1 0 5 P a （帕斯卡）或 0 . 1 0 1 3 M P a 压强越高则真空度越低；压强越低则真空度越高 2 什么是真空灭弧室 真空灭弧室也叫真空开关管或真空泡，是真空开关的核心器件它是用一对密封在真空中的 电极（触头）和其它零件，借助真空优良的绝缘和熄弧性能，实现电路的关合或分断，在切断 电源后能迅速熄弧并抑止电流的真空器件 3 真空灭弧室的工作原理 要说明真空灭弧室的工作原理必须要弄清楚电弧、真空电弧、扩散电弧、集聚电弧、横向磁 场、纵向磁场的概念 3 . 1 电弧 电弧或弧光放电是气体放电的一种形式放电在性质上和外观上是各种各样的在正常状态 下，气体有良好的电气绝缘性能但当在气体间隙的两端加上足够强的电场时，就可以引起电 流通过气体，这种现象称为放电。

放电现象与气体的种类和压强、电极的材料和几何形状、两 极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关例如在正常状态下，给气体间隙两端的电极 加电压到一定程度时，空气中游离的电子在电场作用下高速运动，与气体分子碰撞后产生较多 的电子和离子新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，使气体开始发 光，两电极变为炽热，电流迅速增大这种性质上的转变称为气体间隙的击穿，其所需的电压 称为击穿电压这时，由于电场的支持，放电并不停止，故称为自持放电电弧则是气体自持 放电的一种形式电弧具有电流密度大和阴极电位降低的特点 3 . 2 真空电弧 在真空环境中，气体非常稀薄，真空度高于 1 . 3 3 x 1 0 - 2 P a时气体分子极少在 1 . 3 3 x 1 0 - 2 P a的 -3- 真空中，每立方厘米空间中含有的气体分子数仅为标准大气压环境下的千万分之一在这样稀 薄的气体中即使真空间隙中存在电子，它们从一个电极飞向另一个电极时，也很少有机会与气 体分子碰撞造成真空间隙的电击穿 真空中电极间电弧是这样产生的：当触头行将分离前，触头上原先施加的接触压力开始减弱， 动静触头间的接触电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加。

在触头刚要分离瞬间， 动静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上，接触电阻急 剧增大，同时电流密度又剧增，导致发热温度迅速提高，致使触头表面金属产生蒸发同时微 小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强烈的场致发射，间隙击穿，继而形成真空电 弧真空电弧一旦形成，就会出现电流密度在 1 0 4 A / c m 2 以上的阴极斑点，使阴极表面局部区域 的金属不断熔化和蒸发，以维持真空电弧在电弧熄灭后，电极之间与电极周围的金属蒸气迅 速扩散，密度快速下降直到零，触头间恢复高真空绝缘状态 3 . 3 真空电弧的形态 真空中的电弧有两种形态，扩散型电弧和集聚型电弧 3 . 3 . 1 扩散型真空电弧 当真空电弧电流不大时，对于铜电极来说一般不超过 7 ～8 K A ，阴极斑点将不停地运动，通常 是由电极中心向边缘运动 当阴极斑点到达边缘， 等离子锥便弯曲， 接着阴极斑点就突然熄灭， 在电极中心又会继续不断地产生新的阴极斑点如果电流保持不变，阴极表面存在的阴极斑点 数基本上维持不变当电弧电流增大或减小时，阴极斑点也随之增加或减少这种存在许多阴 极斑点的真空电弧，随着阴极斑点的运动不断地向四周扩散，所以叫扩散型真空电弧。

见图一 3 . 3 . 2 集聚型真空电弧 当真空电弧电流很大时，如对铜电极而言，当电弧电流超过 1 0 K A时，电弧的外形将突然发 生变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，而是相互吸引，结果所有的阴极斑点都聚集成一个 斑点团，阴极斑点团的直径可达 1 ～2 C M 此时阳极上出现了阳极斑点，阴极表面和阳极表面均 有强烈的光柱，阴极光柱与阳极光柱自由地向电极的四周扩散成为数条连续的闪光，有时偶尔 也与电极平行真空电弧一旦聚集，阴极斑点与阳极斑点便不再移动或以很缓慢的速度运动， 阳极和阴极表面被局部强烈加热，导致严重熔化，这种真空电弧叫做集聚型真空电弧见图一 真空电弧中出现阳极斑点对真空灭弧室来说是一个不祥之兆， 往往会导致电极的严重熔化， 并产生过量的金属蒸汽在真空灭弧室分断工频交流电弧时，电流过零后，这些过量的金属蒸 汽在电极间还将持续一段时间，这时电极间的介质恢复速度降低, 从而很可能导致真空灭弧室 的分断失败 -4- 扩散型真空电弧扩散型真空电弧集聚型真空电弧 图一真空电弧 3 . 4 真空灭弧室的灭弧原理 3 . 4 . 1 真空电弧的熄弧条件 真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧必须将电弧电流 减小到一定程度，不足以维持电弧的时候才有可能将其熄灭。

在交流情况下，真空电弧电流有 很多个过零的时刻，这就给出了熄弧的条件；在直流情况下，必须设置一个电力转向装置，使 直流真空电弧电流有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件 3 . 4 . 2 小电流真空电弧的熄弧原理 真空灭弧室切断交流真空电弧成功与否，与触头之间弧区电流过零前的金属蒸汽浓度密切相 关当电流过零前弧区的金属蒸汽浓度很小时，电弧在电流过零时不足以维持便熄灭；反之当 电流过零前弧区的金属蒸汽浓度很大，在电流过零时仍足以维持，电弧便不会熄灭金属蒸汽 来自触头的电弧斑点，电弧斑点和金属蒸汽都随着电弧电流瞬时值的增减而变化电弧电流过 零点前一小段时间里，触头间金属蒸汽浓度降低的速度取决于电弧斑点的冷却时间常数 小电流真空电弧是一种扩散型电弧对于扩散型电弧，它只有阴极斑点而无阳极斑点，各分 支电弧均布于触头表面上且处于移动状态所以触头表面电弧斑点熔区的面积小，深度浅，热 惯性小，其冷却时间常数仅有数微秒，有足够的时间让阴极斑点冷却，因此金属蒸汽浓度低 金属蒸汽在温差、浓度差和压力差的作用下迅速向弧区外扩散这样，当电弧电流过零时，电 弧便不能维持而熄灭 3 . 4 . 3 大电流真空电弧的熄弧原理 阳极 阴极 阳极 阴极 -5- 大电流真空电弧是一种集聚型真空电弧。

集聚型电弧会产生阳极斑点，从而导致电极的严重 熔化，并产生过量的金属蒸汽在真空灭弧室分断工频交流电弧时，电流过零后，这些过量的 金属蒸汽在电极间还将持续一段时间，电极间的介质恢复速度降低，从而很可能导致真空灭弧 室的分断失败 因此，为了熄灭大电流真空电弧，必须要采取一定措施，避免阳极斑点的产生，从而避免产 生过量的金属蒸汽为了能开断 1 0 K A 及以上的短路电流，设计时采取了在触头间施加横向磁场 或纵向磁场，从而实现真空灭弧室开断大电流的功能 4 真空灭弧室的分类 按外壳分：玻璃真空灭弧室、陶瓷真空灭弧室 按用途分：断路器用真空灭弧室、负荷开关用真空灭弧室、接触器用真空灭弧室、重合器 真空灭弧室、分段器用真空灭弧室及其它特殊用途真空灭弧室 5 真空灭弧室的主体结构及其主要零件的作用 -6- 图二真空灭弧室的主体结构 真空灭弧室主要由气密绝缘系统、导电系统、屏蔽系统、触头系统几部分组成其主要结 构如图二示 5 . 1 绝缘外壳 材料：绝缘外壳的材料有玻璃、陶瓷、微晶玻璃三种微晶玻璃价格昂贵，因而没有得到过 实际应用；玻璃结构强度较差，使用量已逐渐减少；陶瓷综合性能最好，因而应用最 广泛。

主要作用：绝缘外壳主要是起绝缘支撑作用，并参与组成气密绝缘系统 5 . 2 波纹管 材料：波纹管主要由厚度为 0 . 1 ～0 . 2 m m 的不锈钢制成 主要作用：波纹管主要担负动电极在一定范围内运动、及高真空密封的功能真空灭 室要求波纹管具有很高的机械寿命 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 — 动导电杆 2 — 导向套 3 — 波纹管 4 — 动盖板 5 — 波纹管屏蔽罩 6 — 瓷壳 7 — 屏蔽筒 8 — 触头系统 9 — 静导电杆 1 0 —静盖板 -7- 5 . 3 屏蔽筒 材料：屏蔽筒可由无氧铜、不锈钢、电工纯铁或铜铬合金等材料制成 主要作用： 1 ）减轻触头在燃弧过程中产生的金属蒸汽和液滴喷溅对绝缘外壳内壁的污染程度，从而避 免造成真空灭弧室外壳的绝缘强度下降或产生闪络 2 ）改善真空灭弧室内部的电场分布，有利于真空灭弧室绝缘外壳的小型化，尤其是对高电 压等级真空灭弧室的小型化有显著效果 3 ）冷凝电弧生成物特别是真空灭弧室在开断短路电流时，电弧所产生的热能大部分被屏 蔽系统所吸收，有利于提高触头间的介质恢复强度屏蔽筒冷凝电弧生成物的量越大，吸收 的能量也越大，越能改善真空灭弧室的开断能力。

5 . 4 触头系统 5 . 4 . 1 触头结构 触头结构的作用主要是在真空灭弧室分断短路电流时，在触头间形成横向磁场或纵向磁 场，从而限制触头表面阳极斑点的形成，提高灭弧室的分断能力 触头结构形成所需磁场的方式主要有两种：一是通过改变电流方向形成所需的磁场；二是通 过设置磁性材料聚拢磁力线形成所需方向的磁场 5 . 4 . 2 触头 触头是导电产生电弧、熄灭电弧的部位，对材料的要求很高触头材料主要有铜铋合金、 铜铬合金、铜钨合金等几种，目前断路器用真空灭弧室大量使用的主要是铜铬合金 5 . 5 导电杆 真空灭弧室的动静导电杆均由无氧铜制成， 它们是主要的导电回路， 主要起导通电流的作用 5 . 6 导向套 导向套一般用绝缘材料制成它主要起导向作用，保证真空灭弧室的动导电杆在分合闸运 动过程中能沿着真空灭弧室的轴线做直线运动 同时， 它还能防止导电回路的电流分流到波 纹管上，从而影响真空灭弧室的寿命 6 真空灭弧室的触头结构 真空灭弧室的触头结构一般有以下几种： 6 . 1圆柱形触头: 最简单的触头结构, 分断电流不大, 一般不超过 7 ~ 8 K A -8- 6 . 2 横向磁场触头：典型的有螺旋槽横磁、杯状横磁、万字槽横磁。

6 . 3 纵向磁场触头：典型的有开斜槽式纵磁、线圈式纵磁、马蹄铁式纵磁 6 . 4R 型触头：触头结构与触头集成化制造，磁场方向为交替式纵磁 7 什么是横向磁场触头什么是纵向磁场触头它们对熄灭交流电弧分别有什么作用 7 . 1横向磁场触头是指真空灭弧室在分断短路电流时, 在其电极间产生的与电极轴线垂直的磁 场在足够的横向磁场的作用下，真空电弧沿着触头表面不断地高速运动，从而避免了触头表 面的严重熔化，在电流过零后能迅速恢复绝缘强度，有利于电弧的熄灭 7 . 2纵向磁场触头是指真空灭弧室在分断短路电流时, 在其电极间产生的与电极轴线方向一致 的磁场采用纵向磁场提高真空开关的分断能力与采用横向磁场的情况截然不同，纵向磁场的 加入可以提高由扩散性电弧转变到收缩型电弧的转换电流值在足够的的纵向磁场的作用下， 电弧斑点在电极触头表面均匀分布，触头表面不会产生局部严重熔化，并具有电弧电压低、电 弧能量小的优良特征，这对于弧后绝缘强度恢复，提高分断能力是十分有益的目前，大容量 的真空灭弧室多采用纵向磁场触头，这是因为纵向磁场触头具有电磨损小，使用寿命长和分断 能力强等优点 -9- 8 真空灭弧室制造工艺中的几种封排方式及其优缺点 真空灭弧室的制造工艺一般分为排气台工艺、一次封排工艺、完全一次封排工艺。

图三真空灭弧室的制作工艺 三种制管工艺的流程如图三所示 排气台工艺排气台工艺一次封排工艺一次封排工艺完全一次封排工艺完全一次封排工艺 零件 清洗电镀 部件钎焊 部件检漏 氩弧焊封口 氩弧焊口检漏 烘烤排气 工艺老炼 排气口封离 储存、烘装 零件 清洗电镀 部件钎焊 部件检漏 整管装配 炉内封排 工艺老炼 储存、烘装 零件 清洗电镀 整管装配 炉内。