【涨知识】深度解析真空灭弧室

1.什么是真空

真空是指在给定的空间内，远低于一个环境大气压的气体状态。真空状态下气体的稀薄程度通常用真空度来描述，以压强值来表示。

压强越高则真空度越低;压强越低则真空度越高。真空灭弧室中，真空度很高，一般为10-3Pa～10-4Pa。

2.什么是真空灭弧室

真空灭弧室也叫真空开关管或真空泡，是真空开关的核心器件。它是用一对密封在真空中的电极(触头)和其它零件，借助真空优良的绝缘和熄弧性能，实现电路的关合或分断，在切断电源后能迅速熄弧并抑止电流的真空器件。

3.真空灭弧室的分类

按外壳分：玻璃真空灭弧室、陶瓷真空灭弧室。

按用途分：断路器用真空灭弧室、负荷开关用真空灭弧室、接触器用真空灭弧室、重合器真空灭弧室、分段器用真空灭弧室及其它特殊用途真空灭弧室。

4.真空灭弧室的基本结构

真空灭弧室主要由气密绝缘系统、导电系统、屏蔽系统、触头系统几部分组成。

4.1.绝缘外壳

材料：绝缘外壳的材料有玻璃、陶瓷、微晶玻璃三种。微晶玻璃价格昂贵，因而没有得到过实际应用;玻璃结构强度较差，使用量已逐渐减少;陶瓷综合性能最好，因而应用最广泛。

主要作用：绝缘外壳主要是起绝缘支撑作用，并参与组成气密绝缘系统。

4.2.波纹管

材料：波纹管主要由厚度为0.1～0.2mm的不锈钢制成。

主要作用：波纹管主要担负动电极在一定范围内运动、及高真空密封的功能。真空灭弧室要求波纹管具有很高的机械寿命。

4.3.屏蔽筒

材料：屏蔽筒可由无氧铜、不锈钢、电工纯铁或铜铬合金等材料制成。

主要作用：

(1)减轻触头在燃弧过程中产生的金属蒸汽和液滴喷溅对绝缘外壳内壁的污染程度，从而避免造成真空灭弧室外壳的绝缘强度下降或产生闪络。

(2)改善真空灭弧室内部的电场分布，有利于真空灭弧室绝缘外壳的小型化，尤其是对高电压等级真空灭弧室的小型化有显著效果。

(3)冷凝电弧生成物。特别是真空灭弧室在开断短路电流时，电弧所产生的热能大部分被屏蔽系统所吸收，有利于提高触头间的介质恢复强度。屏蔽筒冷凝电弧生成物的量越大，吸收的能量也越大，越能改善真空灭弧室的开断能力。

4.4.触头系统

4.4.1.触头结构

触头结构的作用主要是在真空灭弧室分断短路电流时，在触头间形成横向磁场或纵向磁场，从而限制触头表面阳极斑点的形成，提高灭弧室的分断能力。

触头结构形成所需磁场的方式主要有两种：一是通过改变电流方向形成所需的磁场;二是通过设置磁性材料聚拢磁力线形成所需方向的磁场。

4.4.2.触头

触头是导电产生电弧、熄灭电弧的部位，对材料的要求很高。触头材料主要有铜铋合金、铜铬合金、铜钨合金等几种，目前断路器用真空灭弧室大量使用的主要是铜铬合金。

4.5.导电杆

真空灭弧室的动静导电杆均由无氧铜制成，它们是主要的导电回路，主要起导通电流的作用。

4.6.导向套

导向套一般用绝缘材料制成。它主要起导向作用，保证真空灭弧室的动导电杆在分合闸运动过程中能沿着真空灭弧室的轴线做直线运动。同时，它还能防止导电回路的电流分流到波纹管上，从而影响真空灭弧室的寿命。

5.真空灭弧室的触头结构

真空灭弧室的触头结构一般有以下几种：

5.1.圆柱形触头：

最简单的触头结构,分断电流不大,一般不超过7~8KA。

5.2.横向磁场触头：

典型的有螺旋槽横磁、杯状横磁、万字槽横磁。

5.3.纵向磁场触头：

典型的有开斜槽式纵磁、线圈式纵磁、马蹄铁式纵磁。

5.4.R型触头：

触头结构与触头集成化制造，磁场方向为交替式纵磁。

6.什么是横向磁场触头?什么是纵向磁场触头?它们对熄灭交流电弧分别有什么作用?

6.1.横向磁场触头是指真空灭弧室在分断短路电流时,在其电极间产生的与电极轴线垂直的磁场。在足够的横向磁场的作用下，真空电弧沿着触头表面不断地高速运动，从而避免了触头表面的严重熔化，在电流过零后能迅速恢复绝缘强度，有利于电弧的熄灭。

6.2.纵向磁场触头是指真空灭弧室在分断短路电流时,在其电极间产生的与电极轴线方向一致的磁场。采用纵向磁场提高真空开关的分断能力与采用横向磁场的情况截然不同，纵向磁场的加入可以提高由扩散性电弧转变到收缩型电弧的转换电流值。在足够的的纵向磁场的作用下，电弧斑点在电极触头表面均匀分布，触头表面不会产生局部严重熔化，并具有电弧电压低、电弧能量小的优良特征，这对于弧后绝缘强度恢复，提高分断能力是十分有益的。目前，大容量的真空灭弧室多采用纵向磁场触头，这是因为纵向磁场触头具有电磨损小，使用寿命长和分断能力强等优点。

7.真空灭弧室的原理

7.1.电弧

电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。

在正常状态下，气体有良好的电气绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上足够强的电场时，就可以引起电流通过气体，这种现象称为放电。放电现象与气体的种类和压强、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。例如在正常状态下，给气体间隙两端的电极加电压到一定程度时，空气中游离的电子在电场作用下高速运动，与气体分子碰撞后产生较多的电子和离子。新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，使气体开始发光，两电极变为炽热，电流迅速增大。这种性质上的转变称为气体间隙的击穿，其所需的电压称为击穿电压。这时，由于电场的支持，放电并不停止，故称为自持放电。电弧则是气体自持放电的一种形式。

放电：绝缘介质中流通电流的各种形式，称为放电;

击穿：绝缘介质上电压达到一定的数值后，流过的电流急剧增加，绝缘介质失去绝缘能绝缘状态转变为导体状态的过程称为击穿。

7.2.真空电弧(金属蒸汽电弧)力，这种由在真空环境中，气体非常稀薄，真空度高于1.33x10-2Pa时气体分子极少。在1.33x10-2Pa的真空中，每立方厘米空间中含有的气体分子数仅为标准大气压环境下的千万分之一。在这样稀薄的气体中即使真空间隙中存在电子，它们从一个电极飞向另一个电极时，也很少有机会与气体分子碰撞造成真空间隙的电击穿。

真空中电极间电弧是这样产生的：当触头行将分离前，触头上原先施加的接触压力开始减弱，动静触头间的接触电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加。在触头刚要分离瞬间，动静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上，接触电阻急剧增大，同时电流密度又剧增，导致发热温度迅速提高，致使触头表面金属产生蒸发。同时微小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强烈的场致发射，间隙击穿，继而形成真空电弧。真空电弧一旦形成，就会出现电流密度在104A/cm2以上的阴极斑点，使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发，以维持真空电弧。在电弧熄灭后，电极之间与电极周围的金属蒸气迅速扩散，密度快速下降直到零，触头间恢复高真空绝缘状态。

7.3.真空电弧的熄弧条件

真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧必须将电弧电流减小到一定程度，不足以维持电弧的时候才有可能将其熄灭。在交流情况下，真空电弧电流有很多个过零的时刻，这就给出了熄弧的条件;在直流情况下，必须设置一个电力转向装置，使直流真空电弧电流有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。

真空断路器开断电流的过程实际上是触头间真空电弧熄灭后的，逐渐增长的介质强度和触头间的恢复电压之间的竞赛，如果真空电弧的弧后介质强度恢复速度大于瞬态恢复电压上升速度，则电流被开断，反之则出现重击穿。

8.机械特性与真空灭弧室之间的关系

真空开关机械特性的优劣，对真空灭弧室各项电气性能有重要的影响。真空灭弧室的性能对衡量真空开关的性能当然十分重要，而开关本身的机械特性也同样影响真空灭弧室的使用性能。要保证真空开关的性能，其机械特性必须满足真空灭弧室的要求。

8.1.开距

触头的开距主要取决于真空开关的额定电压和耐压要求，一般额定电压低时触头开距选得小些，但开距太小会影响分断能力和耐压水平。开距太大，虽然可以提高耐压水平，但会使真空灭弧室的波纹管寿命下降，而且触头开距过大，将会显著地降低触头间有效纵向磁场的强度，使短路开断能力下降。设计时，一般在满足运行的耐压要求下尽量把开距选得小一些。10kV真空断路器的开距通常在8～12mm之间，24kV真空断路器的则在10～16mm之间，35KV真空断路器的则在16～24mm之间。

8.2.触头压力

在无外力作用时，动触头在大气压作用下，对真空灭弧室内腔产生一个闭合力,使其与静触头闭合，这个力称之为自闭力，其大小主要取决于波纹管的端口直径。自闭力太小，不能保证动静触头间良好的电接触，必须施加一个外加压力。外加压力和自闭力之和称为触头的接触压力。

接触压力的作用：

(1)保证动、静触头的良好接触，在一定范围内减小其接触电阻值;

(2)满足额定短路状态时的动稳定要求。应使触头压力大于短路状态时的触头间的斥力，以保证在该状态下动静触头的完全闭合且不受损坏;

(3)抑制合闸弹跳。使触头在闭合碰撞时得到缓冲，将碰撞的动能转为弹性势能，抑制触头的弹跳;

(4)改善分闸特性。当接触压力大时，触头压簧的压缩量大、弹性势能大，因而在触头分闸时，动触头能得到较大的初始分闸力，容易拉断熔焊点，并提高分闸的初始阶段的刚分速度，减少燃弧时间，提高分断能力。

8.3.接触行程(或称压缩行程)

目前真空开关毫无例外地采用对接式接触方式，动触头碰上静触头之后就不能再前进了。触头接触压力是由触头压缩弹簧(有时称作触头弹簧)提供的，在开关触头碰触开始，触头压簧施力端仍会继续运动，其继续运动的距离，即为触头弹簧的压缩行程，也称为接触行程。

接触行程有两方面作用，一是令触头弹簧受压而向对接触头提供接触压力;二是保证在运行磨合或触头烧损后仍然保持一定接触压力，使之可靠接触。一般接触行程可取开距的20%～40%左右，10kV的真空断路器约为3～4mm。

在真空断路器具体设计时，触头压缩弹簧在分闸位置就设置了相当的预压缩量，因而在触头对接前就有了一定的预压力。这是为了在合闸过程中，使动触头有足够的力抵抗因预击穿而产生的电动力。并在触头碰接瞬间，接触压力陡然跃增至预压力数值，减小合闸弹跳，抵抗电动斥力，使动静触头保持良好的接触状态;随着触头压簧的进一步压缩，触头间的接触压力逐步增大，接触行程终了时，接触压力达到设计值。接触行程不包括合闸弹簧的预压缩量程，它实际上是触头压簧的第二次受压行程。

8.4.时间-行程特性曲线

时间-行程特性曲线是描述真空断路器合、分闸机械特性的重要手段，在时间-行程特性曲线中可以全程测量到断路器合、分闸期间的运动速度、合闸弹跳、分闸反弹等参数。

8.4.1.合闸速度

合闸速度主要影响触头的电磨蚀。如合闸速度太低，则在合闸时预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘住，降低灭弧室的电寿命。但速度太快，容易产生合闸弹跳，操动机构输出功也要增大，对灭弧室和整机的机械冲击大，影响产品的使用可靠性与机械寿命。

8.4.2.分闸速度

分闸速度分为刚分速度和平均分闸速度。动静触头刚分离瞬间的速度称为刚分速度。平均分闸速度，真空灭弧室厂家一般规定为0～75%行程内的平均速度。某些真空断路器厂家在测试平均分闸速度时一般取缓冲器作用前这段距离。对于12kV及24KV真空断路器，平均分闸速度的测试距离一般取6mm左右;对于40.5kV真空断路器，一般取8-10mm左右。

分闸速度的大小直接影响电流过零后触头间介质强度的恢复速度。如果在电弧熄灭后，触头间介质强度的恢复速度小于恢复电压的上升速度，将造成电弧重燃。为防止电弧重燃，必须有足够大的分闸速度。

分闸速度的指标主要是由额定电压和开距决定的,也与短路开断电流有一定的关系。真空断路器在短路开断试验中，随着开断电流的逐渐增大，其平均燃弧时间也随之增长，分散性也增大，重燃和重击穿的概率增大。因此，对于同一电压等级的真空断路器，开断电流越大，所要求的分闸速度也就越高。

对于真空断路器开断能力影响最大的不是平均分闸速度，而是刚分速度。若刚分速度不高，电弧在第一个过零点触头间隙很小，此时金属蒸汽尚处于高密度状态。由于动静触头没有达到足够的开距，很容易导致电弧的重燃。因此，从提高开断性能这个角度，刚分速度越大越好。提高刚分速度的另一好处是短路开断时很容易拉断动静触头间轻微的熔焊点。

平均分闸速度或最大分闸速度则不宜过大，否则，不仅造成分闸反弹的增大，结构元件的机械强度及对真空灭弧室内波纹管的损害都会变成突出的问题。

8.4.3.合、分闸不同期性

合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳，因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受。此外，分闸的不同期性太大可能使后开相燃弧时间加长，降低开断能力。

分闸与合闸的不同期性一般是同时存在的，所以调好了合闸的不同期性，分闸的不同期性也就有了保证。一般要求合分闸不同期性小于2ms。

8.4.4.合、分闸时间

合闸时间是指开关接到合闸指令瞬间起到所有极的触头接触瞬间的时间间隔;分闸时间是指从开关分闸操作起始瞬间(即接到分闸指令瞬间)起到所有极的触头分离瞬间的时间间隔。

合、分闸线圈是按短时工作设计的，合闸线圈的通电时间不超过100ms，分闸线圈的通电时间不超过60ms。合、分闸时间一般在断路器出厂时已调好，无需再动。

当断路器用在发电机系统并在电源近端短路时，故障电流直流分量衰减较慢。若分闸时间很短，断路器分断的故障电流就可能含有较大的直流分量，开断条件更为恶劣，这对断路器的开断是很不利的。所以用于发电机系统的真空断路器，其分闸时间的设计适当长些为宜。