真空斷路器滅弧室壽命特征參數分析

張毅

(中國南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

1 引言

真空斷路器以其觸頭開距小、燃弧時間短、滅弧能力強、觸頭磨損小、滅弧室容易更換等一系列優點而得到越來越廣泛的應用，目前更是在中低電壓等級的開關市場上占據主要地位，因此，對真空斷路器壽命評估的研究一直是一個熱門話題。為了評估斷路器壽命，國內外相關學者建立了大量的評估方法和分析模型，但這些方法和模型大多還處在探索階段，在實際應用中還有一定的難度。要想對真空斷路器壽命進行較為準確的評估，就必須建立能準確反映斷路器各種特征指標的數學模型。而這些數學模型都是建立在對斷路器特征參數進行詳細分析的基礎上的，因此選擇具有代表性的特征參數，并進行綜合、全面的分析研究就顯得尤為重要，但目前為止卻較少有這方面的研究報導。

真空斷路器的核心部件是滅弧室，從某種程度上來說，滅弧室的壽命就決定了斷路器的壽命，因此，對真空滅弧室特征參數的研究是重中之重。

根據目前的文獻資料，研究人員提出的這些評估模型所選擇的特征參數并不完全一致，所賦予的權重也不盡相同。如文獻[1]中基于可拓理論的評估方法，選擇相對電磨損程度、累計開斷次數、絕緣介質以及使用年限作為電氣特征指標;文獻[2]中基于模糊理論的評估方法，則選擇相對電磨損、開斷短路電流累積和、開斷次數以及導電回路電阻作為電氣特征指標。

本文把真空斷路器滅弧室壽命特征參數分為觸頭材料、電弧能量以及真空度三個部分分別進行詳細分析，見圖1。

圖1 滅弧室壽命特征參數

2 真空滅弧室結構

真空滅弧室主要由外殼、觸頭和主屏蔽罩三大部分組成，常見結構見圖2。外殼的作用是構成一個真空密封的容器，在其中裝有動觸頭、靜觸頭和主屏蔽罩，同時又是動、靜觸頭之間的支撐。觸頭是真空滅弧室內最重要的部件，用來導通和開斷電流。

真空滅弧室常用的屏蔽罩有主屏蔽罩和波紋管屏蔽罩。主屏蔽罩包在觸頭周圍，用來防止燃弧時弧柱中產生的大量金屬蒸汽和液滴噴到絕緣外殼的內壁上，以致降低其耐壓強度;同時又使金屬蒸汽迅速冷卻而凝結成固體，不讓其返回到弧隙中，以有利于弧隙中氣體粒子密度迅速降低和介質強度快速恢復。波紋管屏蔽罩包在波紋管周圍，使燃弧時產生的金屬蒸汽不致凝結到波紋管表面上，對波紋管具有保護作用。

圖2 真空滅弧室結構

3 觸頭材料

真空滅弧室的成功滅弧在很大程度上取決于觸頭材料的電氣開斷特性，主要包括耐電弧腐蝕特性、抗截流特性和電弧電壓恢復特性等。而這些電氣特性又主要由材料的機械強度、熔點、硬度以及熱導率等物理性質決定。近年來，真空斷路器得以廣泛應用也得益于觸頭材料的不斷發展。不同觸頭材料其電氣性能有較大區別，如圖3是幾種觸頭材料在開斷距離為10mm時的擊穿電壓對比情況。

圖3 不同觸頭材料擊穿電壓對比

3.1 耐電弧腐蝕特性

觸頭開斷、電弧起燃的瞬間，電流集中到電極間的少數接觸點上，損耗劇增，使得接觸點溫度急劇升高，引起電極金屬材料發生一系列物理化學變化(見圖4)。隨著觸頭的進一步分開，熔化的電極材料會變成金屬蒸氣。金屬蒸氣的溫度非常高，使得部分原子可能發生熱電離，加上觸頭剛分離時，間隙距離很短，電場強度很高，陰極表面在高溫、強電場的作用下又會發射出大量電子，并很快發展成溫度很高的陰極斑點[3]。陰極斑點不斷發射電子并產生金屬蒸氣，形成弧柱區，見圖5。弧柱區集聚著大量高溫的金屬離子、原子和電子，不斷的灼燒觸頭，使得觸頭表面逐漸粗糙變形，從而造成電磨損，即電弧腐蝕。

圖4 觸頭電弧腐蝕

電磨損主要有兩種形式:橋轉移和電弧轉移。橋轉移是觸頭分離前由于電流的熱效應使最后的接觸點局部熔化形成液態金屬橋，金屬橋在最后拉斷時會有部分由一極轉移到另一極，橋轉移每次轉移的材料體積很小[4]。電弧轉移主要發生在開斷短路電流時，高溫電弧作用于觸頭，使金屬材料熔化、汽化，并在強電場作用下發生轉移。因此，無論是那種形式的電磨損，高溫熱效應都是主要因素。觸頭耐電弧腐蝕性就取決于電極金屬材料的抗高溫性能，而抗高溫性能又由材料的抗拉強度、熔點和硬度等決定。試驗也表明，電極擊穿電壓測定值的差異主要是隨著觸頭材料的機械強度而變化的，具有較高抗拉強度和硬度的材料的擊穿電壓較高[5]。因為在高場強下，機械強度較弱的材料會放出大量松散的金屬微粒。放出微粒的難易程度取決于金屬中原子的固態結合力。

圖5

3.2 抗截流特性

當觸頭開斷時，由于真空間隙具有極好的恢復特性，電流在某些情況下會按電流正弦規律自然過零之前突然截斷，即電流截斷。由于電流被截斷，電路中的電感負載(如空載變壓器和電動機等)上剩余的電磁能就會在電路中引起很高的截流過電壓[6]，使電弧燃燒時間加長，電磨損量增大，系統絕緣遭到破壞，真空滅弧室壽命降低。

截流現象與觸頭材料物理性質也有著相當密切的關系。影響截流值的主要因素有電極材料的飽和蒸氣壓、熔點和熱導率等。一般認為，在一定溫度下飽和蒸氣壓和材料汽化速率之間有以下關系:

V=0.058P·M/T

式中:V—汽化速率，g/mc2·s;

T—絕對溫度;

P—溫度T時的飽和蒸氣壓，Pa;

M——分子量。

根據此關系式可知，在一定溫度下電極材料的飽和蒸氣壓越高，汽化速率越大，汽化出來的金屬蒸氣也越多，易于維持電弧的穩定，更難滅弧。另外，研究也表明，截流值和電極材料的熔點T0與其熱導率λ的乘積T0·λ有良好的相關性，T0·λ越大，截流值一般也越大[3]。表1是幾種材料的截流值對比情況。

表1 幾種材料的截流值

3.3 電弧電壓恢復特性

真空電弧電壓在很大程度上取決于陰極材料。這是因為電弧中散發的能量與電弧電壓成正比[4]，電弧電壓越低，電弧能量就越低，對觸頭造成的損傷就越小。真空電弧在電流過零熄滅后，如果觸頭間隙的絕緣強度得不到恢復，則一旦恢復電壓加于它的兩端，真空間隙會被再度擊穿，使電弧重燃。在燃弧期間，蒸發出來的蒸氣也使得電弧重燃更為容易[7]。因此，蒸氣離子和電子移開得越快，絕緣強度就恢復得越快。觸頭表面不僅將氣體冷卻，而且還給殘留的離子和電子中和、降溫提供了場地。由此可知，具有較高熱傳導率的觸頭材料能快速冷卻高溫粒子，加快絕緣恢復速度，降低電弧重燃的可能性。

表2 幾種材料的電弧電壓

4 電弧能量

4.1 累計開斷電流

開斷電流(I)直接關系到作用于觸頭的電弧能量(I2t)的大小，而電弧能量又是觸頭電壽命的決定性因素，因此，累計開斷電流長期以來是判斷真空斷路器是否需要更換的重要參量。圖6是銅鎢合金電極開斷短路電流與電磨損量的關系。

圖6 40%Cu60%W電極電磨損量與開斷電流的關系

由圖6可以看出，開斷電流增大，電磨損成倍數增加。特別是當開斷電流為短路電流時，陽極表面高溫熔化，產生直徑較大的腐蝕物微粒，并在電流過零后，電極表面形成熱熔化坑。這個熔化坑慢慢冷卻，成為電弧熄滅后殘余金屬蒸氣的源泉，使滅弧室滅弧過程變長，滅弧難度加大[4]。電弧熄滅后，電極會改變極性，而且陰極會出現熔化了的液態坑，高電壓對熔化坑的作用使坑在高電場下破裂，從而降低間隙擊穿電壓，使觸頭進一步遭受損傷，降低電壽命。

4.2 燃弧時間

燃弧時間是指某相中首先起弧瞬間到各相中電弧最終熄滅的時間間隔[8]。它的長短直接體現滅弧室的滅弧能力，燃弧時間越長，觸頭電磨損越嚴重，電弧越難熄滅。這是因為在開斷瞬間，觸頭開距較小，介質恢復強度較弱，此時真空金屬蒸汽處于高密度狀態，電流在第一次過零后間隙又被擊穿，使電弧重燃[9]。

圖7 開斷電流與恢復時間的關系

圖7是開斷電流與介質恢復時間的關系曲線，一般認為，斷路器開斷電流越大，燃弧時間越長(見圖8)，介質恢復速度越慢，恢復時間越長。根據文獻[10]，G.Frind提出的介質恢復時間與燃弧時間有如下關系式:

式中:Tr為介質恢復時間;Ta為燃弧時間;k為常數。

由此關系式可知，燃弧時間過長會使恢復時間加長，從而增加絕緣介質重擊穿概率，甚至可能導致開斷失敗。根據大量的試驗結果也證明，真空斷路器在開斷短路電流試驗中，當開斷電流逐漸增大時，平均燃弧時間也隨之增長，分散性也增大，復燃和重擊穿的概率增大，在反復經歷這一過程之后，斷路器就喪失了開斷能力[11]。

圖8 開斷電流與燃弧時間的關系

4.3 開斷速度

觸頭開斷速度對燃弧時間有重要影響，開斷速度越慢，電弧停滯時間越長，作用于觸頭的能量越高，電磨損越嚴重。這是因為觸頭表面氣化產生的金屬蒸汽在流經弧柱時被強烈地加熱，并平行于觸頭表面向外流出，若開斷速度慢，則在開斷初期，動、靜觸頭之間的距離較小，高溫金屬蒸氣以較高的速度流經觸頭表面時，大部分熱量又傳回觸頭表面，使觸頭表面出現嚴重熔化。當嚴重的熔化現象與高速氣流流經觸頭表面產生的剪切應力一起出現時，大塊的金屬材料可能從觸頭表面上脫落，使電磨損更加嚴重。因此，觸頭的分斷速度不宜太低[3]。

但是開斷速度并不是越快越好，據有關研究，當分斷速度大于6m/s時，其對電弧停滯時間的影響就非常小了[12]。而且提高分斷速度需要加強分斷彈簧等機械機構的強度，也會給滅弧室帶來振動問題[13]，因此，過分增大觸頭開斷速度未必對提高滅弧室壽命有利。

5 真空度

真空度是表征真空斷路器滅弧室絕緣性能的主要指標。若真空度沒有達到工作要求，滅弧室絕緣強度不夠，則在斷路器開斷電流時，電弧電流過零后，觸頭間隙間的暫態恢復電壓速度快于觸頭間隙絕緣恢復速度，電弧就會重燃，從而導致開斷失敗。

表3 不同真空度下的氣體分子密度

通常，真空滅弧室的真空度即真空壓力值在1.33×10－2～1.33 ×10－5Pa之間，屬于高真空范疇[14]，在這樣高的真空度下，氣體的密度很低，氣體分子的平均自由路程很長，因此觸頭間隙的絕緣強度很高。表3是不同真空度下的氣體分子密度情況。為保證滅弧室的可靠工作，其真空壓力有一個允許的最大值，當真空壓強高于此值時，真空滅弧室將失去其滅弧能力。例如對真空斷路器滅弧室，我國部標(JB)技術中規定其真空壓強的允許最大值為1.33×10－2Pa，國標(GB)中為 6.6 ×10－2Pa[15]。圖 9 是真空間隙為1mm的情況下鎢電極的擊穿電壓隨真空度的變化曲線。由圖可見，當壓強低于10－3Pa時，擊穿電壓基本保持不變。這是因為氣體分子的碰撞游離已經不起作用，擊穿電壓由其他條件決定;當壓強大約高于10－1Pa，低于102Pa時，擊穿電壓明顯隨壓強增大而減小，曲線呈現直線下降趨勢。

圖9 鎢電極的擊穿電壓隨真空度的變化

6 結論

綜上所述，觸頭材料的熔點、硬度等物理特性決定了觸頭的耐電弧腐蝕和抗截流特性以及電弧電壓恢復能力;累計開斷電流、燃弧時間和開斷速度直接影響電弧能量的大小，而電弧能量是造成觸頭電磨損的直接因素;真空度可作為滅弧室內的絕緣強度的表征參量，真空度越高滅弧越迅速，電弧所造成的電磨損越小。觸頭材料、電弧能量和真空度都直接影響真空斷路器滅弧室的運行狀態，建立評估模型需綜合考慮三者的特點和相互作用，從而有效預測滅弧室壽命。

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