真空断路器灭弧系统的解析

李硕，付思，魏喜成，李志洋（沈阳工业大学，辽宁辽阳，111003）

真空断路器灭弧系统的解析

李硕，付思，魏喜成，李志洋
（沈阳工业大学，辽宁辽阳，111003）

本文介绍了真空电弧的灭弧机理，在此基础上分析灭弧系统中电极结构、电极材料、屏蔽罩和真空度等对真空断路器灭弧性能的影响。

真空断路器；灭弧系统；影响

1 真空断路器灭弧系统结构设计

通常真空断路器的主导电回路由上出线端子、下出线端子与真空灭弧室内部电极组成，其中通过导电夹、软连接、连接杆互相接触实现导电连接。灭弧系统存在真空灭弧室内，密封在真空外壳内部，有两个电极，一个静电极和一个动电极，包括屏蔽罩等部件构成。目前灭弧系统中各部件的形状尺寸众多，但多数有一个典型的结构。图1所示为典型的真空断路器灭弧系统示意图[1]。

图1 特瑞德公司ISM系列额定值为12kV/630A/20kA真空断路器

真空断路器开断电流的方法就是：把密封在真空中的两个金属电极拉开就能可靠地分断高压电路的大电流。断路器在操作过程中，通过操动机构使驱动绝缘子动作，带动驱动拉杆使动电极动作，产生一定的开距。由于真空断路器的开距与开断容量具有饱和性，电极之间的开距一般比较小。

由于真空中电弧的能量小加之粒子在真空中的强扩散作用，使得真空断路器有较优良的灭弧特性。针对不同的开断电流，真空断路器的结构设计各不相同，开断小电流，利用高真空的强扩散作用采用平板电极与相应开距来开断电流；开断大电流，通常采用加强磁场和内部自生磁场横磁场（TMF）或纵磁场（AMF）共同作用下的电弧控制系统，分断电弧。而在分断电流大小不同，开断时期不同，磁场与电极结构、材料相互配合得到的最优的熄弧能力，仍需要大量的理论和实验研究。

2 真空中的灭弧机理

当一对载流触头在真空中分离时产生电弧。但由于真空中不存在气体，电弧必须在触头材料的金属蒸气中燃烧，这种电弧就是金属蒸气电弧。所以真空电弧实际上可理解为“真空环境中的金属蒸气电弧”。

真空中电弧开断的优势可以总结为：电弧电压低、燃弧时间短、电弧能量低，因而电流开断时所产生的热也很少。真空中电弧的熄灭取决于低气压电弧的载流子、尤其是电子强烈的扩散。在弧心处，充满了高压的金属蒸气，离开弧心压力急剧下降，容器壁附近压力降到10-3-10-6Pa的低气压柱，由于中性原子很少，载流子的迁移率很高，电子的扩散非常强烈。由于屏蔽罩与电极的空间中电子、离子都充分被电极所吸收，所以在恢复电压极性翻转后，剩余电流也是极小的。真空中电弧电压很小，由于真空电弧低密度弧柱周围的热传导及热辐射损失很小，弧柱的热损失很小，电弧电压的很大一部分是阴极附近的电压降，几乎与电弧间隙长度无关。

根据真空断路器内部结构与真空中的灭弧机理特点，灭弧系统性能受真空灭弧室中各部件的特性影响。

3 真空断路器灭弧性能的影响因素

3.1 电极结构的影响

国内外学者致力于应用电弧的控制技术，来提升真空断路器的灭弧性能。电弧控制技术是主要思想是通过短路电流自身产生磁场，需要设计各类电极结构产生特定的磁场，包括横磁（TMF）或纵磁（AMF），其工作方式分别是：横磁场使电弧移动，纵磁场使电弧在它的自然聚焦点上保持扩散。

电极结构有螺旋槽电极结构、单极多极线圈式电极结构、杯状电极结构、折叠花瓣电极结构，万字型电极结构等。

螺旋槽电极在电弧径向产生磁场力，使电弧在电极表面上沿圆周方向运动，可防止了电极表面的局部加热。线圈式纵向磁场电极是在内部触头背面设置一个能产生纵向磁场的线圈来提高真空灭弧室的开断能力。杯状电极结构的杯壁上有许多倾斜的槽，形成多个触指，动触头和静触头的斜槽倾斜的方向彼此相反，电流流过杯壁上的触指时，有很大的切向分量电流，产生横向磁场。折叠花瓣电极结构在原有杯状电极结构基础上进行改进设计，将斜槽数减少到3、4个，使斜槽与轴线的夹角作显著扩大，并伸长了斜槽长度，大大增加了横向磁吹电弧的作用。万字型电极结构触头片上开有万字型槽隙，电流从上导电杆流入，经过触臂和电弧柱，从下导电杆流出，对电弧柱产生垂直于电弧的横向磁吹力。

如何巧妙地应用磁控方式和电极结构相配合，是提升真空开断容量的不变话题。

3.2 触头材料的影响

真空电弧实际上是真空环境中的金属蒸气电弧，电极材料充当了电弧的导电介质。改变电极的材料是改变基本的电弧特性、耐压能力和截流情况。

目前，真空断路器的电极材料广泛采用CuCr材料，Cu具有低的热电子发射能力、良好的导热和导电性保证了良好的开断性能，而Cr的硬脆特性保证电极有较好的耐压和抗熔焊性能，而且Cr与氧的高度亲和性保证了真空断路器在开断大电流时，尤其是接近电流过零前，具有大量的吸气作用，有利于提升电弧开断能力。对于更高电压等级的触头还可通过添加第3种元素来改进CuCr触头材料的绝缘性能，例如锆Zr元素、钨W元素，以提高电极的耐压能力。

3.3 屏蔽罩的影响

屏蔽罩一般采用Cu、Ni、Fe、不锈钢等金属制造，其作用如下。

(1）从弧区飞溅出的金属蒸气与粉末直接凝结在绝缘容器的内壁，防止绝缘容器内的绝缘强度降低。

(2）进入电弧屏蔽罩的金属蒸气和粉末有效地凝结，使开断成功。

(3）与辅助屏蔽罩一起使灭弧室内电场分布改善。

屏蔽罩对金属凝结系数评价对开断容量的影响，如凝结系数为1时，进入屏蔽罩的粒子无返回地全部被屏蔽罩内壁所捕获。对于铜而言，在室温下其凝系数为0.899，157℃时降为0.797。因此凝结面须保持在较低的温度下，同时屏蔽罩的厚度对开断容量也有影响。在设计灭弧系统过程中，应重视屏蔽罩对其性能的影响。

3.4 真空度的影响

真空断路器的长寿命和灭弧的可靠性主要是由真空外壳的可靠性和寿命决定的。真空断路器要长期维持高度真空必须解决以下三个问题。

(1)真空外壳容器漏气问题。

(2)从真空外壳内的零件中放气的问题。

(3)真空外壳容器的透气问题。

真空设备、真空检测、真空工艺等技术迅速发展，使得真空断路器内维持高真空度的问题基本得以解决。

4 结语

随着电力系统输电电压等级的提升，智能电网的应用，真空断路器灭弧系统和整体结构上都有了进一步的发展。2016年，ISDEIV国际会议英国VIL公司推出12kV/25kA/1250A自开断真空断路器SAVI样机[2]，其中主回路均在真空灭弧室内，结构简单，零件数目非常少，其中灭弧系统、主回路与运动系统共处一室，且要求高真空度密封，有着各种如开断、绝缘和温升等技术问题尚未清晰，仍需进一步研究。但这种自开断的真空断路器外型结构完全整体化，无任何外接运动部件，适合各类户内、户外与各种特殊场合。这种结构改变的不单单是真空断路器的结构，同时将带动电力系统其他电器的结构与连接方式的改变，这将是真空断路器的一场革新，也将是日后真空灭弧系统和真空开关的研究方向。

[1]鞠佳,特瑞德.单稳态永磁操动机构真空断路器服务中压配电网[J].电气应用. 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年辽宁省教育厅科学技术研究项目“新型一体化真空断路器整体优化设计的研究”，项目编号：LGD2016033。