真空灭弧室结构及原理.docx

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真空灭弧室结构及原理

真空灭弧室结构及原理

◆电弧

◆真空和真空度

◆真空电弧

◆交流真空电弧

◆真空击穿

◆灭弧原理

◆真空灭弧室的寿命

1、电弧

   电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。

气体放电在性质上和外观上是各种各样的。

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大的电场时，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力、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压到一定程度时，普通空气中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，这时，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。

电弧具有电流密度大和阴极电位降低的特点。

2、真空和真空度

   低于1个大气压的气体状态，都称为真空。

描述真空程度的量叫真空度，用该气体的压力大小来表示。

l大气压=760×133.332Pa＝1.013×105Pa（帕斯卡）或0.1013MPa

   真空技术中将广阔的真空度范围划分为粗、低、高、超高、极高等区域。

其中高真空区域的气体压力为10-1～10-6Pa，这一区域的后半段，即1.33×10-3～1.33×10-6就是真空灭弧室通常采用的真空度范围。

   在高真空区域中，单位体积内的气体分子数目大大减少了，气体分子之间碰撞的几率大大减少，气体分子之间的平均距离大大增加。

   真空度的高低对灭孤能力有影响。

实验表明：

灭孤室真空度在10-3Pa数量级时就能够可靠地灭弧。

真空灭弧定制造厂在产品出厂时，提高了灭孤室的真空度，达到10-5～10-6Pa，待经过20年的使用或贮存期，或多或少产生外部渗气等现象使其真空度下降到10-3Pa范围，仍能保证它的灭孤能力。

3、真空电弧

   在真空环境中，气体非常稀薄，残存气体的电离可忽略不记。

一对带电触头在这种高真空环境中的分离，便会产生真空电弧。

真空电弧是这样产生的：

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，致令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密度不断下降直到零，仍然恢复高真空状态。

3.1真空中电弧的形式：

   真空中的电弧有两种形式，扩散形电弧和收缩形电弧。

3.1.1扩散型真空电弧：

当真空电弧电流不大时，阴极斑点将不停地运动，通常是由电极中心向边缘运动。

当阴极斑点到达边缘，等离子锥便弯曲，接着阴极斑点就突然熄灭，在电极中心又会继续不断地产生新的阴极斑点。

如果电流保持不变，阴极表面存在的阴极斑点数基本上维持不变。

当电弧电流增大或减小时，阴极斑点也随之增加或减少。

这种存在许多阴极斑点的真空电弧，随着阴极斑点的运动不断地向四周扩散，所以叫扩散型真空电弧。

3.1.2收缩型真空电弧

若用铜作电极，当电弧电流增加超过10000A时，电弧的外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，而是相互吸引，结果所有的阴极斑点都聚集成一个斑点团，阴极斑点团的直径可达1~2CM。

此时阳极上出现了阳极斑点，阴极表面和阳极表面均有强烈的光柱，阴极光柱与阳极光柱自由地向电极的四周扩散成为数条连续的闪光，有时偶尔也与电极平行。

真空电弧一旦聚集，阴极斑点与阳极斑点便不在移动或以很缓慢的速度运动，阳极和阴极表面被局部强烈加热，导致严重熔化，这种真空电弧叫做收缩型真空电弧。

任何一种真空电弧对真空灭弧室的灭弧及其电气寿命均有重大不良影响。

4、交流真空电弧

上面介绍的扩散型电弧、收缩型电弧等，都是在直流情况下讨论的。

但在交流电路中,上述的概念仍然适用。

交流电流方向虽在交变，但每一个瞬时，或在很小一段时间内，电流仍是单向的，仍是直流，只不过其瞬时值不断在改变罢了。

当运用于交流时，请记住下列动态变化：

5、真空击穿

真空击穿是一个综合的复杂的物理过程，主要因素有：

真空度，电极材料，电极距离，压力的影响，老练作用，开断电流的大小，操作条件的影响等。

真空间隙的电击穿有两方面因素：

一是场发射，一是微粒撞击。

对于小间隙场致发射作用较大，大间隙中微粒撞击可能性较多。

1）.场致发射--经过机械磨光和洗净的电极两面，微观上仍然存在凹凸不平，存在许多微米级的尖峰突出物，尖峰处的局部电场可能增加上百倍，会发射电子流。

如果电极表面有杂质或氧化物存在，电极表面的逸出功会降低，场致发射更易产生。

尖峰发射的电子流虽不大，但因其面积小，电流密度却很大，会使局部发热，不仅电子发射增强，还可能产生蒸发、熔化，释放出金属蒸气，金属原子又与发射电子碰撞造成游离，出现击穿。

2）.微粒撞击--电极表面总是存在一些金属微粒，微粒在电场作用下携带电荷离开电极，加速撞击对方电极，由动能转为热能，引起局部加热、汽化，释放大量金属蒸气，形成金属云，导致间隙击穿。

6、灭弧原理：

真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧的唯一方只有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，真空电弧电流有一个过零的时刻，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，使直流真空电弧有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。

6.1灭弧方法和电极触头的选择

真空灭弧室切断交流真空电弧成功与否，与触头之间弧区过零前的金属蒸汽浓度密切有关，金属蒸汽来自电极触头的热斑点，热斑点和金属蒸汽都随着电弧电流瞬时值的增减而变化。

电弧电流过零点前一小段时间里，触头间金属蒸汽降低的速度取决于斑点的冷却时间常数。

对于扩散型电弧，它只有阴极斑点而无阳极斑点，各支弧均布于触头表面上且处于移动状态，所以热斑点熔区的面积小，深度浅，热惯性小，其冷却时间常数仅有数微秒，有足够的时间让阴极斑点冷却，使金属蒸汽浓度足够的低，同时金属蒸汽因温差、浓度差和压力差的作用迅速向孤区外扩散，电弧不能维持而熄灭。

对于收缩型电弧，则这些熄弧条件比扩散型电弧差劣许多。

在开断10KA及以上的短路电流时，先后开发了横向磁场触头和纵向磁场触头。

6.1.1横向磁场灭弧原理

横向磁场触头的工作原理是利用触头本身在开断电流时产生的横向磁场驱使真空电弧不断在触头表面运动，以防止触头表面严重熔化。

螺旋槽触头在分断很大电流时，具有相当高的介质恢复速度。

采用螺旋槽型触头就有横向磁场灭弧的特性。

6.1.2纵向磁场熄弧原理

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。

实验表明，在足够的纵向磁场下，大电流真空电弧仍具有扩散性真空电弧的基本特征，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磁场触头，这是因为纵磁场触头具有电磨损小，使用寿命长和分断能力大等优点。

带斜槽的杯状触头兼有横向磁场和和纵向磁场的特性，可以较好地灭弧。

同时为了保证杯状触头具有抗熔焊能力，在触头端部焊有一定抗熔焊能力的铜铬合金材料，也可装置不熔融或截流水平低的电极触头。

以达到更好的灭弧效果。

7、真空灭弧室的寿命

真空灭弧室是一种电真空器件，其寿命包括四个方面，如有一项达到寿命终结，则该灭弧室即报废而需更换。

1）触头导电系统机械强度寿命。

2）波纹管疲劳寿命：

波纹管的作用是维持内腔的真空度，在多次操作过程中材料疲劳破裂导致漏气是波纹管失效的主要原因。

3）内腔的真空度寿命：

真空度寿命是指灭弧室自制成之日起，经运输、存放、安装、使用等时间，其内腔真空度逐渐低到最低允许真空度的时间间隔。

4）电寿命：

衡量触头材料的耐腐蚀能力，即额定短路电流开断次数之能力，就称为电寿命，以开断次数表示。

8、真空灭弧室过电压保护

真空间隙具有较高的介质恢复速度，有良好的媳弧能力等特点同时也可能带来对电力系统绝缘造成危害的各种过电压。

为抑制过电压的产生，避免造成危害，我们可以一方面从真空灭弧室使用材料选择和技术设计着手，另一方面通过加装限压保护装置来达到目的。

具体办法有：

1）研究和制造低截流水平的触头材料。

2）研制低重燃率的真空开关管，如提高内腔洁净度，适当地进行电压老练和电流老练。

3）断路器合闸尽量做到无弹跳。

如有弹跳，时间不应长于2ms。

4）在感性负载端上并联电容器，这样可以降低波阻抗从而降低截流过电压，不仅降低过电压峰值，还能减缓过电压的前沿陡度。

5）负载端上并联RC吸收回路，其中C的作用如上述的并联电容，R则用于高频振荡中的能量消耗。

安装无间隙氧化锌避雷器，用以限制过电压的幅值。

真空灭弧室的基本结构和工作原理

真空灭弧室，又名真空开关管，是中高压电力开关的核心部件，其主要作用是，通过管内真空优良的绝缘性使中高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流，避免事故和意外的发生，主要应用于电力的输配电控制系统，还应用于冶金、矿山、石油、化工、铁路、广播、通讯、工业高频加热等配电系统。

具有节能、节材、防火、防爆、体积小、寿命长、维护费用低、运行可靠和无污染等特点。

真空灭弧室从用途上又分为断路器用灭弧室和负荷开关用灭弧室，断路器灭弧室主要用于电力部门中的变电站和电网设施，负荷开关用灭弧室主要用于电网的终端用户。

   我公司生产的多种型号的真空灭弧室，按其用途、参数、开断容量可分为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、重合器用真空灭弧室和分段器用真空灭弧室等。

   其结构形式均由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、波纹管等部分组成。

1.排气管保护罩

2.排气管密封刀口

3.环氧树脂填料

4.定端盖版

5.定导电杆

6.屏蔽筒

7.玻壳（或陶瓷壳）

8.定触头座

9.定触头

10.动触头

11.动触头座

12.动导电杆

13.波纹管

14.均压罩

15.动端盖版

16.导向套

1、气密绝缘系统

由玻璃或陶瓷制成的气密绝缘外壳、动端盖板、定端盖板，不锈钢波纹管组成了气密绝缘系统。

为了保证玻璃、陶瓷与金属之间有良好的气密性，除了封接时要有严格的操作工艺外，还要求材料本身的透气性尽量小和内部放气量限制到极小值。

不锈钢波纹管的作用不仅能将真空灭弧室内部的真空状态与外部的大气状态隔离开来，而且能使动触头连同动导电杆在规定的范围内运动，以完成真空开关的闭合与分断操作。

2、导电系统

定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成了灭弧室的导电系统。

其中定导电杆、定跑弧面、定触头合称定电极，动触头、动跑弧面、动导电杆合称动电极，由真空灭弧室组装成的真空断路器，真空负荷开关和真空接触器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。

为了使两触头间的接触电阻尽可能减小且保持稳定和灭弧室承受动稳定电流时有良好的机械强度，真空开关在动导电杆一端设置有导向套，并使用一组压缩弹簧，使两触头间保持有一个额定压力。

当真空开关分断电流时，灭弧室两触头分离并在其间产生电弧，直至电流自然过零时电弧熄灭，便完成了电路的开断。

3、屏蔽系统

真空灭弧室的屏蔽系统主要由屏蔽筒，屏蔽罩和其他零件组成。

屏蔽系统的主要作用是：

（1）防止触头在燃弧过程中产生大量的金属蒸汽和液滴喷溅，污染绝缘外壳的内壁，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，尤其是对于高电压的真空灭弧室小型化有显著效果。

（3）吸收一部分电弧能量，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。

屏蔽系统吸收电弧生成物的量越大，说明他吸收的能量也越大，这对增加真空灭弧室的开断容量起良好作用。

4、触头

触头是产生电弧、熄灭电弧的部位，对材料和结构的要求都比较高。

4.1对触头材料有以下要求：

（1）高开断能力。

要求材料本身的导电率大，热传导系数小，热容量大，热电子发射能力低。

（2）高击穿电压。

击穿电压高，介质恢复强度就高，对灭弧有利。

（3）高的抗电腐蚀性。

即经得起电弧的烧蚀，金属蒸发量少。

（4）抗熔焊能力。

（5）低截流电流值，希望在2.5A以下。

（6）低含气量。

目前断路器用真空灭弧室的触头材料大都采用铜铬合金，铜与铬各占50%。

在上、下触头的对接面上各焊上一块铜铬合金片，一般厚度各为3mm。

其余部分称为触头座，用无氧铜制造即可。

4.2触头结构

触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。

采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同的，早期采用简单的圆柱形触头，结构虽简单，但开断能力不能满足断路器的要求，仅能开断10kA以下电流，目前仅有真空负荷开关、高压真空接触器等用真空开关管才采用。

目前，常采用的有螺旋糟型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。

5、波纹管

真空灭弧室的波纹管主要担负保证动电极在一定范围内运动和长期保持高真空的功能，并保证真空灭弧室具有很高的机械寿命。

真空灭弧室的波纹管是由厚度为0.1~0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件。

真空开关在分合过程中，灭弧室波纹管受伸缩作用，波纹管截面上受变应力作用，所以波纹管的寿命应根据反复伸缩量和使用压力来确定。

波纹管的疲劳寿命和工作条件的受热温度有关，真空灭弧室在分断大的短路电流后，导电杆的余热传递到波纹管上，使波纹管的温度升高，当温升达到一定程度时，这就会影响波纹管的疲劳强度

6、工作原理

真空灭弧室是用密封在真空中的一对触头来实现电力电路的接通与分断功能的一种电真空器件，是利用高真空座绝缘介质。

当其断开一定数值的电流时，动、定触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的某一点或某几点上，表现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高，直至发生电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，导致剧烈的场致发射和间隙的击穿，产生了真空电弧，当工作电流接近零时，同时触头间距的增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断，开断结束。