真空灭弧室性能参数分析

0 引言

我国在工业上使用真空开关已有30多年的历史，但对真空灭弧室的设计指导思想尚有不同看法。因此，从当前真空灭弧室结构和性能分析出发，论述如何选择触头的结构型式，真空度的要求，温度对触头的影响，触头开距的确定，屏蔽罩厚度的范围，以及扩大额定电流和分断能力采用并联真空灭弧室的可行性。

1 触头的结构型式

目前，我国生产的真空灭弧室触头结构型式有圆柱型触头和螺旋槽型触头2种。但在国际上，除小容量真空开关尚用一些圆柱型触头外，螺旋槽型触头已趋于淘汰，多数采用杯状和纵向磁场结构的触头。由于这些触头具有突出的优点，即电腐蚀率(或称磨损率)轻微、使用寿命长和分断能力大、结构简单，因此，在分断电流不很大时，用于频繁操作的场合是十分合适的;纵向磁场结构的触头能满足较大短路电流的分断能力，并已广泛作为保护电力系统的断路器用，只要有足够的纵向磁场强度，真空电弧可始终保持为扩散形态，这对分断电流十分有利，Heberlein等人［1-2］曾做了大量的试验研究工作，并在触头开距 ＜20 mm和触头直径＜100 mm时，测得了一系列保持真空电弧为扩散形态而不出现阳斑点的临界纵向磁场强度数据，其结果如图1所示。它可通过一根斜线把电弧形态划分为2个区域，只要纵向磁场强度大于该临界时，真空电弧将属于扩散形态区域。这根斜线(即保持扩散形态电弧所需的纵向磁场强度范围)可表示为

式中 Bax——纵向磁场强度(mT)

I——交流电弧电流峰值(kA)此外，Heberlein等人还发现2种现象。

(1)各种不同临界纵向磁场强度下，当触头分开大电流电弧的瞬间仍为集聚形态的真空电弧，需经过一定时间间隔后才开始转换成为扩散形态的真空电弧。其转换时间与电流大小有关(见图2)。不论对交流分断或反向脉冲直流电流的分断，真空电弧从集聚形态转换为扩散形态的时间控制对触头电腐蚀的影响十分重要。对交流分断的时间，最好控制在电流接近为峰值附近时分开触头，以便电流过零前已转换成扩散形态;对反脉冲直流大电流的分断时间，从触头刚分到加反脉冲电流直至电流过零的总共时间应控制在大于转换所需的时间内完成。

图1 阻止阳极斑点形成所需临界纵向磁场强度与电弧电流的关系

图2 纵向磁场大于临界值下，从触头分开起转化到扩散型的时间与触头分开时电流关系

(2)在没有纵向磁场作用时，电极开距与保持扩散形态真空电弧的电流值有一定的影响范围［1］。超过该电流范围，扩散形态将转换为集聚形态;外加纵向磁场后，电流值将随着纵向磁场强度的增加而扩大(见图3)。

综上分析可知，这2种触头结构都是当前较有发展前途的触头。图4所示为杯状触头直径与分断电流的关系，触头材料为50%铜和50%铬组成的合金。

图3 触头开距与瞬间电流值和扩散形态电弧区域关系

图4 杯状触头直径与分断电流的关系

图5所示为日本东芝浦电气公司［4-5］在纵向磁场强度为3 A·m-1、电压为12 kV时试验所得触头对比的结果。对螺旋型和纵向磁场型灭弧室生产成本进行了对比分析，螺旋型成本略高于纵向磁场型，但2种型式在设计参数、实验结果方面均较先进。

图5 纵向磁场结构触头的分断电流与触头直径的关系

2 真空灭弧室的真空度

据巴申(Paschen)的试验，认为小间隙电极、间隙的击穿强度与真空度有关(见图6)［3］。由图7可见，当真空度达到0.1 mPa后，击穿电压已趋向于稳定值;相反，对较大间隙的电极，最大可能击穿电压在10 mPa附近［4］。这说明单纯追求提高真空度是没有必要的。再从熄灭真空电弧扩散作用的角度考虑，即熄弧间隙的剩余金属蒸汽密度控制在一定范围内时［5-6］，真空度只要达到1 mPa就足够，因此，对低压用真空接触器就没有必要强求过高的真空度。

图6 击穿电压与真空度的关系

图7 不锈钢电极长真空间隙下的击穿电压曲线

3 真空电弧温度的影响

真空灭弧室在正常工作时的温度对真空度几乎没有什么影响，即使触头部分达到1 350 K(超过铜的熔点)时，在触头附近的真空度也只降到5 mPa;只有当温度上升到1 650 K时，真空度才显著下降，气压为10 mPa;当达到形成阳极斑点的温度2 490～3 040 K时，气压将接近760 Pa，甚至大于一个大气压力。但离开触头附近以外的区域，真空度仍然能保持1 mPa。因此，真空灭弧室分断电弧电流的过程，不会影响到真空灭弧室整个真空度的下降。不过，高温电弧将使触头发生严重的熔化，产生过量的金属蒸汽。此外，触头的含气量也是应关注的问题，当过量金属蒸汽加上触头放出的气体，总原子密度＞1015个/cm3时，该金属蒸汽密度通常称作间隙的临界密度［7］，可能使真空灭弧室达到无法熄灭真空电弧的地步。为了熄灭真空电弧，必须使蒸汽的原子密度＜1015个/cm3。因此，阳极斑点形成后，最突出的问题表现在间隙金属蒸汽的过剩。

为防止阳极斑点的形成，可在分断电流不大时，适当地增大触头面积，以增加冷却面积;对于较大的电流，则利用磁场的横吹，使电弧在触头表面高速运动;或利用纵向磁场控制电弧电压等。总之，就是冷却触头表面，尽量降低触头表面的温度。

4 触头间隙的确定

触头间隙大小的选择是否合理，对分断电流的大小有很大影响，从介质恢复时间的角度考虑，在不影响击穿电压的条件下，间隙小的介质恢复时间要比间隙大的快得多，根据Farrall［8］的实验分析结果可知，若分断电流为250 A，触头直径为50 mm，当间隙为0.76 mm时，介质完全恢复时间t=1 μs;当间隙为 2.3 mm 时，t增到 4 μs;当间隙为4.6 mm 时，t更长，延至 12 μs。为了保证间隙的绝缘强度，给予合理的开距是必要的，然而过大的开距无助于提高绝缘强度，可能反而会导致分断大电流过程中增大间隙的电弧能量，延长介质恢复时间。由图8可见，开距增加时，电弧电压会有显著上升［9］。但必须指出，对于纵向磁场结构的触头，其间隙的大小对电弧电压的影响不大。最低电弧电压降与触头开距的关系如图9所示。

图8 触头开距与电弧电压间的关系(铜触头，I=30 A)

由图9可见［10］，电弧电压随着分断电流的增加而增大，但在不同触头直径和不同分断电流下，它们之间最大差别不超过20 V。

5 屏蔽罩的厚度

屏蔽罩的作用除了防止燃弧过程中触头上产生大量金属蒸汽喷溅到绝缘外壳的内壁，降低真空灭弧室极间绝缘强度的闪络，以及改善真空灭弧室内部电场的均匀分布，有利于合理缩小真空灭弧室的结构尺寸外，主要用来冷却和凝结从触头间隙喷溅出来的金属蒸汽和其他电弧生成物，使残余等离子体迅速衰减，有助于真空电弧的熄灭。因此，冷却和凝结的效果将直接影响真空灭弧室的分断能力。

图9 最低电弧电压降与触头开距的关系(触头直径为50、90和130 mm)

屏蔽罩冷却和凝结效果与屏蔽罩的初始温度有关，当温度为20℃时，其凝结系数为0.899;157℃时，其凝结系数为0.797;600℃时，其凝结系数为0.5左右。因此，设计时常将温度限制在600℃以下［11］。我国生产的真空灭弧室，其屏蔽罩尺寸均有较大裕度，还未涉及到对分断能力的影响，但对屏蔽罩的厚度没有规定，有的偏厚，有的偏薄。从传热学的理论可知，当热作用时间一定时，传热深度也一定，因此，过分地增加屏蔽罩的厚度，只会增大材料的热容量，对热量传递的深度已无多大作用。

6 真空灭弧室的并联运行

开关并联运行最重要的因素是要求电流能稳定相等分配，用纵向磁场控制的真空电弧为正伏安特性。具有正伏安特性的开关能满足并联运行的基本条件，因此，在燃弧期间，它十分适合电流的稳定分配。但对机械操动触头的开关，若触头不同时间分开，将会造成并联运行开关间电流分配不平衡，在一个触头分开起始的短间隔内，大部分的分断电流将流向另一个闭合着的触头，因此，研究该过程的时间对实际并联分断技术有重要意义。

图10为并联运行的试验电路［12］。图中，电源由200 MVA的同步发电机 G供给，频率为50 Hz正弦波。在相角等于直流分量最大值时，闭合开关S将电流供给真空灭弧室V1和V2。

图10 并联运行的试验电路

BB—后备开关;TM—电力变压器;L1、L2—串联电抗;
R1、R2—串联电阻

图11为2个并联运行的真空灭弧室在不同时间分开触头的电流分配变化示波图。图中，真空灭弧室V1和V2触头分开时间相差6.2 ms，串联在真空灭弧室回路的阻抗各为2.42 mΩ和20 mH。t0～t1，真空灭弧室均位于闭合位置，由于串联阻抗起着有效的控制作用，通过的电流相等。真空灭弧室V1触头在t1时刻分开，由于存在电弧电压，电流I1减小，V1电流增加，直到t2时刻真空灭弧室V2触头分开，I1和I2在短时间内恢复到平衡，恢复时间与时间常数有关。

图11 两个并联运行真空灭弧室，在不同时间分开触头的电流分配变化示波图

不平衡电流与电弧电压有很大关系，若V1触头先分开，则在该支路中电流瞬间变过程为

式中 It——总电流

Ua——电弧电压

R——支路电阻

L——支路电感

若R=2.42 mΩ，L=20 mH，则可得出最大的不平衡电流为Ua/2R=(Ua/4.84)×103，时间常数为L/R=8.26 ms。在一般其他气体下的电弧电压Ua为几kV，即使Ua=1 000 V，不平衡电流将达到(Ua/4.84)×103=207 kA，而在有纵向磁场下的电弧电压大多数在50 V左右，因此，不平衡电流只有(Ua/4.84) ×103=10.3 kA。

根据上述的特点，日本东芝浦公司已成功制成了用真空灭弧室两串四并方式的直流断路器，用于分断130 kA电流、44 kV电压上的Tokmak装置，几年来的运行证明，这种结构的直流断路器具有高度的可靠性和长时间的使用寿命。

7 结语

真空灭弧室在低压等级使用范围内，选用杯状触头或具有纵向磁场的触头结构较为合适。通过分析真空灭弧室真空度、触头温度、屏蔽罩厚度和触头开距等，可做出合理的结构设计，满足较广泛的使用要求。根据真空电弧的特点和操作机构的正确设计，采用并联组合的真空灭弧室能有效地扩大额定电流和分断电流的要求。

到目前为止，所有机械开关，例如空气断路器、油断路器和SF6断路器等都属于负伏安电流特性，都无法进行并联运行的要求和提高开断短路电流要求。只有属于正伏安电流特性的真空断路器才能进行并联运行，提高分断电流的能力。