真空滅弧室鐵心縱磁結構應用研究

摘 要：真空開關在中國大量使用已30年，由于產品一直在向小型化發展，特別是斷路器用真空開關，帶來的溫升超標問題困擾了真空開關行業多年，老結構的真空滅弧室接觸電阻較大，急需研發一種低電阻的新結構真空滅弧室解決溫升問題，鐵心縱磁結構真空滅弧室應運而生。

關鍵詞： 鐵心縱磁結構；不開槽觸頭；磁場；低電阻；低成本

真空開關在運行過程中，經常出現溫升超標的問題，而真空開關的核心部件是真空滅弧室，根據導體發熱公式，Q=I2RT，電阻越小產生的熱量越小，低電阻才能避免溫升超標；而老結構的真空滅弧室接觸電阻較大，為應對市場需要，研發一種全新結構的低電阻真空滅弧室以滿足市場需求。斷路器用真開關的真空滅弧室常常采用縱磁結構設計。傳統用的是杯狀線圈縱磁結構設計。

真空滅弧室縱磁場的作用是把聚集型電弧變成擴散型電弧并把電弧控制在兩觸頭之間燃燒，以免燒壞其他零件造成開斷失敗。

現在就同等規格對新老兩種結構的接觸電阻作計算比較，采用TD口-12/1250-31.5型號滅弧室為例進行計算，即，額定電壓12kV，額定工作電流1250A，額定短路開斷電流31.5kA，觸頭直徑都是φ60mm，。

1 傳統杯狀線圈縱磁結構

如圖1，該結構是用杯座的偏斜槽產生的磁場，有橫磁分量和縱磁分量，如果偏斜槽靠近觸頭處與端面的夾角小于450，則縱磁分量大于橫磁分量，起控弧作用的就是縱磁場。該結構的主要缺點是接觸電阻較大，原因是電流路徑較長，導電桿經過觸頭座與觸頭連接，觸頭座開偏斜槽，電流路徑較長。

采用相同規格的兩種結構進行計算電阻做比較

根據銅電阻計算公式：

以觸頭座高度H=30mm，座半徑30mm，偏斜槽與觸頭平面夾角200，延觸頭座外圓旋轉900計算；則該段電流電流路徑不再是30mm，而是變為觸頭座偏斜槽的長度加上導電桿外圓與觸頭座外圓的距離。把觸頭座偏斜槽長度L1（近似為直線）、觸頭邊緣長度L2（900傘形外圓近似為直線）、與觸頭座高度H一起看成一個直角三角形，粗略計算偏斜槽長度L1為：

導電總長度為L=L1+L3 L3= 觸頭座半徑-導桿半徑（導桿半徑取10mm）=0.03-0.01=0.02（m）

L=0.05584+0.02=0.07584（m）

觸頭座半徑30mm，厚度取5mm，則簡要計算導電截面積

S=π×302-π×（30-5）2=863（mm2）

則該段路徑電阻為：

R=ρ*L/S=0.0175×0.07584/863Ω=0.000001537Ω=1.537μΩ

（ρ為銅的電阻率，在攝氏20度時，為0.0175Ωmm2/m。）

2 新型鐵心縱磁結構

如圖2，鐵心結構是用DT4電磁純鐵產生的感應電流，從而產生的感應磁場，并形成一個上下串聯的磁通回路，通過觸頭間隙的磁通呈縱向，呈上下交替的交變磁場。該結構導電桿直接與觸頭連接，電流路徑較短，所以電阻小。

導電桿直接與觸頭連接，則導電路徑與線圈結構觸頭座高度相同

L=30mm=0.03m

導電截面積取與線圈結構觸頭座一樣，即

S=863（mm2）

則該路徑的電阻為

R=ρ*L/S=0.0175×0.03/863

=0.000000608Ω=0.608μΩ

可見，鐵心結構比線圈結構電阻小得多。

對比相同產品兩種結構整個滅弧室電阻實測值（TD口-12/1250-31.5）

從表1可看出，鐵心結構比線圈結構電阻小很多。

另：為防止渦流的破壞，線圈結構觸頭需開槽，而鐵心結構由于磁場方向上下交替，觸頭上產生的渦流大多能相互抵消，所以觸頭無需開槽。

鐵心結構不像線圈結構可用于任何電流等級，鐵心結構有局限性：由于鐵心觸頭結構的縱磁場馬蹄形開口寬度先隨著寬度的增大而增加，直至某一值后又開始減小，如圖2、圖3；因此在一定條件下有一個最佳開口寬度范圍，但變化幅度不顯著。開口寬度過分減小容易遭致在開斷大電流時的鐵心飽和，并且可能不能滿足導電桿給定尺寸的要求，對導電桿的直徑有局限性。根據經驗，建議該結構用在12kV電壓等級，額定工作電流2000A、額定短路開斷電流31.5kA及以下產品比較合適，在這個范圍內比傳統線圈結構有優勢。

對比線圈結構，鐵心結構的優勢：

1） 結構比線圈簡單，釬焊時，需焊料較少，比較經濟，并且不存在堵槽的問題；

2）接觸電阻低，解決一定額定電流的真空滅弧室溫升超標的問題，無需外加散熱器等措施；

3）觸頭上可以不開槽，因為觸頭間的縱向磁場為上、下交替，使在觸頭上產生的渦流大多相互抵消。

3 結束語：

該鐵心縱磁結構真空滅弧室配套的真空開關在西安高壓電器研究院試驗檢測中心通過了全套型式試驗，試驗證明在額定電壓12kV、額定工作電流2000A、額定短路開斷電流31.5kA及以下等級真空滅弧室，采用鐵心結構替代傳統的線圈結構，能達到解決真空開關溫升超標的目的。且造價比傳統線圈結構低，工藝實施簡單，值得推廣應用。

參考文獻：

[1]（王季梅）教授著《真空電弧理論研究及其測試》 第一版 西安 西安交通大學出版社 1986年11月 P76-P82

[2]（王季梅）教授著《真空開關理論及其應用》 第一版 西安 西安交通大學出版社 1993年5月 P139-P147

[3] （波黑） 米爾薩德.卡普塔偌維克（Mirsad Kapetanovic）著《高壓斷路器—理論、設計與試驗方法》High VoLtage Circuit Breakers 譯著 西安 機械工業出版社 2014年11月 P108-P109

作者簡介：

顧斌（1968-），男，工程師 ，1990年畢業于貴州師范大學物理專業，本科，同年分配到中國振華電子集團宇光電工有限公司工作至今，長期從事真空滅弧室產品研發設計，獲得過四項轉利，專利編號：ZL2016 2 1273970.X ZL2012 2 0337672.8 ZL2012 2 033809.0 ZL2011 2 0179996.9