真空開關操作過電壓和弧后延時重擊穿問題分析

姜　偉

摘要：真空開關在國民生產中愈來愈廣泛應用，但是仍在許多待改進的地方。例如，觸頭材料不能停留在引進技術上，應研制有自主知識產權的更優質的材料來進一步發展低壓真空開關和特種真空開關，把工作的重點放在低過電壓、大開斷能力和小尺寸的真空滅弧和真空開關的研制上。

關鍵詞：真空開關；電壓

真空開關具有絕緣強度高，分斷能力大，體積小，質量輕，壽命長，適于頻繁操作，很少維修等一系列優點。進來在我國發展很快，覆蓋了諸多領域。然而，真空開關仍存在一些使用中大家關心的問題，其中有：易產生操作過電壓；有時還會出現弧后延時重擊穿。

那么如何解決這個棘手的問題呢？解決真空開關過電壓問題一般有兩條途徑：一是在開關的外部加入某種技術措施，例如在開關外面加裝RS吸收器或氧化鋅避雷器加以限制；二是著眼于開關本身來解決問題，例如采用低壓觸頭材料和觸頭結構來降低過電壓。

真空開關弧后延時重擊穿目前只要從開關的設計，選材和工藝等方面下功夫，有可能減少或消除這種有害的重擊穿。

下面結合本人在實際工作中的觀察、思考、實踐簡要談談解決這些問題的途徑和方法。

1 操作過電壓問題

真空開關操作過電壓產生的機理主要是截流和多次重燃引起。影響真空開關操作過電壓的因素很多，有負載性質與功率因數的影響，也有開關觸頭材料與結構的影響，以及觸頭開距的影響等等。就真空開關本身而言，主要是觸頭材料與結構的影響。

首先談談觸頭材料問題。

許多實踐應用說明，觸頭材料的成分、含量、工藝等與真空開關的工作性能直接有關。其中，觸頭材料對開關的截流水平關系極大，由于截流產生過電壓的機率大，固而真空開關低截流觸頭材料的選用就顯得至關重要。

目前，10KV以下真空開關觸頭常用鎢基材料，如：W-Ag或WC-Ag復合材料。由于Ag的蒸氣壓較高，WC的熱導率較低，因而這樣材料的截流可以達到很低的水平。

現在額定電壓為10KV以上的真空開關，目前應用最多的觸頭材料是UC-Cr。由于恰當地利用了縱磁場效應，使這種材料制成的真空接觸器截流低到最低點（無縱磁場）。因此，應用縱磁場效應技術即可增大真空開關的開斷能力，又可采用廉價的觸頭材料截流，從而達到節能和降低產品成本，提高產品性能的問題。

真空開關過電壓除截流原因外，還有多次重燃。多次重燃產生的特點是開關分斷時因觸頭間隙不能瞬時增大而出現高頻電流多次開斷和重燃。顯然，要避免產生多次重燃過電壓則必須要求觸頭材料具有弱的高頻電流開斷能力，但與此同時又不能降低工頻電流開斷能力。

2 弧后延時重擊穿問題

真空開關弧后延時重擊穿是指開關分斷電流或弧后經幾十毫秒的長時間延時，即在暫態恢復電壓早已衰減以后，觸頭間隙又發生重復擊穿的現象。雖然，真空開關不像其它種類的開關，它在延時重擊穿后仍能可靠地滅弧，但畢竟會影響到真空開關工作的可靠性，尤其是開斷容性負載有可能產生高達4倍以上的過電壓，并使繼電保護誤動作，之所以真空開關弧后延時擊穿，筆者經查閱一些中外資料有一種具體的說法，那就是由微粒效應引起，主要依據是：

a.在重擊穿發生前沒有場發射電流增大現象；b.當恢復電壓與擊穿電壓的比值相同時，雖然3mm間隙的場發射電流比10mm間隙高出2～3倍，但是短間隙下發生的重擊穿并不比長間隙更頻繁。c.專門人員用顯微鏡可以觀察到觸頭和屏蔽罩上粘附著許多很松的微粒。d.大量的重擊穿都是因機械沖擊而誘發。

主要表現：早期重擊穿是緊接電流后3～10ms內發生的，此時觸頭表面的熔化金屬還來不及同化，由陰極直接發射而導致重擊穿。同時，真空開關在高位重擊穿水平的電壓長時間作用下，觸頭間隙也有可能發生擊穿，產生這種擊穿最嚴重的預應力是熔焊觸頭的無載分斷。顯然，要消除這種有害的擊穿，只能從減輕熔焊和研制觸頭材料上下功夫。