真空灭弧室铁心纵磁结构应用研究

摘 要：真空开关在中国大量使用已30年，由于产品一直在向小型化发展，特别是断路器用真空开关，带来的温升超标问题困扰了真空开关行业多年，老结构的真空灭弧室接触电阻较大，急需研发一种低电阻的新结构真空灭弧室解决温升问题，铁心纵磁结构真空灭弧室应运而生。

关键词： 铁心纵磁结构；不开槽触头；磁场；低电阻；低成本

真空开关在运行过程中，经常出现温升超标的问题，而真空开关的核心部件是真空灭弧室，根据导体发热公式，Q=I2RT，电阻越小产生的热量越小，低电阻才能避免温升超标；而老结构的真空灭弧室接触电阻较大，为应对市场需要，研發一种全新结构的低电阻真空灭弧室以满足市场需求。断路器用真开关的真空灭弧室常常采用纵磁结构设计。传统用的是杯状线圈纵磁结构设计。

真空灭弧室纵磁场的作用是把聚集型电弧变成扩散型电弧并把电弧控制在两触头之间燃烧，以免烧坏其他零件造成开断失败。

现在就同等规格对新老两种结构的接触电阻作计算比较，采用TD口-12/1250-31.5型号灭弧室为例进行计算，即，额定电压12kV，额定工作电流1250A，额定短路开断电流31.5kA，触头直径都是φ60mm，。

1 传统杯状线圈纵磁结构

如图1，该结构是用杯座的偏斜槽产生的磁场，有横磁分量和纵磁分量，如果偏斜槽靠近触头处与端面的夹角小于450，则纵磁分量大于横磁分量，起控弧作用的就是纵磁场。该结构的主要缺点是接触电阻较大，原因是电流路径较长，导电杆经过触头座与触头连接，触头座开偏斜槽，电流路径较长。

采用相同规格的两种结构进行计算电阻做比较

根据铜电阻计算公式：

以触头座高度H=30mm，座半径30mm，偏斜槽与触头平面夹角200，延触头座外圆旋转900计算；则该段电流电流路径不再是30mm，而是变为触头座偏斜槽的长度加上导电杆外圆与触头座外圆的距离。把触头座偏斜槽长度L1（近似为直线）、触头边缘长度L2（900伞形外圆近似为直线）、与触头座高度H一起看成一个直角三角形，粗略计算偏斜槽长度L1为：

导电总长度为L=L1+L3 L3= 触头座半径-导杆半径（导杆半径取10mm）=0.03-0.01=0.02（m）

L=0.05584+0.02=0.07584（m）

触头座半径30mm，厚度取5mm，则简要计算导电截面积

S=π×302-π×（30-5）2=863（mm2）

则该段路径电阻为：

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

（ρ为铜的电阻率，在摄氏20度时，为0.0175Ωmm2/m。）

2 新型铁心纵磁结构

如图2，铁心结构是用DT4电磁纯铁产生的感应电流，从而产生的感应磁场，并形成一个上下串联的磁通回路，通过触头间隙的磁通呈纵向，呈上下交替的交变磁场。该结构导电杆直接与触头连接，电流路径较短，所以电阻小。

导电杆直接与触头连接，则导电路径与线圈结构触头座高度相同

L=30mm=0.03m

导电截面积取与线圈结构触头座一样，即

S=863（mm2）

则该路径的电阻为

R=ρ*L/S=0.0175×0.03/863

=0.000000608Ω=0.608μΩ

可见，铁心结构比线圈结构电阻小得多。

对比相同产品两种结构整个灭弧室电阻实测值（TD口-12/1250-31.5）

从表1可看出，铁心结构比线圈结构电阻小很多。

另：为防止涡流的破坏，线圈结构触头需开槽，而铁心结构由于磁场方向上下交替，触头上产生的涡流大多能相互抵消，所以触头无需开槽。

铁心结构不像线圈结构可用于任何电流等级，铁心结构有局限性：由于铁心触头结构的纵磁场马蹄形开口宽度先随着宽度的增大而增加，直至某一值后又开始减小，如图2、图3；因此在一定条件下有一个最佳开口宽度范围，但变化幅度不显著。开口宽度过分减小容易遭致在开断大电流时的铁心饱和，并且可能不能满足导电杆给定尺寸的要求，对导电杆的直径有局限性。根据经验，建议该结构用在12kV电压等级，额定工作电流2000A、额定短路开断电流31.5kA及以下产品比较合适，在这个范围内比传统线圈结构有优势。

对比线圈结构，铁心结构的优势：

1） 结构比线圈简单，钎焊时，需焊料较少，比较经济，并且不存在堵槽的问题；

2）接触电阻低，解决一定额定电流的真空灭弧室温升超标的问题，无需外加散热器等措施；

3）触头上可以不开槽，因为触头间的纵向磁场为上、下交替，使在触头上产生的涡流大多相互抵消。

3 结束语：

该铁心纵磁结构真空灭弧室配套的真空开关在西安高压电器研究院试验检测中心通过了全套型式试验，试验证明在额定电压12kV、额定工作电流2000A、额定短路开断电流31.5kA及以下等级真空灭弧室，采用铁心结构替代传统的线圈结构，能达到解决真空开关温升超标的目的。且造价比传统线圈结构低，工艺实施简单，值得推广应用。

参考文献：

[1]（王季梅）教授著《真空电弧理论研究及其测试》 第一版 西安 西安交通大学出版社 1986年11月 P76-P82

[2]（王季梅）教授著《真空开关理论及其应用》 第一版 西安 西安交通大学出版社 1993年5月 P139-P147

[3] （波黑） 米尔萨德.卡普塔偌维克（Mirsad Kapetanovic）著《高压断路器—理论、设计与试验方法》High VoLtage Circuit Breakers 译著 西安 机械工业出版社 2014年11月 P108-P109

作者简介：

顾斌（1968-），男，工程师 ，1990年毕业于贵州师范大学物理专业，本科，同年分配到中国振华电子集团宇光电工有限公司工作至今，长期从事真空灭弧室产品研发设计，获得过四项转利，专利编号：ZL2016 2 1273970.X ZL2012 2 0337672.8 ZL2012 2 033809.0 ZL2011 2 0179996.9