真空斷路器滅弧系統的解析

李碩，付思，魏喜成，李志洋（沈陽工業大學，遼寧遼陽，111003）

真空斷路器滅弧系統的解析

李碩，付思，魏喜成，李志洋
（沈陽工業大學，遼寧遼陽，111003）

本文介紹了真空電弧的滅弧機理，在此基礎上分析滅弧系統中電極結構、電極材料、屏蔽罩和真空度等對真空斷路器滅弧性能的影響。

真空斷路器；滅弧系統；影響

1 真空斷路器滅弧系統結構設計

通常真空斷路器的主導電回路由上出線端子、下出線端子與真空滅弧室內部電極組成，其中通過導電夾、軟連接、連接桿互相接觸實現導電連接。滅弧系統存在真空滅弧室內，密封在真空外殼內部，有兩個電極，一個靜電極和一個動電極，包括屏蔽罩等部件構成。目前滅弧系統中各部件的形狀尺寸眾多，但多數有一個典型的結構。圖1所示為典型的真空斷路器滅弧系統示意圖[1]。

圖1 特瑞德公司ISM系列額定值為12kV/630A/20kA真空斷路器

真空斷路器開斷電流的方法就是：把密封在真空中的兩個金屬電極拉開就能可靠地分斷高壓電路的大電流。斷路器在操作過程中，通過操動機構使驅動絕緣子動作，帶動驅動拉桿使動電極動作，產生一定的開距。由于真空斷路器的開距與開斷容量具有飽和性，電極之間的開距一般比較小。

由于真空中電弧的能量小加之粒子在真空中的強擴散作用，使得真空斷路器有較優良的滅弧特性。針對不同的開斷電流，真空斷路器的結構設計各不相同，開斷小電流，利用高真空的強擴散作用采用平板電極與相應開距來開斷電流；開斷大電流，通常采用加強磁場和內部自生磁場橫磁場（TMF）或縱磁場（AMF）共同作用下的電弧控制系統，分斷電弧。而在分斷電流大小不同，開斷時期不同，磁場與電極結構、材料相互配合得到的最優的熄弧能力，仍需要大量的理論和實驗研究。

2 真空中的滅弧機理

當一對載流觸頭在真空中分離時產生電弧。但由于真空中不存在氣體，電弧必須在觸頭材料的金屬蒸氣中燃燒，這種電弧就是金屬蒸氣電弧。所以真空電弧實際上可理解為“真空環境中的金屬蒸氣電弧”。

真空中電弧開斷的優勢可以總結為：電弧電壓低、燃弧時間短、電弧能量低，因而電流開斷時所產生的熱也很少。真空中電弧的熄滅取決于低氣壓電弧的載流子、尤其是電子強烈的擴散。在弧心處，充滿了高壓的金屬蒸氣，離開弧心壓力急劇下降，容器壁附近壓力降到10-3-10-6Pa的低氣壓柱，由于中性原子很少，載流子的遷移率很高，電子的擴散非常強烈。由于屏蔽罩與電極的空間中電子、離子都充分被電極所吸收，所以在恢復電壓極性翻轉后，剩余電流也是極小的。真空中電弧電壓很小，由于真空電弧低密度弧柱周圍的熱傳導及熱輻射損失很小，弧柱的熱損失很小，電弧電壓的很大一部分是陰極附近的電壓降，幾乎與電弧間隙長度無關。

根據真空斷路器內部結構與真空中的滅弧機理特點，滅弧系統性能受真空滅弧室中各部件的特性影響。

3 真空斷路器滅弧性能的影響因素

3.1 電極結構的影響

國內外學者致力于應用電弧的控制技術，來提升真空斷路器的滅弧性能。電弧控制技術是主要思想是通過短路電流自身產生磁場，需要設計各類電極結構產生特定的磁場，包括橫磁（TMF）或縱磁（AMF），其工作方式分別是：橫磁場使電弧移動，縱磁場使電弧在它的自然聚焦點上保持擴散。

電極結構有螺旋槽電極結構、單極多極線圈式電極結構、杯狀電極結構、折疊花瓣電極結構，萬字型電極結構等。

螺旋槽電極在電弧徑向產生磁場力，使電弧在電極表面上沿圓周方向運動，可防止了電極表面的局部加熱。線圈式縱向磁場電極是在內部觸頭背面設置一個能產生縱向磁場的線圈來提高真空滅弧室的開斷能力。杯狀電極結構的杯壁上有許多傾斜的槽，形成多個觸指，動觸頭和靜觸頭的斜槽傾斜的方向彼此相反，電流流過杯壁上的觸指時，有很大的切向分量電流，產生橫向磁場。折疊花瓣電極結構在原有杯狀電極結構基礎上進行改進設計，將斜槽數減少到3、4個，使斜槽與軸線的夾角作顯著擴大，并伸長了斜槽長度，大大增加了橫向磁吹電弧的作用。萬字型電極結構觸頭片上開有萬字型槽隙，電流從上導電桿流入，經過觸臂和電弧柱，從下導電桿流出，對電弧柱產生垂直于電弧的橫向磁吹力。

如何巧妙地應用磁控方式和電極結構相配合，是提升真空開斷容量的不變話題。

3.2 觸頭材料的影響

真空電弧實際上是真空環境中的金屬蒸氣電弧，電極材料充當了電弧的導電介質。改變電極的材料是改變基本的電弧特性、耐壓能力和截流情況。

目前，真空斷路器的電極材料廣泛采用CuCr材料，Cu具有低的熱電子發射能力、良好的導熱和導電性保證了良好的開斷性能，而Cr的硬脆特性保證電極有較好的耐壓和抗熔焊性能，而且Cr與氧的高度親和性保證了真空斷路器在開斷大電流時，尤其是接近電流過零前，具有大量的吸氣作用，有利于提升電弧開斷能力。對于更高電壓等級的觸頭還可通過添加第3種元素來改進CuCr觸頭材料的絕緣性能，例如鋯Zr元素、鎢W元素，以提高電極的耐壓能力。

3.3 屏蔽罩的影響

屏蔽罩一般采用Cu、Ni、Fe、不銹鋼等金屬制造，其作用如下。

(1）從弧區飛濺出的金屬蒸氣與粉末直接凝結在絕緣容器的內壁，防止絕緣容器內的絕緣強度降低。

(2）進入電弧屏蔽罩的金屬蒸氣和粉末有效地凝結，使開斷成功。

(3）與輔助屏蔽罩一起使滅弧室內電場分布改善。

屏蔽罩對金屬凝結系數評價對開斷容量的影響，如凝結系數為1時，進入屏蔽罩的粒子無返回地全部被屏蔽罩內壁所捕獲。對于銅而言，在室溫下其凝系數為0.899，157℃時降為0.797。因此凝結面須保持在較低的溫度下，同時屏蔽罩的厚度對開斷容量也有影響。在設計滅弧系統過程中，應重視屏蔽罩對其性能的影響。

3.4 真空度的影響

真空斷路器的長壽命和滅弧的可靠性主要是由真空外殼的可靠性和壽命決定的。真空斷路器要長期維持高度真空必須解決以下三個問題。

(1)真空外殼容器漏氣問題。

(2)從真空外殼內的零件中放氣的問題。

(3)真空外殼容器的透氣問題。

真空設備、真空檢測、真空工藝等技術迅速發展，使得真空斷路器內維持高真空度的問題基本得以解決。

4 結語

隨著電力系統輸電電壓等級的提升，智能電網的應用，真空斷路器滅弧系統和整體結構上都有了進一步的發展。2016年，ISDEIV國際會議英國VIL公司推出12kV/25kA/1250A自開斷真空斷路器SAVI樣機[2]，其中主回路均在真空滅弧室內，結構簡單，零件數目非常少，其中滅弧系統、主回路與運動系統共處一室，且要求高真空度密封，有著各種如開斷、絕緣和溫升等技術問題尚未清晰，仍需進一步研究。但這種自開斷的真空斷路器外型結構完全整體化，無任何外接運動部件，適合各類戶內、戶外與各種特殊場合。這種結構改變的不單單是真空斷路器的結構，同時將帶動電力系統其他電器的結構與連接方式的改變，這將是真空斷路器的一場革新，也將是日后真空滅弧系統和真空開關的研究方向。

[1]鞠佳,特瑞德.單穩態永磁操動機構真空斷路器服務中壓配電網[J].電氣應用. 2009年第28卷第6期, 10-13.

[2]L.T.Falkingham and W.J.Molan. The Self Actuating Vacuum Interrupter(SAVI): A New Concept in Vacuum Interrupter Technology. 2016,27rd ISDEIV,525-528.

Analysis of arc extinguishing system of vacuum circuit breaker

Li Shuo,Fu Si,Wei Xicheng,Li Zhiyang
(Shenyang University of Technology,Liaoyang Liaoning,111003)

In this paper, it presents the vacuum arc extinguishing mechanism. Based on the analysis of arc extinguishing system, it studies the influence on the arc extinguishing capacity of the electrode structure, electrode material, shield and the vacuum degree.

Vacuum Interrupter;Arc extinguishing system;Influence

2016年遼寧省教育廳科學技術研究項目“新型一體化真空斷路器整體優化設計的研究”，項目編號：LGD2016033。