小型化真空滅弧室設(shè)計制造的要點

　　摘要：文章介紹了小型化真空滅弧室具有體積小、電性能及機械特性要求高和成本低的特點，文章圍繞這些特點詳細論述了小型化真空滅弧室設(shè)計及制造中需要考慮的要點，對小型化真空滅弧室的研發(fā)具有一定的借鑒作用。

　　0引言

　　隨著真空開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)的設(shè)計制造水平日益提高，尤其是開關(guān)的機械特性參數(shù)的越來越科學和穩(wěn)定，使得滅弧室設(shè)計不必給過多的裕度就可以滿足開關(guān)的性能要求，滅弧室在結(jié)構(gòu)上也可以向小型化方向發(fā)展。同時，由于固封極柱的出現(xiàn)，開關(guān)的體積在減小，那么滅弧室的小型化更是當務(wù)之急。另外隨著西門子，伊頓等合資企業(yè)的出現(xiàn)，使得滅弧室的市場競爭愈演愈烈，那么價格的競爭也是非常關(guān)鍵的，而材料成本通常占滅弧室總成本的50%～60%，小型化的產(chǎn)品可以大大降低滅弧室的材料成本，使其具有良好的市場競爭資格，因此小型化真空滅弧室是滅弧室發(fā)展的一種必然趨勢。

　　1 小型化真空滅弧室的特點

　　通常小型化的滅弧室用于固封斷路器中，所以與同等參數(shù)的普通滅弧室比較而言，小型化真空滅弧室具有以下特點。

　　(1)體積小。

　　(2)電性能及機械特性要求高

　　1) 電極小，開斷電流大。

　　2) 絕緣間隙小，絕緣水平高。

　　3) 回路電阻低。

　　4) 機械壽命長。

　　(3)成本低

　　從以上特點可以看出，小型化真空滅弧室的設(shè)計和制造要充分考慮開斷過程中電極對電弧的控制能力，電極的導流導熱能力，電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計，觸頭材料的選用，絕緣系統(tǒng)的設(shè)計，波紋管的設(shè)計以及零件和整管的制造工藝問題。同時，小型化真空滅弧室配用的斷路器體積相對較小，那么相間距離有限，相間的電動力對電弧的影響較大，因此在設(shè)計滅弧室時還要充分考慮屏蔽外磁場。另外小型化的滅弧室考慮其設(shè)計和制造成本，以保證其具有良好的市場競爭能力，為公司創(chuàng)造較高得經(jīng)濟效益。

　　2 小型化真空滅弧室電極設(shè)計要點

　　2.1 電極結(jié)構(gòu)的選用

　　目前使用過的電極結(jié)構(gòu)總體上有杯狀橫向磁場電極，平板橫向磁場、杯狀縱向磁場、線圈縱向磁場，帶馬蹄鐵的縱向磁場電極以及平板電極。這些電極結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點，針對滅弧室使用的場合以及電參數(shù)的不同，我們可以選用不同的電極結(jié)構(gòu)。

　　(1)橫向磁場電極結(jié)構(gòu)的選用：有關(guān)研究資料認為12kV/31.5kA以下的參數(shù)的滅弧室，使用橫向磁場電極開斷能力優(yōu)于同尺寸的杯狀縱磁場電極(見圖1)，而且回路電阻明顯優(yōu)于杯狀或線圈的縱磁結(jié)構(gòu)電極，但是在開斷過程中電弧對觸頭和屏蔽筒的燒蝕比較大，加之目前滅弧室的短路開斷次數(shù)都比較多，多次短路開斷后,橫磁滅弧室的屏蔽筒就會被甩上的電弧嚴重燒損,從而破壞其絕緣系統(tǒng),因此橫磁電極結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在12kV/25kA以下的小型化產(chǎn)品中。

　　(2)縱磁場電極結(jié)構(gòu)的選用：縱磁電極有杯狀縱向磁場、線圈縱向磁場，帶馬蹄鐵的縱向磁場電極，縱磁電極在開斷時電弧電壓低，電弧能量小，縱磁場控弧能力強，觸頭的燒蝕量小，在分合閘過程中機械參數(shù)相對穩(wěn)定。其中杯狀縱磁電極加工起來比較簡單，通過調(diào)節(jié)斜槽的傾角和轉(zhuǎn)角就可以有效的控制導流能力和短路開斷能力，使二者都達到較好的水平，因此在中壓大容量小型化滅弧室設(shè)計時首選杯狀縱磁結(jié)構(gòu)。帶馬蹄鐵的縱向磁場電極，它的開斷能力是有限用的，目前我們都用在低壓或12kV的負荷開關(guān)和接觸器用滅弧室上。線圈縱向磁場電極，該結(jié)構(gòu)難加工，電極路徑長，雖然磁場強但電阻大不易用于小型化滅弧室中，對于低額定工作電流的滅弧室可以采用。

　　2.2 杯狀縱磁電極的小型化設(shè)計

　　電極直徑小，那么滅弧室的直徑就可以小，所以合理的優(yōu)化電極可以較好的實現(xiàn)滅弧室的小型化。下面主要討論杯狀縱磁電極的小型化。

　　大量的磁場計算以及裝管實際試驗證明，在杯狀縱磁電極中引進鐵磁物質(zhì)使電極間磁場得以重新分布，使盡可能大的觸頭表面在磁場的控制范圍內(nèi)，從而提高觸頭開斷利用面積，有效減小觸頭直徑。然而鐵芯的引入會使縱向磁場滯后時間增加，對開斷產(chǎn)生負面影響，所以在引入鐵芯時不但要考慮增強縱向磁場，還要充分考慮減小縱向磁場滯后時間，盡量消除鐵芯引入的負面影響。鐵心的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，我們公司目前普遍使用的鐵心結(jié)構(gòu)就很好。為減小鐵芯的磁滯可以通過阻斷導磁回路的方法降低磁場滯后。合理結(jié)構(gòu)的鐵芯即保證了磁場強度同時磁滯也很低。下表為使用鐵芯的縱磁場電極與通常的縱磁場電極的開斷能力比較。

 
　　上表的數(shù)據(jù)足以說明使用鐵芯可以有效減小觸頭直徑，有利于滅弧室的小型化設(shè)計。

　　2.3 觸頭材料的選用

　　小型化真空滅弧室開斷電流相對同參數(shù)的普通滅弧室苛刻的多而且電阻要求較低，因此我們首選CuCr觸頭材料，該種觸頭材料在開斷能力，導流能力，以及耐電壓強度上都表現(xiàn)的比較優(yōu)越。目前，CuCr觸頭材料有多種工藝制造的，包括，真空熱碳還原熔浸法(溶滲法)生產(chǎn)、混粉燒結(jié)、真空感應(yīng)熔煉快速凝固法(熔鑄法)以及西門子使用的真空電弧熔煉法，那么選那種工藝的好呢?

　　通過以往的使用經(jīng)驗我們可以知道熔滲法制造的觸頭材料很難避免同材富集現(xiàn)象，這樣極不利于開斷，容易產(chǎn)生容焊，不易用于小型化的真空滅弧室。

　　混粉燒結(jié)的觸頭材料金屬顆粒的晶間結(jié)合差，開斷時容易將觸頭表面的材料拉斷形成缺陷，所以也不利于開斷，其切電容的性能也相對差一些，因此不宜選用。

　　真空感應(yīng)熔煉快