真空斷路器觸頭的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

林仁杰 李夢如 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電公司

對于一個(gè)斷路器，在線路穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，斷路器要能夠承載負(fù)荷，長期運(yùn)行；在線路需要進(jìn)行負(fù)荷分?jǐn)鄷r(shí)，能夠安全滅弧，并在滅弧之后保持一定的絕緣性，防止電壓擊穿，電弧重燃；在進(jìn)行負(fù)荷接入時(shí)，能夠穩(wěn)定合上，及時(shí)滅弧，確保高溫下不會(huì)造成觸頭的粘合；在故障來臨的時(shí)候，能夠短期承受故障電流并可安全分?jǐn)唷Ｓ|頭作為斷路器兩個(gè)斷口的接觸部分，是電弧燃燒最直接的地方，其性能的好壞嚴(yán)重影響著整個(gè)斷路器的開斷表現(xiàn)。本文主要介紹真空斷路器觸頭的發(fā)展現(xiàn)狀，然后結(jié)合電網(wǎng)的發(fā)展需要，材料制作工藝的發(fā)展等方面來展望未來觸頭的發(fā)展。

一、觸頭結(jié)構(gòu)的發(fā)展

在觸頭應(yīng)用的早期，人們普遍使用平板式觸頭。電弧在觸頭上隨機(jī)燃燒，開斷能力差，只能開斷較小的短路電流。20 世紀(jì)60年代初，人們開始意識(shí)到可以通過改變觸頭結(jié)構(gòu)在觸頭間產(chǎn)生磁場以控制電弧運(yùn)動(dòng)，從而提高觸頭的開斷能力。磁場控制型觸頭根據(jù)其產(chǎn)生磁場的方向可以分為縱磁觸頭、橫磁觸頭和縱橫復(fù)合觸頭[1,2]。

（一）橫磁觸頭

當(dāng)電流流過橫磁觸頭時(shí)，會(huì)在觸頭間隙產(chǎn)生沿徑向方向的磁場。在觸頭間隙產(chǎn)生電弧時(shí)，橫向磁場會(huì)對電弧產(chǎn)生一個(gè)沿切向方向的力，使得電弧在觸頭表面上旋轉(zhuǎn)。電弧在觸頭表面上旋轉(zhuǎn)，使得弧根不會(huì)在一個(gè)固定的地方燃燒，降低了觸頭表面的局部燒蝕，從而提高了觸頭的開斷能力。但橫磁作用下的電弧高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)常會(huì)有電弧甩出觸頭間隙，電弧燃燒相對不穩(wěn)定。

（二）縱磁觸頭

縱磁觸頭跟橫磁觸頭原理一樣，都是通過觸頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得電流流過觸頭時(shí)產(chǎn)生磁場，從而對觸頭間的電弧進(jìn)行控制。縱磁觸頭產(chǎn)生的是沿觸頭軸向的磁場。在縱向磁場的作用下，真空電弧等離子體柱呈現(xiàn)收縮狀，抑制電弧等離子體運(yùn)動(dòng)到觸頭間隙外。縱磁觸頭下的電弧燃燒穩(wěn)定，電弧能量損失小，電弧電壓相對較低，一定程度上降低了觸頭面的燒蝕。

（三）縱橫復(fù)合觸頭

橫向磁場作用下的電弧高速旋轉(zhuǎn)卻不穩(wěn)定，縱向磁場作用下的電弧能夠有效限制在觸頭間隙內(nèi)燃燒。針對兩種觸頭的優(yōu)點(diǎn)，人們又設(shè)計(jì)出一種新型的觸頭結(jié)構(gòu)，縱橫復(fù)合觸頭。該觸頭結(jié)構(gòu)大致分為外面的杯狀結(jié)構(gòu)和中間的盤狀結(jié)構(gòu)，觸頭間的電弧受到外杯狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縱向磁場作用下，限制在觸頭間燃燒，觸頭間的電弧受到盤狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向磁場作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，避免局部持續(xù)的燃燒。

二、觸頭材料的發(fā)展

對于觸頭材料，人們希望材料屬性能夠抗熔焊性能強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)，導(dǎo)電能力強(qiáng)，耐高壓，耐大電流，較低的燒蝕率，較高的使用壽命，較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等。

在最開始的材料研究中，人們先是尋找了一些純金屬材料。純銅材料有較好的導(dǎo)電能力，高電壓大電流的耐受能力較強(qiáng)，材料本身實(shí)惠易得，基于以上的有點(diǎn)，純銅材料最開始獲得人們的青睞，并投入了使用。隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)用電需求增高，大電流下的純銅觸頭易出現(xiàn)熔焊變形，使用壽命短。于是人們開始尋求新的觸頭材料，銅基合金，從最開始的CuBi 合金到后面廣泛運(yùn)用的CuCr 合金，人們做了大量的研究。現(xiàn)在市場上的觸頭材料普遍為CuCr 合金[3]。后來人們開始研究在CuCr 合金中添加一些重金屬物質(zhì)來改變材料性質(zhì)。如，添加W、Mo 等難熔金屬，可以增加觸頭的抗電壓強(qiáng)度。

隨著電壓電流的進(jìn)一步增高，對于觸頭材料的要求也隨之發(fā)生了變化，尋找新型理想材料的腳步并未停止。

三、真空斷路器未來展望

（一）材料制備工藝

近些年來，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們不僅僅追求材料的選擇，也在追求新型的制作工藝。除了熔鑄法、熔滲法、粉末冶金法等老的制作工藝外，為了使合金材料更加均勻，材料表面更加細(xì)膩，現(xiàn)在還引進(jìn)了一些新的制備工藝，如電弧燒蝕法等。新的材料性能會(huì)對觸頭開斷能力產(chǎn)生大的影響，是未來發(fā)展的一個(gè)主題。

（二）觸頭結(jié)構(gòu)

通過對觸頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠?qū)﹄娀∵M(jìn)行磁場控制。現(xiàn)在研究最多的是徑向方向的橫向磁場和軸向方向的縱向磁場。未來對于不同形態(tài)的電弧可以運(yùn)用不同的磁場方向進(jìn)行電弧控制，從而達(dá)到較強(qiáng)的開斷能力。

（三）環(huán)境友好型斷路器

隨著全球溫室效應(yīng)越來越嚴(yán)重，對于SF6 氣體的限制有部分國家已經(jīng)從之前的限制排放到完全禁止排放。真空斷路器也將慢慢替代SF6 斷路器，成為電網(wǎng)斷路器的主流。但是真空斷路器電流開斷能力遠(yuǎn)不及SF6 斷路器來得穩(wěn)定，于是，人們便想到了對斷口進(jìn)行均壓分流處理，用多個(gè)真空斷路器代替一個(gè)SF6 斷路器進(jìn)行開斷。多斷口均壓分流的處理方式也慢慢進(jìn)入了人們的討論當(dāng)中。

四、結(jié)語

真空斷路器是環(huán)境友好型社會(huì)未來發(fā)展不可或缺的一部分。開斷能力一直是評判一個(gè)斷路器好壞的重要指標(biāo)，如何優(yōu)化真空斷路器的觸頭結(jié)構(gòu)，找到適合觸頭制作的材料，運(yùn)用先進(jìn)的材料制作工藝是提高真空斷路器的硬性條件。穩(wěn)定的開斷與接入才能保證電網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行。