真空接觸器用真空滅弧室的小型化論文

1、獨創(chuàng)性申明本人申明所呈交的學(xué)位論文是本人在指導(dǎo)教師的的指導(dǎo)下進行的研究性工作和總結(jié)。除文中特別加注和致謝的地方，不包含其他人已發(fā)表過或撰寫過的研究成果，也不包含其他人為獲得電子科技大學(xué)或其他教育機構(gòu)學(xué)位或證書而使用過的資料。在本文所涉及的研究過程中做過合作或貢獻者已在文中予以說明和致謝。簽名：日期：年月日關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本學(xué)位論文作者了解電子科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學(xué)可將論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印和掃描等手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文

2、在解密后應(yīng)遵循此規(guī)定）簽名：導(dǎo)師簽名：摘要摘要真空滅弧室是用于真空斷路器、負荷開關(guān)、真空接觸器等開關(guān)電器的主要元件，即核心器件。目前國內(nèi)、國外對斷路器、負荷開關(guān)用真空滅弧室的研究很多，在真空滅弧室的制造和設(shè)計水平均得到了極大的提高。而對用于真空接觸器的真空滅弧室報道極少，真空斷路器與真空接觸器最大的不同在于：真空斷路器可開斷大電流，但操作不頻繁；而真空接觸器具有較高的操作頻率，最高可達每小時 1200 次，同時開斷次數(shù)、壽命是斷路器的幾幾十倍。本文著重討論真空接觸器用真空滅弧室的小型化。真空接觸器用的真空滅弧室小型化的研究報告較少，本課題將借鑒真空斷路器用真空滅弧室小型化的思路，應(yīng)用真空電弧理

3、論的發(fā)展和內(nèi)部電場優(yōu)化使真空滅弧室體積更?。贿\用復(fù)合絕緣技術(shù)使真空滅弧室結(jié)構(gòu)尺寸大大減小。根據(jù)真空接觸器的特點，滅弧能力強、耐壓性能好、操作頻率較高、壽命長、無電弧外噴、體積小、重量輕等，要求真空滅弧室的觸頭材料需要具有足夠的開斷能力；低的截流電流；高的耐電壓強度；高的抗熔焊能力；含氣量要低；高的導(dǎo)電率、導(dǎo)熱系數(shù)和機械強度，小的接觸電阻；電浸蝕率低；熱電子發(fā)射能力低。本論文針對上述問題，對材料和工藝問題作了創(chuàng)新性和探索性研究。主要內(nèi)容為：1、觸頭材料的選取，從觸頭的工作機理出發(fā)，選取真空接觸器常用的觸頭材料，如 MoCu、AgWC、 WCu、CuWAlTe、CrCu 等。根據(jù)其化學(xué)成分、物理性

4、能不同，設(shè)計觸頭，裝成真空滅弧室，采用電流成型的方法，模擬真空接觸器實際工作情況下，開斷電流后，觸頭的表面狀況、觸頭內(nèi)部變化情況（金相照片）、真空滅弧室內(nèi)部被金屬蒸氣污染的狀況等，確定觸頭材料和結(jié)構(gòu)。2、氣密絕緣外殼的選取，為確保高的耐壓強度，選取真空陶瓷、端封工藝。3、動、定導(dǎo)電桿的選取，確保真空滅弧室的溫升達到有關(guān)標(biāo)準的規(guī)定。關(guān)鍵詞：真空滅弧室，真空接觸器，觸頭材料和結(jié)構(gòu)，開斷能力IABSTRACTABSTRACTVacuum Interrupter (VI) is the key component used in the switch electricity asvacuum circ

5、uit breaker， load switch， vacuum contactor. There are many studies oncircuit breaker and load switches based on VI today， and many progresses have madein the design and manufacturing of VI， however， rare report has been published aboutVIs application in vacuum breaker. The main difference between va

6、cuum breaker andvacuum contractor is that vacuum breaker could break great electric current with lessoperation， while vacuum contactor could operate at a high frequency about Max. 1200per hour with a long lifetime of usage. This paper focuses on the minimization of VI inthe application of vacuum con

7、tactor.Few reports had been found in this aspect. This paper will based on the thoughtsof minimizing VI in the application of vacuum breaker， minimize VI in its volumeaccording the development of vacuum arc theory and optimization of internal electricfield; minimize its structure by using combined i

8、nsulation techniques.The features of vacuum contactor as strong ability to extinguish arc， to resisthigh pressure， high frequency of operation， long life span， no outside washing ofarc， small size and less weight， ask the contact materials of VI have enough ability toswitch with lower electricity cl

9、osure， resistance to high electric pressure， higherresistance to wield， lower contain of gas， higher electricity conductivity， higherthermal conductivity and higher mechanical strength， lower electricity resistance，lower electroerosivity and lower hot electron emission. This paper made someinnovativ

10、e and exploration about the above topics， and its main contains as:1、 The selection of contactor maters. Select the usual contactor maters asMoCu， AgWC， WCu， CuWAlTe amd CrCu according to the operation mechanismof contactor. Design the contractor according to the different chemical components andphy

11、sical property of different materials and assemble the contactor to VI. Then decidethe contactor materials and structure by simulating vacuum contactors operation byelectricity shaping as observing the surface of contactor， the internal change ofcontactor (metallograph) and the internal pollution of

12、 metal steam of VI.IIABSTRACT2、The selection of air seal shell. Which should use end seal technique by usingvacuum ceramics so as to confirm the high resistance to pressure.3、 To select the variable and fix electric pole so as to guarantee the temperatureof VI meet the standard.Key Words: Vacuum Int

13、errupter， Vacuum Contactor， Structure and Materials ofContractor， Switch Function.III目錄第一章 緒論 .11.1 目前國際、國內(nèi)真空滅弧室的技術(shù)狀態(tài)和發(fā)展方向 .11.2 真空接觸器和真空滅弧室.21.2.11.2.21.2.3真空接觸器工作原理 .2真空接觸器與真空斷路器的特點 .4真空接觸器用真空滅弧室 .41.3 本論文的選題和研究內(nèi)容.5第二章 真空滅弧室的工作機理和參數(shù)設(shè)計 .72.1 真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)和工作機理.72.1.12.1.22.1.3真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu) .7真空滅弧室的工作機理 .

14、8真空電弧對真空滅弧室的影響 .82.2 真空滅弧室設(shè)計參數(shù)分析.102.2.12.2.22.2.3截流水平的確定 .10真空滅弧室的絕緣分析 .12動、定導(dǎo)電桿對真空滅弧室性能指標(biāo)的影響 .142.3 工藝過程對真空滅弧室性能的影響.152.3.12.3.22.3.3真空滅弧室總裝工藝 .15真空滅弧室的排氣 .16老煉過程 .172.4 真空接觸器用真空滅弧室常用觸頭.182.4.12.4.22.4.32.4.42.4.52.4.6觸頭的工作機理 .18觸頭材料的基本要求 .21觸頭的電磨損 .23分斷速度對觸頭電磨損的的影響 .24常見觸頭材料中元素的物理性能 .26觸頭材料的電性能測試

15、 .26第三章 方案實施 .28IV目錄3.1 本課題真空接觸器用真空滅弧室的主要性能指標(biāo).283.1.13.1.2性能指標(biāo) .28真空滅弧室外形尺寸 .293.2 本課題的方案論證.303.2.13.2.23.2.3真空接觸器常用的觸頭材料 .30按照小型化的要求選取觸頭材料 .34觸頭的試驗結(jié)果 .413.3 真空滅弧室的絕緣性能.413.3.13.3.2陶瓷尺寸的選取 .42陶瓷的封接形式 .433.4 動、靜導(dǎo)電桿電流容量的確認.433.5 試驗的結(jié)果.44第四章 結(jié)論和展望 .464.1 結(jié)論.464.2 今后的工作和前景展望.46致 謝 .48參考文獻 .49V第一章第一章緒論緒論

16、隨著經(jīng)濟的發(fā)展、技術(shù)的不斷進步和國家在又好又快的發(fā)展經(jīng)濟的同時對環(huán)保提出了更高要求。在配電控制和保護系統(tǒng)中，已廣泛采用真空開關(guān)。真空開關(guān)根據(jù)不同的用途和要求可分為真空斷路器、真空負荷開關(guān)和真空接觸器。相比之下真空接觸器擁有更多的優(yōu)越性，它結(jié)構(gòu)緊湊、安全性能高、高可靠、壽命長、無毒、維護簡便、費用低、對環(huán)境無污染。真空接觸器目前按電壓等級覆蓋了 380V、660V、1140V、3.6kV、7.2kV、12kV；額定電流從 80A 到 800A。真空接觸器由于技術(shù)不斷地進步，使電壓等級不斷提高已達 24kV、40.5kV，額定電流向上擴展，已達 1000A 以上。真空接觸器技術(shù)參數(shù)的提高和發(fā)展，依

17、賴于真空滅弧室技術(shù)的提高，真空滅弧室被稱為真空接觸器的心臟，它是真空接觸器的核心元件。真空滅弧室自問世以來，一直在不斷的向小型化、高可靠性、低成本方面發(fā)展，隨著真空接觸器應(yīng)用范圍的擴大，真空滅弧室也有了新的發(fā)展方向，電流、電壓等級的不斷發(fā)展，以滿足不同環(huán)境的使用要求。1.1 目前國際、國內(nèi)真空滅弧室的技術(shù)狀態(tài)和發(fā)展方向隨著電網(wǎng)容量不斷地擴大以及電壓等級的不斷提高，對用于電力系統(tǒng)控制和保護的開關(guān)設(shè)備提出了更苛刻的要求，真空接觸器以高真空作為滅弧和絕緣介質(zhì)，觸頭與滅弧系統(tǒng)簡單、具有使用壽命長、檢修間隔時間長、易于維護、適合頻繁操作、體積小、重量輕等特點，在中壓領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。近年來，隨著國內(nèi)外對真

18、空滅弧室研究的不斷深入，真空接觸器在高壓領(lǐng)域和低壓領(lǐng)域也得到了不斷的發(fā)展。真空滅弧室的發(fā)展與真空接觸器的發(fā)展，是緊緊聯(lián)系在一起的，甚至它的研究工作要超前一些。因為只有滅弧室技術(shù)的重大突破，才可帶來真空接觸器技術(shù)水平的大幅度提高。人類從事將真空作為滅弧和絕緣介質(zhì)的應(yīng)用研究，到現(xiàn)在已有 100 多年的歷史，真空滅弧室自從問世以來，一直在不斷的向小型化、高可靠性、低成本方面發(fā)展，隨著真空開關(guān)應(yīng)用范圍的擴大，真空滅弧室也有了新的發(fā)展方向。真空滅弧室的小型化，不論是斷路器，還是接觸器，是所有電器產(chǎn)品追求的發(fā)展方向。真空斷路器用真空滅弧室的小型化，國際、國內(nèi)已經(jīng)進行了很多年，1電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文并取

19、得了一定的成效。如德國 Calor-Emag 公司新研制成的 VC2 型真空斷路器，其12kV、20kA 的真空滅弧室的觸頭直徑僅為 40mm，12kV、50kA 真空滅弧室的觸頭直徑為 80mm。日本東芝公司采用新技術(shù)生產(chǎn)的真空滅弧室體積只有采用線圈式觸頭結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的一半。德國 AEG 公司最新推出的第三代真空滅弧室，其體積比縮小到原來產(chǎn)品的 1/3.真空接觸器用真空滅弧室小型化的研究報告較少，本課題將借鑒真空斷路器用真空滅弧室小型化的思路，應(yīng)用真空電弧理論的發(fā)展和觸頭新材料的發(fā)展，確定觸頭材料和結(jié)構(gòu)，使真空滅弧室體積更小；運用復(fù)合絕緣技術(shù)使真空滅弧室結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，達到實際工作狀態(tài)下，真

20、空接觸器的小型化和高可靠性，擴大真空接觸器的應(yīng)用領(lǐng)域。1.2 真空接觸器和真空滅弧室真空接觸器用于遠距離、頻繁地接通和分斷交流主電路和大容量控制電路的電器。其主要的控制對象為電動機，也可用作控制電熱設(shè)備、電照明、電焊機和電容器組等電力負載。如用于煤礦、化工、冶金、水泥等行業(yè)有防爆、防腐蝕和防火要求以及環(huán)境較惡劣的場所。真空接觸器具有較高的操作頻率，最高操作頻率可達每小時 1200 次。真空接觸器的壽命很高，機械壽命一般為數(shù)百萬次至一千萬次，電壽命一般為數(shù)十萬次至數(shù)百萬次。在電路中并不要求接觸器具有分斷短路電流的能力，當(dāng)線路發(fā)生短路時，由與接觸器相串聯(lián)的熔斷器或斷路器進行保護。真空接觸器的真空滅

21、弧室制造時工藝要求很高，如果工藝不良，滅弧室的真空度易下降；觸頭材料材質(zhì)不好，在分斷電流時會出現(xiàn)“截流過電壓”現(xiàn)象，即在分斷電流時，由于真空滅弧室的熄弧能力很強，電弧電流不是自然過零時切斷，而是從電流的某一值突然降到零，由此而出現(xiàn)高的過電壓。截流過電壓會危及電工設(shè)備的安全運行。1.2.1 真空接觸器工作原理真空接觸器其組成部分與一般接觸器相似，不同的是真空接觸器的觸頭密封在真空滅弧室中。其特點是接通/分斷電流大，額定操作電壓較高。真空接觸器工作時僅能產(chǎn)生能量較少的金屬蒸氣電弧，其強度、燃弧時間和對觸頭的燒蝕都比空氣中少，因而真空接觸器的維修周期較長。從環(huán)保的角度來看，真空接觸器的2第一章緒論觸

22、頭系統(tǒng)是封閉在真空陶瓷管殼中，觸頭開斷時產(chǎn)生的電弧不會影響外部環(huán)境，因而它可以工作在苛刻的工作環(huán)境下。在低壓電器領(lǐng)域中，盡管它的價格比一般空氣中滅弧的開關(guān)電器的價格要高，但它的環(huán)保作用和優(yōu)良性能已越來越引起人們的關(guān)注。原先真空接觸器一般用于特殊環(huán)境下，目前隨著真空技術(shù)的進步、真空技術(shù)的應(yīng)用已推廣至通用的真空接觸器。真空滅弧室真空絕緣原理的采用，大大提高了真空接觸器的熄弧能力、耐壓等級，同時使真空接觸器具有較高的操作頻率，最高操作頻率可達每小時 3000 次。真空接觸器的壽命很長，機械壽命一般為數(shù)百萬次，電壽命一般為數(shù)十萬次至數(shù)百萬次。真空接觸器由于采用真空滅弧室作為心臟部件，具有無電弧外噴、體

23、積小、重量輕、，適用于 660 伏及以上的電路中，大量用于煤礦、化工、冶金、水泥等行業(yè)有防爆、防腐蝕和防火要求以及環(huán)境較惡劣的場所。真空接觸器工作原理見圖 1-1。圖 1-1 真空接觸器工作原理真空滅弧室垂直安裝在絕緣隔板上，真空滅弧室內(nèi)有靜觸頭、動觸頭。與靜觸頭相連的導(dǎo)電桿用銅排引出，與動觸頭相連的導(dǎo)電桿用軟連接引至銅排引出端。動觸頭通過導(dǎo)電桿、觸頭彈簧和絕緣體與杠桿相連。真空接觸器以真空為滅弧介質(zhì)，其觸頭密封在特制的真空滅弧室管內(nèi)。當(dāng)操作線圈通電時，銜鐵吸合，在觸點彈簧和真空自閉力的作用下觸點閉合；操作線圈斷電時，反力彈簧克服真空滅弧室的自閉力使銜鐵釋放，觸點斷開。接觸器分斷電流時，觸點間

24、歇中會形成由金屬蒸汽和其它帶電粒子組成的真空電弧。因真空介質(zhì)具有很高的絕緣強度，且3電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文介質(zhì)恢復(fù)速度很快，真空中燃弧時間一般小于 10ms。1.2.2 真空接觸器與真空斷路器的特點盡管真空接觸器不斷地向大電流發(fā)展，提高到 630A，甚至達到 800A，但同斷路器額定電流幾 kA，開斷幾十 kA幾百 kA 電流相比較，存在不能覆蓋的范圍。隨著大容量限流熔斷器的研制成功，形成真空接觸器熔斷器組合電器，能在更寬的范圍應(yīng)用真空接觸器，為真空接觸器的進一步發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。真空接觸器的額定電流小（如 400A），只能在小容量范圍內(nèi)取代斷路器。大容量限流熔斷器的研制，解決了真空接觸器

25、與大容量限流熔斷器配套的問題，從而改變了用真空斷路器來替代接觸器的歷史。真空接觸器熔斷器組合電器是利用能夠開斷大范圍故障電源的高壓熔斷器與可頻繁操作的真空接觸器組合而成的成套電氣設(shè)備。這種電氣設(shè)備的優(yōu)勢是既可作頻繁操作，起控制作用，又可開斷短路電流，作短路保護。它特別適用于電動機的頻繁起動或變壓器、電容器的頻繁投切。它可起到斷路器的控制和保護作用。使用真空接觸器熔斷器組合電器與斷路器相比具有其優(yōu)勢，特別是熔斷器具有限流速斷作用，大大減少了動力電纜的截面積，使之使用電纜的成本大大降低。ABB 對使用熔斷器真空接觸器組合電氣設(shè)備與使用斷路器所需電纜的成本作了對比，如對電動機電流 45A 而言，開斷

26、 31.5kA 時，電纜成本可節(jié)約三分之二。同時真空接觸器加上熔斷器費用遠低于斷路器，而且接觸器的真空滅弧室結(jié)構(gòu)簡單，能頻繁操作（如機械壽命 100 萬次300 萬次）而且截流小，操作過電壓低。真空接觸器應(yīng)用范圍的擴大，給真空滅弧室提出了更多更高的要求1。1.2.3 真空接觸器用真空滅弧室由于真空介質(zhì)的優(yōu)越性，在 1.1410KV 等級的高壓接觸器幾乎被真空接觸器壟斷。作為控制電器，對真空滅弧室的要求是可以頻繁操作，有足夠的機械壽命和電壽命。由于在相當(dāng)多的情況下它控制的是感性負載，故要求有足夠低的截流電壓。圖 1-2 為一典型的真空滅弧室結(jié)構(gòu)4第一章緒論圖 1-2真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)1靜導(dǎo)電桿

27、；2靜端外罩；3觸頭；4屏蔽罩；5陶瓷外殼；6波紋管；7動端外罩；8動導(dǎo)電桿首先，在觸頭結(jié)構(gòu)和材料方面，真空接觸器用真空滅弧室與斷路器用真空滅弧室不同。由于分斷能力要求低，真空接觸器用真空滅弧室大多采用平板型觸頭，由于對絕緣和過電壓要求較嚴，真空接觸器多選用低熔點合金以及低截流材料，如：AgWC、CUWC 等。在波紋管的設(shè)計和選取方面，為保證其更長的機械壽命和電壽命，其工作行程設(shè)計要留有足夠的余量，使其機械壽命達 50 萬至 100 萬次以上。由于對分斷能力要求低，真空滅弧室容積小，使一次封排工藝更易實現(xiàn)，而且每次可以封排上百只真空滅弧室，大大降低了成本，提高生產(chǎn)效率2。真空滅弧室是真空接觸器

28、的心臟，因此它是真空接觸器不可缺少的部件之一。對真空滅弧室的設(shè)計和計算，首先是根據(jù)使用部門提出的具體要求，它們包括用途，使用場合以及有關(guān)技術(shù)參數(shù)（如額定電壓、額定電流、分斷能力、工作頻率和操作條件等）進行選型和論證分析，然后決定其基本結(jié)構(gòu)，并按選定的基本結(jié)構(gòu)對其組成的各個零部件逐個進行計算。在計算的過程中，往往需要結(jié)合一定的模型試驗加以驗證。如導(dǎo)電桿的發(fā)熱、觸頭材料的性能和真空滅弧室的分斷能力等。到目前為止，真空滅弧室的設(shè)計還不能完全依靠圖紙設(shè)計來完成，必需將設(shè)計好的真空滅弧室，試制成模型經(jīng)過試驗加以驗證考核，并反復(fù)進行改進才能達到預(yù)期的設(shè)計要求，然后投入批量生產(chǎn)。1.3 本論文的選題和研究內(nèi)

29、容真空滅弧室小型化的研究，一直以來都是國際、國內(nèi)的目標(biāo)。由于真空介質(zhì)的優(yōu)越性，小型化真空滅弧室的直徑縮小，原材料節(jié)約和工藝費用降低，使得真空滅弧室的生產(chǎn)成本大幅度下降，同時真空接觸器可以做得更緊湊。此外，隨著真空滅弧室外殼尺寸的縮小，外殼上的真空密封焊縫的長度縮短，真空滅弧室漏氣的可能性減小，真空滅弧室的可靠性提高。眾多的文獻資料對斷路器用真空滅弧室的小型化進行了大量的研究，對于真空接觸器用的真空滅弧室小型化的研究5電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文較少。特別對于觸頭材料，真空斷路器要求觸頭材料有高的開斷能力，并不要求特別低的截流水平。真空接觸器要求很低的截流電流，卻不要求大的開斷能力。本課題準備從 E

30、VS400、630 的真空接觸器用真空滅弧室出發(fā)，（該產(chǎn)品最初為成都國光電氣股份有限公司從德國引進的），結(jié)合本企業(yè)的特點，從觸頭的工作機理出發(fā)，選取真空接觸器常用的觸頭材料，如 CuMo、AgWC、CuWAlTe、WCu 等。根據(jù)其化學(xué)成分、物理性能不同，設(shè)計觸頭，裝配成真空滅弧室，比較各種觸頭材料的蒸發(fā)狀況，電流老煉情況，對真空滅弧室耐壓及開斷電流等。使 ZKTJ500/1.14真空滅弧室的外形尺寸從72.6×174，達到51×96.5，完成小型化的工作。目前本課題，先采用電流成型的方法，模擬真空接觸器實際工作情況，開斷電流后，分析觸頭的表面狀況、觸頭內(nèi)部變化情況（金相照

31、片）、真空滅弧室內(nèi)部被金屬蒸氣污染的狀況等，確定觸頭材料和結(jié)構(gòu)。開發(fā)出工藝簡單同時又具有國內(nèi)先進水平的新一代小型化真空接觸器用的真空滅弧室，使我國真空接觸器進入一個小型化、可靠性高的發(fā)展階段。6第二章真空滅弧室的工作機理和參數(shù)設(shè)計第二章真空滅弧室的工作機理和參數(shù)設(shè)計真空滅弧室是真空接觸器關(guān)鍵的部件，也是真空接觸器的心臟。它的性能基本上決定了真空接觸器的主要性能。2.1 真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)和工作機理為了完成真空滅弧室小型化的課題，必須對真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)和工作機理都有充分的了解，這樣才能了解真空滅弧室的各個零件對其參數(shù)性能的影響，使設(shè)計變得可行。2.1.1 真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)圖 1-2 所

32、示為真空滅弧室的結(jié)構(gòu)。主要由外殼、觸頭、波紋管、動、靜導(dǎo)電桿和其它零件組成2。真空滅弧室由外殼、動、靜端外罩、動、靜導(dǎo)電桿、陶瓷外殼、屏蔽罩和波紋管組成。為了使真空滅弧室長期維持高真空，其吸附的氣體及蒸氣在密封之前必須盡量地放出，因此真空滅弧室封接前，應(yīng)對各個零件進行處理，進行長時間高溫加熱除氣，使金屬中的氫、一氧化碳、二氧化碳、氧、氮等氣體在高溫下放出。真空滅弧室外殼除了要求密封外，還要求一定的機械強度，以使其承受大氣壓力和運輸及運行過程中的機械振動。真空滅弧室的分斷能力、電壽命、耐壓強度、關(guān)合能力、載流過電流及長期導(dǎo)通電流能力等與觸頭結(jié)構(gòu)和材料有密切的關(guān)系。因此觸頭是組成真空滅弧室的關(guān)鍵元

33、件之一。從觸頭的結(jié)構(gòu)來看，到目前為止真空接觸器均采用平板對接的型式，這主要是由于其它型式的觸頭都不能滿足真空滅弧室的工作條件。用于真空滅弧室的波紋管，由非導(dǎo)磁不銹鋼制成，這主要是由于它具有操作壽命長，在制造過程中不受熱處理的影響而失去彈性，不易氧化和耐腐蝕性強等優(yōu)點。真空滅弧室的導(dǎo)電系統(tǒng)由動導(dǎo)電桿和靜導(dǎo)電桿組成，一端分別與動、靜觸頭連接，另一端伸出真空滅弧室，見圖 1-1。動導(dǎo)電桿伸出真空滅弧室的部分一方面與操作機構(gòu)相連，一方面與外電路連接。靜導(dǎo)電桿伸出真空滅弧室的部分主要和7電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文外電路連接。2.1.2 真空滅弧室的工作機理圖 2-1 為真空滅弧室接入負載的電路。當(dāng)操作機構(gòu)

34、使動導(dǎo)電桿向上運動時，動觸頭和靜觸頭就會閉合，電源與負載接通，電流就流過負載。如果這時動導(dǎo)電桿作相反方向向下運動時，動觸頭和靜觸頭就會分離，在剛分離的瞬間，觸頭之間將立刻產(chǎn)生真空電弧，真空電弧是依靠觸頭上蒸發(fā)出來的金屬蒸氣來維持的，直到工頻電流接近零時，真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧就被熄滅，觸頭間隙由導(dǎo)電體變?yōu)榻^緣體，于是電流被切斷。圖 2-1 真空開關(guān)接入負載的電路1電源；2真空開關(guān)；3負載作為真空滅弧室的關(guān)鍵元件觸頭，其工作的基本原理為電弧理論。一對帶電的觸頭（電流大于一定數(shù)值時）在高真空中分離時，它和在空氣中或其它介質(zhì)中的情況一樣會產(chǎn)生電弧，但表現(xiàn)的形式和特性有很大的差別。真空

35、電弧產(chǎn)生的過程：在觸頭剛分離的瞬間，電流將收縮到觸頭剛分離的某一點或數(shù)點上，表現(xiàn)出電阻的急劇增大和溫度迅速提高，直至發(fā)生金屬的蒸發(fā)，同時形成極高的電場強度，這樣就會導(dǎo)致強烈的場致發(fā)射和間隙的擊穿，繼之形成了真空電弧，真空電弧一旦形成后，同時出現(xiàn)高電流密度的陰極斑點，它一般在10 4 A/ cm 2 以上，使陰極表面局部區(qū)域的金屬不斷熔化和蒸發(fā)，以維持真空電弧。實質(zhì)上，真空電弧是一種在金屬蒸汽中靠電離的金屬蒸汽維持的電弧3。2.1.3 真空電弧對真空滅弧室的影響不管觸頭表面如何平整，微觀上看總是凹凸不平的。兩觸頭接觸電阻只有少數(shù)表面突起部分接觸，通過電流。接觸點的多少和接觸面積的大小與接觸壓力有

36、關(guān)。當(dāng)觸頭在真空中開斷電流時，隨著觸頭分開，接觸壓力減小，接觸點的數(shù)量8第二章真空滅弧室的工作機理和參數(shù)設(shè)計和接觸面積也隨之減少。電流集中在越來越少的少數(shù)接觸點上，損耗增加，接觸點溫度急劇升高，出現(xiàn)熔化。隨著觸頭繼續(xù)分開，熔化的金屬橋被拉長變細并最終斷裂產(chǎn)生金屬蒸氣。金屬蒸氣的溫度很高，部分原子可能產(chǎn)生熱電離，加上觸頭剛分離時，間隙距離很短，電場強度很高，陰極表面在高溫、強電場的作用下又會發(fā)射出大量電子，并很快形成溫度很高的陰極斑點。而陰極斑點又會蒸發(fā)出新的金屬蒸氣和發(fā)射電子，這樣觸頭間的放電將轉(zhuǎn)變?yōu)樽猿值恼婵针娀?。由此可見，維持真空電弧的是金屬蒸氣而不是氣體分子，真空電弧后實為金屬蒸氣電弧。

37、真空電弧有兩種顯著不同的形態(tài)，擴散型真空電弧和集聚型真空電弧。2.1.3.1 擴散型真空電弧真空電弧電流不大時，對于銅陰極來說大約不超過 7-8×10 3 A ，陰極斑點將在陰極表面不停地運動，通常是由陰極中心向邊緣運動。當(dāng)電弧電流增大或減小時，陰極斑點也隨著增加或減少。這種有許多陰極斑點存在的真空電弧，跟隨著陰極斑點不斷向四周擴散，叫作擴散型真空電弧。圖 2-2 顯示為，電子和正離子依靠自身的動能，除了朝向陽極運動，同時還會向徑向密度低的地區(qū)擴散，因此呈現(xiàn)出一個圓錐狀的微弱發(fā)光區(qū)域。擴散型真空電弧的陰極斑點的運動具有一定的速度。當(dāng)陰極表面只有一個陰極斑點時，它的速度只有 0.1-0

38、.5m/s。當(dāng)存在許多陰極斑點時，它們相互排斥，運動速度大大提高。當(dāng)電流為數(shù)千安時，其速度可達 10m/s，甚至更高。圖 2-2 單陰極斑點的圓錐形真空電弧圖 2-3 擴散型真空電弧外形示意圖（電流 1000A）陰極斑點的這種高速運動，對于真空滅弧室是極為重要和有利的，因為陰極斑點處的電極表面（即觸頭表面）具有極高的溫度，不僅可以使這部分金屬電極表面局部熔化，而且溫度很可能接近金屬的沸點。但是由于陰極斑點的高速運動，所以對陰極斑點經(jīng)過的電極表面的任何一點來說，都只被加熱極短一段時間，只9電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文有觸頭表面極薄的一層金屬熔化，只要陰極斑點一離開，在微秒數(shù)量級內(nèi)，熔化的金屬表面層就

39、會凝固，觸頭表面也就不可能出現(xiàn)大面積的熔化區(qū)域。它對防止真空滅弧室電流過零電弧熄滅后重新形成是有利的。2.1.3.2 集聚型真空電弧對于自由燃燒的真空電弧，當(dāng)電流超過一定數(shù)值時，對銅陰極來說若電流超過10 4 A 左右時，電弧外形將突然發(fā)生變化，陰極斑點不再向四周作擴散運動，它們相互吸引，結(jié)果所有的陰極斑點集聚成一個斑點團，陰極斑點團的直徑可達1-2cm。這時陽極上出現(xiàn)陽極斑點，陰極表面和陽極表面均會出現(xiàn)強烈的光柱，陰極光柱和陽極光柱會自由地向電極的四周擴散，成為數(shù)條連續(xù)的閃光，有時也偶爾與電極平行。真空電弧一旦形成集聚，陰極斑點和陽極斑點便不再移動或以很慢的速度運動，這時陽極和陰極表面被局部

40、強烈加熱，導(dǎo)致嚴重熔化，使觸頭燒損，這種真空電弧叫集聚型真空電弧。見圖 2-3 集聚型真空電弧的弧區(qū)有很高的蒸氣壓，一般略大于一個大氣壓。不過在遠離弧區(qū)的地方蒸氣壓力仍很低。2.2 真空滅弧室設(shè)計參數(shù)分析設(shè)計一個比較理想的真空滅弧室，首先必須了解有關(guān)設(shè)計參數(shù)對真空滅弧室工作特性的影響及各參數(shù)之間的關(guān)系，然后才能給出滿足設(shè)計要求的參數(shù)選擇與相關(guān)的結(jié)構(gòu)。2.2.1 截流水平的確定真空接觸器的截流現(xiàn)象嚴重影響了其分斷性能和應(yīng)用范圍，因此在設(shè)計真空滅弧室時應(yīng)盡量降低其截流水平。2.2.1.1 截流的定義和有關(guān)因素真空介質(zhì)極好的熄弧特性，使小電流真空電弧過零前就會熄滅。圖 2-4 所示為常見的電流過零前

41、的波形。圖中的 Ie 一般稱為截流水平，取自電流不穩(wěn)定振蕩起始時與正弦曲線上的相交電流值。人們已知，引起截流的原因是陰極（觸頭）斑點供應(yīng)金屬蒸氣不足。這里包括兩個方面的含意：作為真空滅弧室本身，觸頭材料的熱物理性能和等離子體的擴散條件等決定了它的截流水平；另一方面作為電路的條件，如電源的負載性質(zhì)等也都影響著截流水平。10第二章真空滅弧室的工作機理和參數(shù)設(shè)計圖 2-4 真空電弧的截流現(xiàn)象此外，決定截流水平的還有截流的概率特性，包括了這三個方面才有一個完整的截流的定義。作為真空滅弧室的設(shè)計主要考慮第一方面而測試截流值時則應(yīng)全面考慮。完整的截流定義也就隱含了截流的有關(guān)因素。首先是真空滅弧室的結(jié)構(gòu)對截

42、流的影響。這可以歸納成為兩方面的工作：觸頭材料的影響與觸頭結(jié)構(gòu)的影響。表 2-1 金屬材料的截流值表 2-1 為金屬材料的截流值，但當(dāng)合金材料作為觸頭材料時，情況比較復(fù)雜。應(yīng)用多孔的難熔金屬（鎢、鉬等）中浸漬易熔金屬（如銅及其合金）組成的合金材料的情況又有不同。這樣鎢銅合金材料（W80%-Cu20%）的截流值只有 5A6A，比起兩種金屬自身的截流值要小。又如銅鉻合金材料（Cu50%-Cr50%）的截流值只有 4A5A，也比銅、鉻材料自身的截流值小。觸頭材料的熱物理性能對截流的影響最大。觸頭材料的蒸氣壓越高，截流水平就越低。這是因為蒸氣壓高就容易在較小的電流下供給維持電弧所必需的金屬蒸氣。一般而

43、言，觸頭材料的導(dǎo)熱系數(shù)或熱導(dǎo)電率較小時其截流水平就較低。這是因為材料的熱導(dǎo)電率高，陰極（觸頭）表面的熱量散發(fā)得就快，陰極（觸頭）斑點附近的溫度就較低，減少了維持陰極（觸頭）斑點的穩(wěn)定性2。從降低截流水平的要求來看，觸頭材料應(yīng)選擇蒸氣壓高和導(dǎo)熱系數(shù)小的金屬材料。因為蒸氣壓高，絕緣性能差，熱導(dǎo)率低，開斷能力也受影響。采用含有高蒸氣壓材料的合金及金屬化合物，可以降低截流而對分斷與絕緣的影響不是很大。法拉爾的工作表明4：含兩種金屬成分的合金，其截流值為兩種金屬的截流水平的加權(quán)平均值。截流值與高蒸氣壓金屬含量的關(guān)系如圖 2-5 所示5。11材料MoWAgCuAlBi截流值(A)5.76.712217.0

44、7.51618121311.2電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 2-5截流值與合金含量的關(guān)系2.2.1.2 電路參數(shù)的影響及截流的測試條件電路參數(shù)對真空接觸器截流的影響也很重要。電源參數(shù)對截流水平的影響在一定條件下也會變得較為突出。電弧穩(wěn)定燃燒的能量來至電源。若電源不能提供足夠的電壓與峰值電流，引起電弧熄滅。這種截流可能發(fā)生在正弦半波的峰值之前，不能真實反映真空滅弧室的截流水平。因此，若要正確反映真空滅弧室本身的截流水平必須有一個合理的測試條件與方法。截流值測試的顯著特點是隨機性較大，同樣交流試驗每次的分閘相位也是隨機的。這就使相同條件下，開關(guān)每次操作時的截流值都有可能不同。這種概率特性可用兩個參數(shù)

45、表征：平均截流水平與最大截流值。前者表征了真空滅弧室的總體截流水平，可用多次試驗的算術(shù)平均值表示。最大截流值表明了最大危害程度，是用戶最關(guān)心的參數(shù)。2.2.1.3 截流過電壓的防護與抑制方法對于設(shè)計者來說，一方面要設(shè)計截流值盡可能小的產(chǎn)品，另一方面也要把截流過電壓的防護與抑制方法告訴用戶，這樣可以把開關(guān)的可靠性指標(biāo)提到一個新的高度。有效和常用的保護措施為阻容保護與氧化鋅避雷器保護。2.2.2 真空滅弧室的絕緣分析隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)運行可靠性的要求也在不斷提高。從而對真空接觸器的絕緣性能的要求亦相應(yīng)提高。對于真空接觸器的設(shè)計者來說，分析影響絕緣水平的各主導(dǎo)因素，是設(shè)計其絕緣性能的前提。對于

46、真空滅弧室如何實測電場分布以求改進，如何用工藝處理進一步提高絕緣性能都是設(shè)計者應(yīng)了解掌握的。關(guān)于真空滅弧室靜態(tài)絕緣的主導(dǎo)因素，動態(tài)絕緣的介質(zhì)恢復(fù)過程，及進一步提高絕緣水平的高壓老煉、電流老煉技術(shù)等，都必須了解。12第二章真空滅弧室的工作機理和參數(shù)設(shè)計2.2.2.1 靜態(tài)絕緣的主導(dǎo)因素分析真空間隙的電擊穿性質(zhì)和其它介質(zhì)中的電擊穿完全不同。真空滅弧室內(nèi)的空氣分子密度極低，使它們的平均自由行程大于間隙距離。因此真空間隙的擊穿需要在很高的電壓下形成場致發(fā)射等其它因素才能完成，不能單靠氣體分子的碰撞。從理論上推測，場致發(fā)射的電場強度要達到 10 7 V/cm 以上時才能形成擊穿。實際上真空間隙的絕緣強度受到其它不利因素的影響，在低于這個水平的幾個數(shù)量級時就有可能擊穿。除了場致發(fā)射外，還有微粒撞擊學(xué)說和粒子交換學(xué)說。這兩種擊穿起因在正確選擇觸頭材料和解決工藝處理問題后，一般認為是可以避免發(fā)生的。真空滅弧室的靜態(tài)絕緣水平實際包括兩個獨立的方面：內(nèi)部絕緣水平和外部絕緣水平。內(nèi)部絕緣的主導(dǎo)因素主要有觸頭與屏蔽罩的材料和形狀、觸頭開距、有效擊穿面積、老煉工藝等。如何選擇這些參數(shù)與形式，對真空滅弧室的設(shè)計至關(guān)重要的。觸頭與屏蔽罩的形狀