1.什么是真空

　　真空是指在給定的空間內(nèi)，遠(yuǎn)低于一個(gè)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(lái)描述，以壓強(qiáng)值來(lái)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(kāi)關(guān)管或真空泡，是真空開(kāi)關(guān)的核心器件。它是用一對(duì)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(kāi)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(jià)格昂貴，因而沒(méi)有得到過(guò)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(dòng)電極在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)、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(wú)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(guò)程中產(chǎn)生的金屬蒸汽和液滴噴濺對(duì)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(chǎng)分布，有利于真空滅弧室絕緣外殼的小型化，尤其是對(duì)高電壓等級(jí)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(kāi)斷短路電流時(shí)，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(kāi)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(shí)，在觸頭間形成橫向磁場(chǎng)或縱向磁場(chǎng)，從而限制觸頭表面陽(yáng)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(chǎng)的方式主要有兩種：一是通過(guò)改變電流方向形成所需的磁場(chǎng);二是通過(guò)設(shè)置磁性材料聚攏磁力線形成所需方向的磁場(chǎng)。

　　4.4.2.觸頭

　　觸頭是導(dǎo)電產(chǎn)生電弧、熄滅電弧的部位，對(duì)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(dòng)靜導(dǎo)電桿均由無(wú)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(dòng)導(dǎo)電桿在分合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能沿著真空滅弧室的軸線做直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，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(jiǎn)單的觸頭結(jié)構(gòu),分?jǐn)嚯娏鞑淮?一般不超過(guò)7~8KA。

　　5.2.橫向磁場(chǎng)觸頭：典型的有螺旋槽橫磁、杯狀橫磁、萬(wàn)字槽橫磁。

　　5.3.縱向磁場(chǎng)觸頭：典型的有開(kāi)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(chǎng)方向?yàn)榻惶媸娇v磁。

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

　　6.1.橫向磁場(chǎng)觸頭是指真空滅弧室在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí),在其電極間產(chǎn)生的與電極軸線垂直的磁場(chǎng)。在足夠的橫向磁場(chǎng)的作用下，真空電弧沿著觸頭表面不斷地高速運(yùn)動(dòng)，從而避免了觸頭表面的嚴(yán)重熔化，在電流過(guò)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(chǎng)觸頭是指真空滅弧室在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí),在其電極間產(chǎn)生的與電極軸線方向一致的磁場(chǎng)。采用縱向磁場(chǎng)提高真空開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗄芰εc采用橫向磁場(chǎng)的情況截然不同，縱向磁場(chǎng)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(chǎng)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(huì)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(duì)于弧后絕緣強(qiáng)度恢復(fù)，提高分?jǐn)嗄芰κ鞘钟幸娴摹Ｄ壳埃笕萘康恼婵諟缁∈叶嗖捎每v向磁場(chǎng)觸頭，這是因?yàn)榭v向磁場(chǎng)觸頭具有電磨損小，使用壽命長(zhǎng)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(chǎng)時(shí)，就可以引起電流通過(guò)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(shí)，空氣中游離的電子在電場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，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(kāi)始發(fā)光，兩電極變?yōu)闊霟幔娏餮杆僭龃蟆＿@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(shí)，由于電場(chǎng)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(guò)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(guò)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(shí)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(wàn)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(gè)電極飛向另一個(gè)電極時(shí)，也很少有機(jī)會(huì)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(kāi)始減弱，動(dòng)靜觸頭間的接觸電阻開(kāi)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(dòng)靜觸頭之間僅靠幾個(gè)尖峰聯(lián)系著，此時(shí)負(fù)荷電流將密集收縮到這幾個(gè)尖峰橋上，接觸電阻急劇增大，同時(shí)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(shí)微小的觸頭距離下也會(huì)形成極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，造成強(qiáng)烈的場(chǎng)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(huì)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?chē)慕饘僬魵庋杆贁U(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(lái)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(shí)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(gè)過(guò)零的時(shí)刻，這就給出了熄弧的條件;在直流情況下，必須設(shè)置一個(gè)電力轉(zhuǎn)向裝置，使直流真空電弧電流有一個(gè)過(guò)零的機(jī)會(huì)，以創(chuàng)造一個(gè)同樣的熄弧條件。

　　真空斷路器開(kāi)斷電流的過(guò)程實(shí)際上是觸頭間真空電弧熄滅后的，逐漸增長(zhǎng)的介質(zhì)強(qiáng)度和觸頭間的恢復(fù)電壓之間的競(jìng)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(kāi)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(kāi)關(guān)機(jī)械特性的優(yōu)劣，對(duì)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(duì)衡量真空開(kāi)關(guān)的性能當(dāng)然十分重要，而開(kāi)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(kāi)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(kāi)距

　　觸頭的開(kāi)距主要取決于真空開(kāi)關(guān)的額定電壓和耐壓要求，一般額定電壓低時(shí)觸頭開(kāi)距選得小些，但開(kāi)距太小會(huì)影響分?jǐn)嗄芰湍蛪核健ｉ_(kāi)距太大，雖然可以提高耐壓水平，但會(huì)使真空滅弧室的波紋管壽命下降，而且觸頭開(kāi)距過(guò)大，將會(huì)顯著地降低觸頭間有效縱向磁場(chǎng)的強(qiáng)度，使短路開(kāi)斷能力下降。設(shè)計(jì)時(shí)，一般在滿足運(yùn)行的耐壓要求下盡量把開(kāi)距選得小一些。10kV真空斷路器的開(kāi)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(wú)外力作用時(shí)，動(dòng)觸頭在大氣壓作用下，對(duì)真空滅弧室內(nèi)腔產(chǎn)生一個(gè)閉合力,使其與靜觸頭閉合，這個(gè)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(dòng)靜觸頭間良好的電接觸，必須施加一個(gè)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(dòng)、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(shí)的動(dòng)穩(wěn)定要求。應(yīng)使觸頭壓力大于短路狀態(tài)時(shí)的觸頭間的斥力，以保證在該狀態(tài)下動(dòng)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(shí)得到緩沖，將碰撞的動(dòng)能轉(zhuǎn)為彈性勢(shì)能，抑制觸頭的彈跳;

　　(4)改善分閘特性。當(dāng)接觸壓力大時(shí)，觸頭壓簧的壓縮量大、彈性勢(shì)能大，因而在觸頭分閘時(shí)，動(dòng)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(shí)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(kāi)關(guān)毫無(wú)例外地采用對(duì)接式接觸方式，動(dòng)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(shí)稱作觸頭彈簧)提供的，在開(kāi)關(guān)觸頭碰觸開(kāi)始，觸頭壓簧施力端仍會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，其繼續(xù)運(yùn)動(dòng)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(kāi)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(shí)，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(duì)接前就有了一定的預(yù)壓力。這是為了在合閘過(guò)程中，使動(dòng)觸頭有足夠的力抵抗因預(yù)擊穿而產(chǎn)生的電動(dòng)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(dòng)斥力，使動(dòng)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(shí)，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(shí)間-行程特性曲線

　　時(shí)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(shí)間-行程特性曲線中可以全程測(cè)量到斷路器合、分閘期間的運(yùn)動(dòng)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(shí)預(yù)擊穿時(shí)間長(zhǎng)，電弧存在的時(shí)間長(zhǎng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)輸出功也要增大，對(duì)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(dòng)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(cè)試平均分閘速度時(shí)一般取緩沖器作用前這段距離。對(duì)于12kV及24KV真空斷路器，平均分閘速度的測(cè)試距離一般取6mm左右;對(duì)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(guò)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(kāi)距決定的,也與短路開(kāi)斷電流有一定的關(guān)系。真空斷路器在短路開(kāi)斷試驗(yàn)中，隨著開(kāi)斷電流的逐漸增大，其平均燃弧時(shí)間也隨之增長(zhǎng)，分散性也增大，重燃和重?fù)舸┑母怕试龃蟆Ｒ虼耍瑢?duì)于同一電壓等級(jí)的真空斷路器，開(kāi)斷電流越大，所要求的分閘速度也就越高。

　　對(duì)于真空斷路器開(kāi)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(gè)過(guò)零點(diǎn)觸頭間隙很小，此時(shí)金屬蒸汽尚處于高密度狀態(tài)。由于動(dòng)靜觸頭沒(méi)有達(dá)到足夠的開(kāi)距，很容易導(dǎo)致電弧的重燃。因此，從提高開(kāi)斷性能這個(gè)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(kāi)斷時(shí)很容易拉斷動(dòng)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(guò)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(duì)真空滅弧室內(nèi)波紋管的損害都會(huì)變成突出的問(wèn)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(dòng)沖量?jī)H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(kāi)相燃弧時(shí)間加長(zhǎng)，降低開(kāi)斷能力。

　　分閘與合閘的不同期性一般是同時(shí)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(shí)間

　　合閘時(shí)間是指開(kāi)關(guān)接到合閘指令瞬間起到所有極的觸頭接觸瞬間的時(shí)間間隔;分閘時(shí)間是指從開(kāi)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(shí)間間隔。

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

　　當(dāng)斷路器用在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并在電源近端短路時(shí)，故障電流直流分量衰減較慢。若分閘時(shí)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(kāi)斷條件更為惡劣，這對(duì)斷路器的開(kāi)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(shí)間的設(shè)計(jì)適當(dāng)長(zhǎng)些為宜。