小型化真空滅弧室老煉工藝的研究

　　摘 要：本文根據(jù)小型化真空滅弧室研制開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐中的體會著重介紹小型化真空滅弧室的老煉工藝。

　　1 概述

　　真空開關(guān)技術(shù)經(jīng)過近三十多年的發(fā)展，市場占有份額逐年提高，生產(chǎn)廠家也越來越多，市場競爭非常激烈。特別是入世以來，國外真空開關(guān)制造業(yè)以獨(dú)資、合資的形式相繼進(jìn)入中國市場，使得競爭更加激烈。市場對先進(jìn)的小型化真空開關(guān)的需求越來越迫切，用戶需要外型尺寸小、占地面積小、成本低廉、性能優(yōu)越的產(chǎn)品。因此，近年來世界各國，尤其是日本、美國等科技發(fā)展水平較高的國家一直致力于真空滅弧室小型化的研究，并取得了突破性進(jìn)展。

　　為了實(shí)現(xiàn)真空滅弧室的小型化，錦州華光電力電子(集團(tuán))公司的技術(shù)研究人員對真空電弧、電真空材料、滅弧室內(nèi)部電場強(qiáng)度的分布及生產(chǎn)方式等技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，真空滅弧室設(shè)計(jì)水平和制造工藝得以不斷提高和完善，推出了新一代U系列小型化真空滅弧室。

　　U系列小型化真空滅弧室改變了以往的設(shè)計(jì)模式和工藝方式，在產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了全新的設(shè)計(jì)理念，在制造工藝上有較大的突破，其產(chǎn)品特點(diǎn)如下：

　　(1)采用自行研制的新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)。這種觸頭結(jié)構(gòu)在燃弧期間，在觸頭間隙中產(chǎn)生比目前通用的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、更均勻的縱向磁場。在強(qiáng)磁場的作用下，電弧被有效地控制在一個更大的區(qū)域內(nèi)燃燒，擴(kuò)大了觸頭的有效利用面積，改善了觸頭表面的電流密度分布，使電弧始終保持?jǐn)U散型，從而降低了弧壓及電弧能量，使開斷能力大幅提高，開斷能力較原杯狀觸頭結(jié)構(gòu)提高了約15%以上。

　　(2)通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，改善了滅弧室內(nèi)部電場強(qiáng)度分布的均勻程度，優(yōu)化了滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了滅弧室內(nèi)部的絕緣水平，從而實(shí)現(xiàn)了滅弧室的小型化，其體積僅為原結(jié)構(gòu)的50%～70%。 

　　(3)采用新型的“一次封排”工藝，使滅弧室從部件到整管一次封排完成，減少了人及環(huán)境對部件的二次污染，提高了滅弧室內(nèi)部的真空度及清潔度，改進(jìn)了滅弧室的開斷性能、絕緣水平及同軸水平。同時，新型的工藝結(jié)構(gòu)，使得滅弧室的密封焊縫得以減少，由原來的9道焊縫減少到6道焊縫，滅弧室的漏氣幾率大大降低，密封的可靠性提高了33%。 

　　(4)采用新型的波紋管防扭結(jié)構(gòu)，既防止波紋管被扭傷漏氣，又使整管的外形更加美觀，也給裝機(jī)帶來便利。

　　錦州華光電力電子(集團(tuán))公司根據(jù)市場的需求前景已開發(fā)出斷路器用12kV等級的20kA、25kA、31.5kA、40kA、80kA及40.5kV等級25kA、31.5kA和負(fù)荷開關(guān)用20kA的U系列小型化真空滅弧室，這是公司自行研制開發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的換代產(chǎn)品。

　　U系列真空滅弧室優(yōu)越的性能、小型化的體積配合復(fù)合絕緣的應(yīng)用，不但使真空斷路器縮小了相間距，減小了整體尺寸，更主要的是能夠滿足較大的開斷容量和較高的弧后絕緣水平。另外，對現(xiàn)行開關(guān)使用小型化真空滅弧室后，也可以去掉相間附加的絕緣件，既可降低成本，又可方便安裝調(diào)試。

　　U系列小型化真空滅弧室優(yōu)越的開斷性能及較高的弧后絕緣水平得益于先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式和新型“一次封排”工藝的采用，也與老煉工藝的改進(jìn)密不可分。真空滅弧室的老煉工藝分為電流老煉和電壓老煉，本文根據(jù)小型化真空滅弧室研制開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐中的體會著重介紹小型化真空滅弧室的老煉工藝。

　　2 大電流老煉

　　大電流老煉就是真空滅弧室通以數(shù)百安培較大電流的同時拉開觸頭，使觸頭間產(chǎn)生擴(kuò)散型電弧，燃燒的電弧剝除了觸頭表面覆蓋著的臟物、氧化物和氣體，使觸頭表面成為完全新鮮的活性表面，起到了凈化觸頭表面的作用。因此，可以說電流老煉與電壓老煉比較，更具有徹底除氣的作用。

　　大電流老煉分交流電流老煉和直流電流老煉，錦州華光電力電子(集團(tuán))公司采用直流老煉方式，取直流電壓100V左右，電弧電流調(diào)至100安至數(shù)百安，合分觸頭10～20次。每次合分操作時使電弧有足夠長的燃弧時間，累計(jì)一定時間后，就能達(dá)到對觸頭表面凈化和除氣的目的。電流老煉對觸頭表面的燒蝕作用主要來自正離子對陰極的轟擊，對陰極表面有較好的燒蝕作用[1]，為了對另一觸頭進(jìn)行老煉，必須改變直流電源極性，重復(fù)上一次操作。經(jīng)大電流老煉的真空滅弧室，其開斷短路電流和開合電容器組的性能比未進(jìn)行電流老煉的滅弧室性能穩(wěn)定[2]，主要是因?yàn)橛|頭表面的凈化和表層吸收的氣體被除去，在開斷時電弧燃燒觸頭放出氣體少，對觸頭間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)非常有力。

　　U系列小型化真空滅弧室采用新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)，這種觸頭結(jié)構(gòu)在燃弧期間，在觸頭間隙中產(chǎn)生比目前通用的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、更均勻的縱向磁場，電弧被有效地控制在一個更大的區(qū)域內(nèi)燃燒，擴(kuò)大了觸頭的有效利用面積，在同一電流等級下，觸頭表面積減小20%以上。為了避免大電流老煉時規(guī)范過重，觸頭表面燒損嚴(yán)重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平，U系列小型化產(chǎn)品大電流老煉試驗(yàn)時，電弧電流調(diào)至80～100安，合分觸頭正負(fù)極性各5～10次，具體次數(shù)根據(jù)弧光而定，弧光顏色由白色或紅色轉(zhuǎn)為淡藍(lán)綠色為宜。 

　　3、超高壓老煉

　　高壓老煉效應(yīng)是決定真空中絕緣擊穿特性的主要因素之一，成為實(shí)現(xiàn)高電壓化、小型化的一項(xiàng)課題。常用的高壓老煉方法有四種：輝光放電老煉法、充氣老煉法、電流老煉法、火花老煉法。對密封的真空滅弧室而言火花老煉法是提高真空滅弧室耐壓水平的唯一實(shí)用的方法[3]，火花老煉法也就是工頻老煉法。錦州華光電力電子(集團(tuán))公司采用的是超高壓工頻老煉，其特點(diǎn)是：

　　(1)滅弧室浸在絕緣介質(zhì)中，老煉過程中不受外絕緣的影響，老煉電壓比空氣中提高約1.5倍,使真空滅弧室的內(nèi)部老煉更徹底;

　　(2)超高壓工頻老煉的升壓有保護(hù)措施，一旦擊穿電流大，威脅產(chǎn)品安全時，它將自動降壓以保護(hù)滅弧室不受損壞;

　　(3)在靜態(tài)情況下給真空滅弧室施加工頻高電壓，引起觸頭間及觸頭與屏蔽罩間強(qiáng)烈的火花放電。真空滅弧室利用該方法可消除觸頭和屏蔽罩表面的高β發(fā)射點(diǎn)，改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，從而提高它的擊穿電壓和長期工作下的穩(wěn)定性。 

　　真空滅弧室小型化后，滅弧室的體積變得越來越小，因而老煉工藝也需要重新摸索,以確定更適合小型化產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的老煉工藝。這里著重介紹小型化真空滅弧室高壓老煉工藝的摸索過程，包括外絕緣的保護(hù)、老煉開距、老煉升壓速度、老煉電壓值及電壓穩(wěn)定時間的確定。

　　3.1外絕緣保護(hù)

　　解決真空滅弧室耐受高電壓和強(qiáng)電場的關(guān)鍵技術(shù)之一是沿面絕緣的提高，尤其將真空滅弧室最大限度地小型化后，真空滅弧室本身的外部絕緣(主要指用于復(fù)合絕緣的真空滅弧室的外絕緣)已不能滿足較高的老煉電壓和正常的絕緣要