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　　1.什么是真空

　　真空是指在給定的空間內(nèi)，遠(yuǎn)低于一個環(huán)境大氣壓的氣體狀態(tài)。真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度通常用真空度來描述，以壓強(qiáng)值來表示。

　　壓強(qiáng)越高則真空度越低;壓強(qiáng)越低則真空度越高。真空滅弧室中，真空度很高，一般為10-3Pa～10-4Pa。

　　2.什么是真空滅弧室

　　真空滅弧室也叫真空開關(guān)管或真空泡，是真空開關(guān)的核心器件。它是用一對密封在真空中的電極(觸頭)和其它零件，借助真空優(yōu)良的絕緣和熄弧性能，實(shí)現(xiàn)電路的關(guān)合或分?jǐn)啵谇袛嚯娫春竽苎杆傧ɑ〔⒁种闺娏鞯恼婵掌骷?/span>

　　3.真空滅弧室的分類

　　按外殼分：玻璃真空滅弧室、陶瓷真空滅弧室。

　　按用途分：斷路器用真空滅弧室、負(fù)荷開關(guān)用真空滅弧室、接觸器用真空滅弧室、重合器真空滅弧室、分段器用真空滅弧室及其它特殊用途真空滅弧室。

　　4.真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)

　　真空滅弧室主要由氣密絕緣系統(tǒng)、導(dǎo)電系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)幾部分組成。

　　4.1.絕緣外殼

　　材料：絕緣外殼的材料有玻璃、陶瓷、微晶玻璃三種。微晶玻璃價格昂貴，因而沒有得到過實(shí)際應(yīng)用;玻璃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，使用量已逐漸減少;陶瓷綜合性能最好，因而應(yīng)用最廣泛。

　　主要作用：絕緣外殼主要是起絕緣支撐作用，并參與組成氣密絕緣系統(tǒng)。

　　4.2.波紋管

　　材料：波紋管主要由厚度為0.1～0.2mm的不銹鋼制成。

　　主要作用：波紋管主要擔(dān)負(fù)動電極在一定范圍內(nèi)運(yùn)動、及高真空密封的功能。真空滅弧室要求波紋管具有很高的機(jī)械壽命。

　　4.3.屏蔽筒

　　材料：屏蔽筒可由無氧銅、不銹鋼、電工純鐵或銅鉻合金等材料制成。

　　主要作用：

　　(1)減輕觸頭在燃弧過程中產(chǎn)生的金屬蒸汽和液滴噴濺對絕緣外殼內(nèi)壁的污染程度，從而避免造成真空滅弧室外殼的絕緣強(qiáng)度下降或產(chǎn)生閃絡(luò)。

　　(2)改善真空滅弧室內(nèi)部的電場分布，有利于真空滅弧室絕緣外殼的小型化，尤其是對高電壓等級真空滅弧室的小型化有顯著效果。

　　(3)冷凝電弧生成物。特別是真空滅弧室在開斷短路電流時，電弧所產(chǎn)生的熱能大部分被屏蔽系統(tǒng)所吸收，有利于提高觸頭間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。屏蔽筒冷凝電弧生成物的量越大，吸收的能量也越大，越能改善真空滅弧室的開斷能力。

　　4.4.觸頭系統(tǒng)

　　4.4.1.觸頭結(jié)構(gòu)

　　觸頭結(jié)構(gòu)的作用主要是在真空滅弧室分?jǐn)喽搪冯娏鲿r，在觸頭間形成橫向磁場或縱向磁場，從而限制觸頭表面陽極斑點(diǎn)的形成，提高滅弧室的分?jǐn)嗄芰Α?/span>

　　觸頭結(jié)構(gòu)形成所需磁場的方式主要有兩種：一是通過改變電流方向形成所需的磁場;二是通過設(shè)置磁性材料聚攏磁力線形成所需方向的磁場。

　　4.4.2.觸頭

　　觸頭是導(dǎo)電產(chǎn)生電弧、熄滅電弧的部位，對材料的要求很高。觸頭材料主要有銅鉍合金、銅鉻合金、銅鎢合金等幾種，目前斷路器用真空滅弧室大量使用的主要是銅鉻合金。

　　4.5.導(dǎo)電桿

　　真空滅弧室的動靜導(dǎo)電桿均由無氧銅制成，它們是主要的導(dǎo)電回路，主要起導(dǎo)通電流的作用。

　　4.6.導(dǎo)向套

　　導(dǎo)向套一般用絕緣材料制成。它主要起導(dǎo)向作用，保證真空滅弧室的動導(dǎo)電桿在分合閘運(yùn)動過程中能沿著真空滅弧室的軸線做直線運(yùn)動。同時，它還能防止導(dǎo)電回路的電流分流到波紋管上，從而影響真空滅弧室的壽命。

　　5.真空滅弧室的觸頭結(jié)構(gòu)

　　真空滅弧室的觸頭結(jié)構(gòu)一般有以下幾種：

　　5.1.圓柱形觸頭:最簡單的觸頭結(jié)構(gòu),分?jǐn)嚯娏鞑淮?一般不超過7~8KA。

　　5.2.橫向磁場觸頭：典型的有螺旋槽橫磁、杯狀橫磁、萬字槽橫磁。

　　5.3.縱向磁場觸頭：典型的有開斜槽式縱磁、線圈式縱磁、馬蹄鐵式縱磁。

　　5.4.R型觸頭：觸頭結(jié)構(gòu)與觸頭集成化制造，磁場方向?yàn)榻惶媸娇v磁。

　　6.什么是橫向磁場觸頭?什么是縱向磁場觸頭?它們對熄滅交流電弧分別有什么作用?

　　6.1.橫向磁場觸頭是指真空滅弧室在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r,在其電極間產(chǎn)生的與電極軸線垂直的磁場。在足夠的橫向磁場的作用下，真空電弧沿著觸頭表面不斷地高速運(yùn)動，從而避免了觸頭表面的嚴(yán)重熔化，在電流過零后能迅速恢復(fù)絕緣強(qiáng)度，有利于電弧的熄滅。

　　6.2.縱向磁場觸頭是指真空滅弧室在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r,在其電極間產(chǎn)生的與電極軸線方向一致的磁場。采用縱向磁場提高真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰εc采用橫向磁場的情況截然不同，縱向磁場的加入可以提高由擴(kuò)散性電弧轉(zhuǎn)變到收縮型電弧的轉(zhuǎn)換電流值。在足夠的的縱向磁場的作用下，電弧斑點(diǎn)在電極觸頭表面均勻分布，觸頭表面不會產(chǎn)生局部嚴(yán)重熔化，并具有電弧電壓低、電弧能量小的優(yōu)良特征，這對于弧后絕緣強(qiáng)度恢復(fù)，提高分?jǐn)嗄芰κ鞘钟幸娴?。目前，大容量的真空滅弧室多采用縱向磁場觸頭，這是因?yàn)榭v向磁場觸頭具有電磨損小，使用壽命長和分?jǐn)嗄芰?qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　7.真空滅弧室的原理

　　7.1.電弧

　　電弧或弧光放電是氣體放電的一種形式。

　　在正常狀態(tài)下，氣體有良好的電氣絕緣性能。但當(dāng)在氣體間隙的兩端加上足夠強(qiáng)的電場時，就可以引起電流通過氣體，這種現(xiàn)象稱為放電。放電現(xiàn)象與氣體的種類和壓強(qiáng)、電極的材料和幾何形狀、兩極間的距離以及加在間隙兩端的電壓等因素有關(guān)。例如在正常狀態(tài)下，給氣體間隙兩端的電極加電壓到一定程度時，空氣中游離的電子在電場作用下高速運(yùn)動，與氣體分子碰撞后產(chǎn)生較多的電子和離子。新生的電子和離子又同中性原子碰撞，產(chǎn)生更多的電子和離子，使氣體開始發(fā)光，兩電極變?yōu)闊霟?，電流迅速增大。這種性質(zhì)上的轉(zhuǎn)變稱為氣體間隙的擊穿，其所需的電壓稱為擊穿電壓。這時，由于電場的支持，放電并不停止，故稱為自持放電。電弧則是氣體自持放電的一種形式。

　　放電：絕緣介質(zhì)中流通電流的各種形式，稱為放電;

　　擊穿：絕緣介質(zhì)上電壓達(dá)到一定的數(shù)值后，流過的電流急劇增加，絕緣介質(zhì)失去絕緣能絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體狀態(tài)的過程稱為擊穿。

　　7.2.真空電弧(金屬蒸汽電弧)力，這種由在真空環(huán)境中，氣體非常稀薄，真空度高于1.33x10-2Pa時氣體分子極少。在1.33x10-2Pa的真空中，每立方厘米空間中含有的氣體分子數(shù)僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下的千萬分之一。在這樣稀薄的氣體中即使真空間隙中存在電子，它們從一個電極飛向另一個電極時，也很少有機(jī)會與氣體分子碰撞造成真空間隙的電擊穿。

　　真空中電極間電弧是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)觸頭行將分離前，觸頭上原先施加的接觸壓力開始減弱，動靜觸頭間的接觸電阻開始增大，由于負(fù)荷電流的作用，發(fā)熱量增加。在觸頭剛要分離瞬間，動靜觸頭之間僅靠幾個尖峰聯(lián)系著，此時負(fù)荷電流將密集收縮到這幾個尖峰橋上，接觸電阻急劇增大，同時電流密度又劇增，導(dǎo)致發(fā)熱溫度迅速提高，致使觸頭表面金屬產(chǎn)生蒸發(fā)。同時微小的觸頭距離下也會形成極高的電場強(qiáng)度，造成強(qiáng)烈的場致發(fā)射，間隙擊穿，繼而形成真空電弧。真空電弧一旦形成，就會出現(xiàn)電流密度在104A/cm2以上的陰極斑點(diǎn)，使陰極表面局部區(qū)域的金屬不斷熔化和蒸發(fā)，以維持真空電弧。在電弧熄滅后，電極之間與電極周圍的金屬蒸氣迅速擴(kuò)散，密度快速下降直到零，觸頭間恢復(fù)高真空絕緣狀態(tài)。

　　7.3.真空電弧的熄弧條件

　　真空電弧是依靠電極不斷地產(chǎn)生金屬蒸汽來維持的，因此，要熄滅真空電弧必須將電弧電流減小到一定程度，不足以維持電弧的時候才有可能將其熄滅。在交流情況下，真空電弧電流有很多個過零的時刻，這就給出了熄弧的條件;在直流情況下，必須設(shè)置一個電力轉(zhuǎn)向裝置，使直流真空電弧電流有一個過零的機(jī)會，以創(chuàng)造一個同樣的熄弧條件。

　　真空斷路器開斷電流的過程實(shí)際上是觸頭間真空電弧熄滅后的，逐漸增長的介質(zhì)強(qiáng)度和觸頭間的恢復(fù)電壓之間的競賽，如果真空電弧的弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度大于瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升速度，則電流被開斷，反之則出現(xiàn)重?fù)舸?/span>

　　8.機(jī)械特性與真空滅弧室之間的關(guān)系

　　真空開關(guān)機(jī)械特性的優(yōu)劣，對真空滅弧室各項(xiàng)電氣性能有重要的影響。真空滅弧室的性能對衡量真空開關(guān)的性能當(dāng)然十分重要，而開關(guān)本身的機(jī)械特性也同樣影響真空滅弧室的使用性能。要保證真空開關(guān)的性能，其機(jī)械特性必須滿足真空滅弧室的要求。

　　8.1.開距

　　觸頭的開距主要取決于真空開關(guān)的額定電壓和耐壓要求，一般額定電壓低時觸頭開距選得小些，但開距太小會影響分?jǐn)嗄芰湍蛪核?。開距太大，雖然可以提高耐壓水平，但會使真空滅弧室的波紋管壽命下降，而且觸頭開距過大，將會顯著地降低觸頭間有效縱向磁場的強(qiáng)度，使短路開斷能力下降。設(shè)計(jì)時，一般在滿足運(yùn)行的耐壓要求下盡量把開距選得小一些。10kV真空斷路器的開距通常在8～12mm之間，24kV真空斷路器的則在10～16mm之間，35KV真空斷路器的則在16～24mm之間。

　　8.2.觸頭壓力

　　在無外力作用時，動觸頭在大氣壓作用下，對真空滅弧室內(nèi)腔產(chǎn)生一個閉合力,使其與靜觸頭閉合，這個力稱之為自閉力，其大小主要取決于波紋管的端口直徑。自閉力太小，不能保證動靜觸頭間良好的電接觸，必須施加一個外加壓力。外加壓力和自閉力之和稱為觸頭的接觸壓力。

　　接觸壓力的作用：

　　(1)保證動、靜觸頭的良好接觸，在一定范圍內(nèi)減小其接觸電阻值;

　　(2)滿足額定短路狀態(tài)時的動穩(wěn)定要求。應(yīng)使觸頭壓力大于短路狀態(tài)時的觸頭間的斥力，以保證在該狀態(tài)下動靜觸頭的完全閉合且不受損壞;

　　(3)抑制合閘彈跳。使觸頭在閉合碰撞時得到緩沖，將碰撞的動能轉(zhuǎn)為彈性勢能，抑制觸頭的彈跳;

　　(4)改善分閘特性。當(dāng)接觸壓力大時，觸頭壓簧的壓縮量大、彈性勢能大，因而在觸頭分閘時，動觸頭能得到較大的初始分閘力，容易拉斷熔焊點(diǎn)，并提高分閘的初始階段的剛分速度，減少燃弧時間，提高分?jǐn)嗄芰Α?/span>

　　8.3.接觸行程(或稱壓縮行程)

　　目前真空開關(guān)毫無例外地采用對接式接觸方式，動觸頭碰上靜觸頭之后就不能再前進(jìn)了。觸頭接觸壓力是由觸頭壓縮彈簧(有時稱作觸頭彈簧)提供的，在開關(guān)觸頭碰觸開始，觸頭壓簧施力端仍會繼續(xù)運(yùn)動，其繼續(xù)運(yùn)動的距離，即為觸頭彈簧的壓縮行程，也稱為接觸行程。

　　接觸行程有兩方面作用，一是令觸頭彈簧受壓而向?qū)佑|頭提供接觸壓力;二是保證在運(yùn)行磨合或觸頭燒損后仍然保持一定接觸壓力，使之可靠接觸。一般接觸行程可取開距的20%～40%左右，10kV的真空斷路器約為3～4mm。

　　在真空斷路器具體設(shè)計(jì)時，觸頭壓縮彈簧在分閘位置就設(shè)置了相當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量，因而在觸頭對接前就有了一定的預(yù)壓力。這是為了在合閘過程中，使動觸頭有足夠的力抵抗因預(yù)擊穿而產(chǎn)生的電動力。并在觸頭碰接瞬間，接觸壓力陡然躍增至預(yù)壓力數(shù)值，減小合閘彈跳，抵抗電動斥力，使動靜觸頭保持良好的接觸狀態(tài);隨著觸頭壓簧的進(jìn)一步壓縮，觸頭間的接觸壓力逐步增大，接觸行程終了時，接觸壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值。接觸行程不包括合閘彈簧的預(yù)壓縮量程，它實(shí)際上是觸頭壓簧的第二次受壓行程。

　　8.4.時間-行程特性曲線

　　時間-行程特性曲線是描述真空斷路器合、分閘機(jī)械特性的重要手段，在時間-行程特性曲線中可以全程測量到斷路器合、分閘期間的運(yùn)動速度、合閘彈跳、分閘反彈等參數(shù)。

　　8.4.1.合閘速度

　　合閘速度主要影響觸頭的電磨蝕。如合閘速度太低，則在合閘時預(yù)擊穿時間長，電弧存在的時間長，觸頭表面電磨損大，甚至使觸頭熔焊而粘住，降低滅弧室的電壽命。但速度太快，容易產(chǎn)生合閘彈跳，操動機(jī)構(gòu)輸出功也要增大，對滅弧室和整機(jī)的機(jī)械沖擊大，影響產(chǎn)品的使用可靠性與機(jī)械壽命。

　　8.4.2.分閘速度

　　分閘速度分為剛分速度和平均分閘速度。動靜觸頭剛分離瞬間的速度稱為剛分速度。平均分閘速度，真空滅弧室廠家一般規(guī)定為0～75%行程內(nèi)的平均速度。某些真空斷路器廠家在測試平均分閘速度時一般取緩沖器作用前這段距離。對于12kV及24KV真空斷路器，平均分閘速度的測試距離一般取6mm左右;對于40.5kV真空斷路器，一般取8-10mm左右。

　　分閘速度的大小直接影響電流過零后觸頭間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度。如果在電弧熄滅后，觸頭間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度小于恢復(fù)電壓的上升速度，將造成電弧重燃。為防止電弧重燃，必須有足夠大的分閘速度。

　　分閘速度的指標(biāo)主要是由額定電壓和開距決定的,也與短路開斷電流有一定的關(guān)系。真空斷路器在短路開斷試驗(yàn)中，隨著開斷電流的逐漸增大，其平均燃弧時間也隨之增長，分散性也增大，重燃和重?fù)舸┑母怕试龃?。因此，對于同一電壓等級的真空斷路器，開斷電流越大，所要求的分閘速度也就越高。

　　對于真空斷路器開斷能力影響最大的不是平均分閘速度，而是剛分速度。若剛分速度不高，電弧在第一個過零點(diǎn)觸頭間隙很小，此時金屬蒸汽尚處于高密度狀態(tài)。由于動靜觸頭沒有達(dá)到足夠的開距，很容易導(dǎo)致電弧的重燃。因此，從提高開斷性能這個角度，剛分速度越大越好。提高剛分速度的另一好處是短路開斷時很容易拉斷動靜觸頭間輕微的熔焊點(diǎn)。

　　平均分閘速度或最大分閘速度則不宜過大，否則，不僅造成分閘反彈的增大，結(jié)構(gòu)元件的機(jī)械強(qiáng)度及對真空滅弧室內(nèi)波紋管的損害都會變成突出的問題。

　　8.4.3.合、分閘不同期性

　　合閘的不同期性太大容易引起合閘的彈跳，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)輸出的運(yùn)動沖量僅由首合閘相觸頭承受。此外，分閘的不同期性太大可能使后開相燃弧時間加長，降低開斷能力。

　　分閘與合閘的不同期性一般是同時存在的，所以調(diào)好了合閘的不同期性，分閘的不同期性也就有了保證。一般要求合分閘不同期性小于2ms。

　　8.4.4.合、分閘時間

　　合閘時間是指開關(guān)接到合閘指令瞬間起到所有極的觸頭接觸瞬間的時間間隔;分閘時間是指從開關(guān)分閘操作起始瞬間(即接到分閘指令瞬間)起到所有極的觸頭分離瞬間的時間間隔。

　　合、分閘線圈是按短時工作設(shè)計(jì)的，合閘線圈的通電時間不超過100ms，分閘線圈的通電時間不超過60ms。合、分閘時間一般在斷路器出廠時已調(diào)好，無需再動。

　　當(dāng)斷路器用在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并在電源近端短路時，故障電流直流分量衰減較慢。若分閘時間很短，斷路器分?jǐn)嗟墓收想娏骶涂赡芎休^大的直流分量，開斷條件更為惡劣，這對斷路器的開斷是很不利的。所以用于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的真空斷路器，其分閘時間的設(shè)計(jì)適當(dāng)長些為宜。