真空断路器触头的发展现状及展望

2021-01-17林仁杰李梦如国网江苏省电力有限公司苏州供电公司

环球市场 2021年24期

林仁杰李梦如国网江苏省电力有限公司苏州供电公司

对于一个断路器，在线路稳定运行时，断路器要能够承载负荷，长期运行；在线路需要进行负荷分断时，能够安全灭弧，并在灭弧之后保持一定的绝缘性，防止电压击穿，电弧重燃；在进行负荷接入时，能够稳定合上，及时灭弧，确保高温下不会造成触头的粘合；在故障来临的时候，能够短期承受故障电流并可安全分断。触头作为断路器两个断口的接触部分，是电弧燃烧最直接的地方，其性能的好坏严重影响着整个断路器的开断表现。本文主要介绍真空断路器触头的发展现状，然后结合电网的发展需要，材料制作工艺的发展等方面来展望未来触头的发展。

一、触头结构的发展

在触头应用的早期，人们普遍使用平板式触头。电弧在触头上随机燃烧，开断能力差，只能开断较小的短路电流。20 世纪60年代初，人们开始意识到可以通过改变触头结构在触头间产生磁场以控制电弧运动，从而提高触头的开断能力。磁场控制型触头根据其产生磁场的方向可以分为纵磁触头、横磁触头和纵横复合触头[1,2]。

（一）横磁触头

当电流流过横磁触头时，会在触头间隙产生沿径向方向的磁场。在触头间隙产生电弧时，横向磁场会对电弧产生一个沿切向方向的力，使得电弧在触头表面上旋转。电弧在触头表面上旋转，使得弧根不会在一个固定的地方燃烧，降低了触头表面的局部烧蚀，从而提高了触头的开断能力。但横磁作用下的电弧高速旋转，经常会有电弧甩出触头间隙，电弧燃烧相对不稳定。

（二）纵磁触头

纵磁触头跟横磁触头原理一样，都是通过触头机构的设计，使得电流流过触头时产生磁场，从而对触头间的电弧进行控制。纵磁触头产生的是沿触头轴向的磁场。在纵向磁场的作用下，真空电弧等离子体柱呈现收缩状，抑制电弧等离子体运动到触头间隙外。纵磁触头下的电弧燃烧稳定，电弧能量损失小，电弧电压相对较低，一定程度上降低了触头面的烧蚀。

（三）纵横复合触头

横向磁场作用下的电弧高速旋转却不稳定，纵向磁场作用下的电弧能够有效限制在触头间隙内燃烧。针对两种触头的优点，人们又设计出一种新型的触头结构，纵横复合触头。该触头结构大致分为外面的杯状结构和中间的盘状结构，触头间的电弧受到外杯状结构产生的纵向磁场作用下，限制在触头间燃烧，触头间的电弧受到盘状结构产生的横向磁场作用下进行旋转，避免局部持续的燃烧。

二、触头材料的发展

对于触头材料，人们希望材料属性能够抗熔焊性能强，机械强度强，导电能力强，耐高压，耐大电流，较低的烧蚀率，较高的使用寿命，较经济实惠等。

在最开始的材料研究中，人们先是寻找了一些纯金属材料。纯铜材料有较好的导电能力，高电压大电流的耐受能力较强，材料本身实惠易得，基于以上的有点，纯铜材料最开始获得人们的青睐，并投入了使用。随着社会的发展，社会用电需求增高，大电流下的纯铜触头易出现熔焊变形，使用寿命短。于是人们开始寻求新的触头材料，铜基合金，从最开始的CuBi 合金到后面广泛运用的CuCr 合金，人们做了大量的研究。现在市场上的触头材料普遍为CuCr 合金[3]。后来人们开始研究在CuCr 合金中添加一些重金属物质来改变材料性质。如，添加W、Mo 等难熔金属，可以增加触头的抗电压强度。

随着电压电流的进一步增高，对于触头材料的要求也随之发生了变化，寻找新型理想材料的脚步并未停止。

三、真空断路器未来展望

（一）材料制备工艺

近些年来，随着材料科学的发展，人们不仅仅追求材料的选择，也在追求新型的制作工艺。除了熔铸法、熔渗法、粉末冶金法等老的制作工艺外，为了使合金材料更加均匀，材料表面更加细腻，现在还引进了一些新的制备工艺，如电弧烧蚀法等。新的材料性能会对触头开断能力产生大的影响，是未来发展的一个主题。

（二）触头结构

通过对触头结构的设计能够对电弧进行磁场控制。现在研究最多的是径向方向的横向磁场和轴向方向的纵向磁场。未来对于不同形态的电弧可以运用不同的磁场方向进行电弧控制，从而达到较强的开断能力。

（三）环境友好型断路器

随着全球温室效应越来越严重，对于SF6 气体的限制有部分国家已经从之前的限制排放到完全禁止排放。真空断路器也将慢慢替代SF6 断路器，成为电网断路器的主流。但是真空断路器电流开断能力远不及SF6 断路器来得稳定，于是，人们便想到了对断口进行均压分流处理，用多个真空断路器代替一个SF6 断路器进行开断。多断口均压分流的处理方式也慢慢进入了人们的讨论当中。