真空滅弧室的額定觸頭壓力計算及降低

摘 要：額定觸頭壓力是真空滅弧室的關鍵參數之一，不同的觸頭壓力將對真空斷路器的性能產生不同的影響，包括積極因素和消極因素，更小的觸頭壓力有利于真空斷路器的小型化。文中分析了在真空滅弧室上施加額定觸頭壓力的原因，給出了最小額定觸頭壓力的計算公式，得到了影響真空滅弧室額定觸頭壓力的因素。當峰值耐受電流值確定后，調整觸頭直徑和觸頭材料可以影響真空滅弧室的最小額定觸頭壓力，通過合理選擇觸頭直徑和觸頭材料，能夠有效的降低額定觸頭壓力。

關鍵詞：真空滅弧室；額定觸頭壓力；降低

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.004

0 引言

真空滅弧室是真空斷路器的核心組件，施加在真空滅弧室上的觸頭壓力的大小將直接影響真空滅弧室和真空斷路器的性能。觸頭壓力不足時，將不能保證真空滅弧室的觸頭接觸良好，會使真空滅弧室的電阻增大，進而影響真空滅弧室的溫升性能。此外，觸頭壓力不足還會使真空滅弧室在進行額定峰值耐受電流試驗時觸頭分離，嚴重時會導致觸頭熔焊，試驗失敗。另一個方面，如果觸頭壓力足夠，那么將不會出現由于觸頭接觸不好導致的電阻大和額定峰值耐受試驗時的觸頭分離和熔焊。

由于開關和斷路器的結構和尺寸限制，真空滅弧室的觸頭壓力不能無限增大，所以合理的選擇觸頭壓力使真空滅弧室一方面能夠滿足回路電阻和峰值耐受電流的要求，同時又有利于真空斷路器和開關的結構設計成為了必然的選擇。

當前，真空滅弧室生產廠家在產品樣本中給出了各自的額定觸頭壓力要求。然而，隨著絕緣水平的提高和環境的限制，對于真空斷路器和真空滅弧室外形尺寸的限制越來越多，體積減小將影響斷路器向真空滅弧室提供的額定觸頭壓力，斷路器能夠提供的觸頭壓力將減小。研究分析真空滅弧室額定觸頭壓力和降低額定觸頭壓力成為應對該問題的有效措施。

1 額定觸頭壓力的計算

在進行動熱穩定試驗時，斷路器提供給真空滅弧室的額定觸頭壓力至少能夠抵抗兩個觸頭之間產生的電動斥力，避免觸頭在電動斥力的作用下分離，避免出現觸頭熔焊問題。

1.1 觸頭間電動斥力的產生

假定真空滅弧室的兩個觸頭接觸面都是理想狀態，則觸頭表面的電流將沿圖1中箭頭所示方向流動。此時，電流流過兩個觸頭表面將不產生使兩個觸頭分離的電動斥力。

然而，實際觸頭的表面狀態不可能是理想狀態，兩個觸頭接觸時將會是數個凸起的點接觸，假定兩個觸頭的實際的接觸點是位于觸頭中心的微小圓柱體，則此時極限條件下觸頭中的電流路徑如圖2所示。

可以看出，此時觸頭中的電流方向發生變化，先沿觸頭邊沿向中心接觸點運動，之后通過接觸點到下一片觸頭，再從中心接觸點運動到觸頭邊沿。通過左手定則可以判斷出，當兩個導體中的電流方向相反時，兩個導體之間產生的電動力為斥力。

當電流流過真空滅弧室時，兩片觸頭之間產生的電動力為斥力。產生電動斥力的原因是真空滅弧室觸頭表面存在“微凸起”，兩片觸頭不能完全解除，觸頭中的電流路徑發生變化。由于真空滅弧室中觸頭表面受多種因素的影響，包括機械加工，機械碰撞、電弧燒蝕等，真空滅弧室的觸頭表面始終達不到理想狀態，觸頭表面的“微凸起”將始終存在。當電流流過真空滅弧室時，兩個觸頭之間總是會產生電動斥力。

1.2 觸頭間電動斥力的計算

通過之前的分析可知，觸頭之間的電動斥力是由于電流沿著特殊路徑流過觸頭時產生的磁場作用于流過觸頭的電流產生的。為了簡化計算，假定接觸點位于觸頭中心部位，電流路徑如圖3所示。

將每一個電流路徑近似為一條載流導線，通過電磁學方法可以計算出每一條載流導線附近的磁場強度，進而計算出該導線流過電流時所受到的磁場力大小，其中極坐標點（r，α）處的磁場強度可以表示為：

通過積分可以算出整個觸頭所受到的垂直方向的電動斥力的綜合為：

式（1-2）中I表示流過觸頭的總電流，D表示觸頭半徑，d表示接觸點的半徑。通過式（1-2）即可計算出電流流過兩個觸頭時，兩個觸頭之間的電動斥力。但是，實際上，由于接觸點半徑d未知，只能通過估算得到。

通常情況下，真空滅弧室的觸頭材料是提前選定的，其硬度值也是確定的。考慮兩個觸頭接觸過程，接觸時觸頭之間的“微凸起”首先接觸，在觸頭壓力作用下“微凸起”將頂在另一個觸頭平面并發生變形，變形后的“微凸起”部分就是兩個觸頭中間的接觸點，變形后“微凸起”的等效半徑可以代替接觸點的半徑。近似認為觸頭之間之發生塑性形變，不發生彈性形變時，“微凸起”的半徑和材料硬度及所受力之間的關系可以表示為：

式（1-3）中B表示材料的布氏硬度，d表示“微凸起”半徑，F表示施加在“微凸起”上的力。

在觸頭接觸過程中，觸頭表面“微凸起”接觸到另一個觸頭后所受到的壓力就是額定觸頭壓力減去觸頭之間的電動斥力，所以式（1-2）和（1-3）中的力F的表示相同的值。將式（1-3）帶入式（1-2），可以得到觸頭之間電動斥力的計算公式：

額定觸頭壓力是觸頭簧施加在觸頭上的力，該力值在抵擋電動斥力的條件下，保證觸頭接觸，即額定觸頭壓力應該不小于觸頭之間的電動斥力，可以認為最小觸頭壓力等于電動斥力。通過式（1-4）可以計算真空滅弧室的最小觸頭壓力。

2 降低額定觸頭壓力的措施

從第一部分的分析可知，在真空滅弧室上施加額定觸頭壓力的原因是抵擋大電流流過真空滅弧室時產生的電動斥力，避免電動斥力的作用使真空滅弧室的觸頭分離。故而降低額定觸頭壓力可以通過降低大電流流過真空滅弧室時產生的電動斥力來實現。

2.1 合理的選擇觸頭材料

式（1-4）中，觸頭的布氏硬度值和觸頭之間的電動斥力成正比，通過減小觸頭的布氏硬度值可以適當的減小真空滅弧室的最小額定觸頭壓力。常用銅鉻材料的硬度值如下表1所示。

可以看出，不同觸頭材料的硬度值有較大的差異，CuCr觸頭材料的硬度值只有CuW觸頭材料硬度值的三分之一。通過式（1-4）可以計算得出，只考慮觸頭材料硬度的影響時，使用CuCr觸頭材料的真空滅弧室的最小額定觸頭壓力可以比使用CuW觸頭材料的真空滅弧室減小約20%。

通過添加其他金屬材料可以改善CuCr觸頭材料的性能，包括開斷能力、絕緣能力以及材料硬度等。新添加材料對于觸頭性能有可能出現互相干涉的情況，故通常需要進行大量的試驗來確認新添加材料對于觸頭性能的影響。

2.2 容性關合涌流對場致發射電流的影響

觸頭直徑大小也和觸頭直徑的電動斥力成反比，故減小觸頭的直徑可以實現降低最小額定觸頭壓力的目標。當觸頭半徑從30mm減小到15mm時，使用式（1-4）可以簡化的計算出電動斥力的變化，電動斥力降低20.6%，對應的最小額定觸頭壓力也能夠降低20.6%，降低效果明顯。

然而，由于觸頭直徑與真空滅弧室的額定短路電流開斷能力有關，很難大幅度的降低真空滅弧室的觸頭直徑。降低觸頭直徑時需要對真空滅弧室的開斷能力進行計算和試驗，確保不影響額定短路電流開斷。

3 結論

額定觸頭壓力時真空滅弧室的關鍵參數之一，降低額定觸頭壓力有助于實現開關設備的小型化。文中通過分析在真空滅弧室上施加觸頭壓力的原因，給出了電流流過觸頭表面時產生的電動斥力的計算方法，并提出通過合理選擇觸頭材料和觸頭直徑來實現降低真空滅弧室額定觸頭壓力的目標。

參考文獻：

[1]P.G.Slade，“The Vacuum Interrupter Theory，Design and Application”，Boca Raton， London，New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2008：177-190.

[2]張冠生.電器理論基礎[J].145-167.

作者簡介：馮衛剛（1983-），男，工程師，從事真空滅弧室設計和工藝工作。endprint