真空滅弧室結(jié)構(gòu)及原理

1、 真空滅弧室結(jié)構(gòu)及原理 電弧 真空和真空度 真空電弧 交流真空電弧 真空擊穿 滅弧原理 真空滅弧室的壽命 1、電弧     電弧或弧光放電是氣體放電的一種形式。氣體放電在性質(zhì)上和外觀上是各種各樣的。在正常狀態(tài)下，氣體有良好的電氣絕緣性能。但當(dāng)在氣體間隙的兩端加上足夠大的電場(chǎng)時(shí)，就可以引起電流通過氣體。這種現(xiàn)象稱為放電。放電現(xiàn)象與氣體的種類和壓力、電極的材料和幾何形狀、兩極間的距離以及加在間隙兩端的電壓等因素有關(guān)。例如在正常狀態(tài)下，給氣體間隙兩端的電極加壓到一定程度時(shí)，普通空氣中電子在電場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，與氣體分子碰撞后產(chǎn)生較多的電子和離子，新生的電子和離子又同中性

2、原子碰撞，產(chǎn)生更多的電子和離子，這時(shí)，氣體開始發(fā)光，兩電極變?yōu)闊霟?，電流迅速增大。這種性質(zhì)上的轉(zhuǎn)變稱為氣體間隙的擊穿，其所需的電壓稱為擊穿電壓。這時(shí)，由于電場(chǎng)的支持，放電并不停止，故稱為自持放電。電弧則是氣體自持放電的一種形式。電弧具有電流密度大和陰極電位降低的特點(diǎn)。 2、真空和真空度    低于1個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)，都稱為真空。描述真空程度的量叫真空度，用該氣體的壓力大小來表示。l大氣壓= 760×133.332Pa1.013×105Pa（帕斯卡）或0.1013MPa    真空技術(shù)中將廣闊的真空度范圍

3、劃分為粗、低、高、超高、極高等區(qū)域。其中高真空區(qū)域的氣體壓力為 10-110-6Pa，這一區(qū)域的后半段，即 1.33 ×10-31.33 ×10-6就是真空滅弧室通常采用的真空度范圍。    在高真空區(qū)域中，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)目大大減少了，氣體分子之間碰撞的幾率大大減少，氣體分子之間的平均距離大大增加。    真空度的高低對(duì)滅孤能力有影響。實(shí)驗(yàn)表明：滅孤室真空度在10-3Pa數(shù)量級(jí)時(shí)就能夠可靠地滅弧。真空滅弧定制造廠在產(chǎn)品出廠時(shí)，提高了滅孤室的真空度，達(dá)到 10-5 10-6 Pa，待經(jīng)過20年的使用或貯存期，

4、或多或少產(chǎn)生外部滲氣等現(xiàn)象使其真空度下降到10-3Pa范圍，仍能保證它的滅孤能力。3、真空電弧    在真空環(huán)境中，氣體非常稀薄，殘存氣體的電離可忽略不記。一對(duì)帶電觸頭在這種高真空環(huán)境中的分離，便會(huì)產(chǎn)生真空電弧。真空電弧是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)觸頭行將分離前，觸頭上原先施加的接觸壓力開始減弱，動(dòng)靜觸頭間的接觸電阻開始增大，由于負(fù)荷電流的作用，發(fā)熱量增加。在觸頭剛要分離瞬間，動(dòng)靜觸頭之間僅靠幾個(gè)尖峰聯(lián)系著，此時(shí)負(fù)荷電流將密集收縮到這幾個(gè)尖峰橋上，接觸電阻急劇增大，同時(shí)電流密度又劇增，導(dǎo)致發(fā)熱溫度迅速提高，致令觸頭表面金屬產(chǎn)生蒸發(fā)，同時(shí)微小的觸頭距離下也會(huì)形成極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，

5、造成強(qiáng)烈的場(chǎng)致發(fā)射，間隙擊穿，繼而形成真空電弧。真空電弧一旦形成，就會(huì)出現(xiàn)電流密度在104A/cm2 以上的陰極斑點(diǎn)，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。在電弧熄滅后，電極之間與電極周圍的金屬蒸氣密度不斷下降直到零，仍然恢復(fù)高真空狀態(tài)。3.1真空中電弧的形式：    真空中的電弧有兩種形式，擴(kuò)散形電弧和收縮形電弧。3.1.1擴(kuò)散型真空電?。寒?dāng)真空電弧電流不大時(shí)，陰極斑點(diǎn)將不停地運(yùn)動(dòng)，通常是由電極中心向邊緣運(yùn)動(dòng)。當(dāng)陰極斑點(diǎn)到達(dá)邊緣，等離子錐便彎曲，接著陰極斑點(diǎn)就突然熄滅，在電極中心又會(huì)繼續(xù)不斷地產(chǎn)生新的陰極斑點(diǎn)。如果電流保持不變，陰極表面存在的陰

6、極斑點(diǎn)數(shù)基本上維持不變。當(dāng)電弧電流增大或減小時(shí)，陰極斑點(diǎn)也隨之增加或減少。這種存在許多陰極斑點(diǎn)的真空電弧，隨著陰極斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不斷地向四周擴(kuò)散，所以叫擴(kuò)散型真空電弧。 3.1.2收縮型真空電弧若用銅作電極，當(dāng)電弧電流增加超過10000A時(shí)，電弧的外形將突然發(fā)生變化，陰極斑點(diǎn)不再向四周作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，而是相互吸引，結(jié)果所有的陰極斑點(diǎn)都聚集成一個(gè)斑點(diǎn)團(tuán)，陰極斑點(diǎn)團(tuán)的直徑可達(dá)12CM。此時(shí)陽極上出現(xiàn)了陽極斑點(diǎn)，陰極表面和陽極表面均有強(qiáng)烈的光柱，陰極光柱與陽極光柱自由地向電極的四周擴(kuò)散成為數(shù)條連續(xù)的閃光，有時(shí)偶爾也與電極平行。真空電弧一旦聚集，陰極斑點(diǎn)與陽極斑點(diǎn)便不在移動(dòng)或以很緩慢的速度運(yùn)動(dòng)，陽極和陰極表面

7、被局部強(qiáng)烈加熱，導(dǎo)致嚴(yán)重熔化，這種真空電弧叫做收縮型真空電弧。任何一種真空電弧對(duì)真空滅弧室的滅弧及其電氣壽命均有重大不良影響。 4、 交流真空電弧上面介紹的擴(kuò)散型電弧、收縮型電弧等，都是在直流情況下討論的。但在交流電路中,上述的概念仍然適用。交流電流方向雖在交變，但每一個(gè)瞬時(shí)，或在很小一段時(shí)間內(nèi)，電流仍是單向的，仍是直流，只不過其瞬時(shí)值不斷在改變罷了。當(dāng)運(yùn)用于交流時(shí)，請(qǐng)記住下列動(dòng)態(tài)變化：5、 真空擊穿真空擊穿是一個(gè)綜合的復(fù)雜的物理過程，主要因素有：真空度，電極材料，電極距離，壓力的影響，老練作用，開斷電流的大小，操作條件的影響等。真空間隙的電擊穿有兩方面因素：一是場(chǎng)發(fā)射，一是微粒撞擊。對(duì)于小間

8、隙場(chǎng)致發(fā)射作用較大，大間隙中微粒撞擊可能性較多。1).場(chǎng)致發(fā)射-經(jīng)過機(jī)械磨光和洗凈的電極兩面，微觀上仍然存在凹凸不平，存在許多微米級(jí)的尖峰突出物，尖峰處的局部電場(chǎng)可能增加上百倍，會(huì)發(fā)射電子流。如果電極表面有雜質(zhì)或氧化物存在，電極表面的逸出功會(huì)降低，場(chǎng)致發(fā)射更易產(chǎn)生。尖峰發(fā)射的電子流雖不大，但因其面積小，電流密度卻很大，會(huì)使局部發(fā)熱，不僅電子發(fā)射增強(qiáng)，還可能產(chǎn)生蒸發(fā)、熔化，釋放出金屬蒸氣，金屬原子又與發(fā)射電子碰撞造成游離，出現(xiàn)擊穿。2). 微粒撞擊-電極表面總是存在一些金屬微粒，微粒在電場(chǎng)作用下攜帶電荷離開電極，加速撞擊對(duì)方電極，由動(dòng)能轉(zhuǎn)為熱能，引起局部加熱、汽化，釋放大量金屬蒸氣，形成金屬云，

9、導(dǎo)致間隙擊穿。6、滅弧原理：真空電弧是依靠電極不斷地產(chǎn)生金屬蒸汽來維持的，因此，要熄滅真空電弧的唯一方只有將電弧電流減小到一定程度，不足以維持電弧的時(shí)候才有可能將其熄滅。在交流情況下，真空電弧電流有一個(gè)過零的時(shí)刻，這就給出了熄弧的條件；在直流情況下，必須設(shè)置一個(gè)電力轉(zhuǎn)向裝置，使直流真空電弧有一個(gè)過零的機(jī)會(huì)，以創(chuàng)造一個(gè)同樣的熄弧條件。6.1滅弧方法和電極觸頭的選擇真空滅弧室切斷交流真空電弧成功與否，與觸頭之間弧區(qū)過零前的金屬蒸汽濃度密切有關(guān)，金屬蒸汽來自電極觸頭的熱斑點(diǎn)，熱斑點(diǎn)和金屬蒸汽都隨著電弧電流瞬時(shí)值的增減而變化。電弧電流過零點(diǎn)前一小段時(shí)間里，觸頭間金屬蒸汽降低的速度取決于斑點(diǎn)的冷卻時(shí)間常

10、數(shù)。對(duì)于擴(kuò)散型電弧，它只有陰極斑點(diǎn)而無陽極斑點(diǎn)，各支弧均布于觸頭表面上且處于移動(dòng)狀態(tài)，所以熱斑點(diǎn)熔區(qū)的面積小，深度淺，熱慣性小，其冷卻時(shí)間常數(shù)僅有數(shù)微秒，有足夠的時(shí)間讓陰極斑點(diǎn)冷卻，使金屬蒸汽濃度足夠的低，同時(shí)金屬蒸汽因溫差、濃度差和壓力差的作用迅速向孤區(qū)外擴(kuò)散，電弧不能維持而熄滅。對(duì)于收縮型電弧，則這些熄弧條件比擴(kuò)散型電弧差劣許多。在開斷10KA及以上的短路電流時(shí)，先后開發(fā)了橫向磁場(chǎng)觸頭和縱向磁場(chǎng)觸頭。6.1.1橫向磁場(chǎng)滅弧原理橫向磁場(chǎng)觸頭的工作原理是利用觸頭本身在開斷電流時(shí)產(chǎn)生的橫向磁場(chǎng)驅(qū)使真空電弧不斷在觸頭表面運(yùn)動(dòng)，以防止觸頭表面嚴(yán)重熔化。螺旋槽觸頭在分?jǐn)嗪艽箅娏鲿r(shí)，具有相當(dāng)高的介質(zhì)恢復(fù)

11、速度。采用螺旋槽型觸頭就有橫向磁場(chǎng)滅弧的特性。6.1.2縱向磁場(chǎng)熄弧原理采用縱向磁場(chǎng)提高真空開關(guān)的分?jǐn)嗄芰εc采用橫向磁場(chǎng)的情況截然不同，縱向磁場(chǎng)的加入可以提高由擴(kuò)散性電弧轉(zhuǎn)變到收縮型電弧的轉(zhuǎn)換電流值。實(shí)驗(yàn)表明，在足夠的縱向磁場(chǎng)下，大電流真空電弧仍具有擴(kuò)散性真空電弧的基本特征，電弧斑點(diǎn)在電極觸頭表面均勻分布，觸頭表面不會(huì)產(chǎn)生局部嚴(yán)重熔化，并具有電弧電壓低，電弧能量小的優(yōu)良特征，這對(duì)于弧后強(qiáng)度恢復(fù)，提高分?jǐn)嗄芰κ鞘钟幸娴?。目前，大容量的真空滅弧室多采用縱磁場(chǎng)觸頭，這是因?yàn)榭v磁場(chǎng)觸頭具有電磨損小，使用壽命長(zhǎng)和分?jǐn)嗄芰Υ蟮葍?yōu)點(diǎn)。帶斜槽的杯狀觸頭兼有橫向磁場(chǎng)和和縱向磁場(chǎng)的特性，可以較好地滅弧。同時(shí)為了

12、保證杯狀觸頭具有抗熔焊能力，在觸頭端部焊有一定抗熔焊能力的銅鉻合金材料，也可裝置不熔融或截流水平低的電極觸頭。以達(dá)到更好的滅弧效果。7、真空滅弧室的壽命真空滅弧室是一種電真空器件，其壽命包括四個(gè)方面，如有一項(xiàng)達(dá)到壽命終結(jié)，則該滅弧室即報(bào)廢而需更換。1)觸頭導(dǎo)電系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度壽命。2)波紋管疲勞壽命：波紋管的作用是維持內(nèi)腔的真空度，在多次操作過程中材料疲勞破裂導(dǎo)致漏氣是波紋管失效的主要原因。3)內(nèi)腔的真空度壽命：真空度壽命是指滅弧室自制成之日起，經(jīng)運(yùn)輸、存放、安裝、使用等時(shí)間，其內(nèi)腔真空度逐漸低到最低允許真空度的時(shí)間間隔。4)電壽命：衡量觸頭材料的耐腐蝕能力，即額定短路電流開斷次數(shù)之能力，就稱為電

13、壽命，以開斷次數(shù)表示。8、真空滅弧室過電壓保護(hù)真空間隙具有較高的介質(zhì)恢復(fù)速度，有良好的媳弧能力等特點(diǎn)同時(shí)也可能帶來對(duì)電力系統(tǒng)絕緣造成危害的各種過電壓。為抑制過電壓的產(chǎn)生，避免造成危害，我們可以一方面從真空滅弧室使用材料選擇和技術(shù)設(shè)計(jì)著手，另一方面通過加裝限壓保護(hù)裝置來達(dá)到目的。具體辦法有：1)研究和制造低截流水平的觸頭材料。2)研制低重燃率的真空開關(guān)管，如提高內(nèi)腔潔凈度，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電壓老練和電流老練。3)斷路器合閘盡量做到無彈跳。如有彈跳，時(shí)間不應(yīng)長(zhǎng)于2ms。4)在感性負(fù)載端上并聯(lián)電容器，這樣可以降低波阻抗從而降低截流過電壓，不僅降低過電壓峰值，還能減緩過電壓的前沿陡度。5)負(fù)載端上并聯(lián)RC吸

14、收回路，其中C的作用如上述的并聯(lián)電容，R則用于高頻振蕩中的能量消耗。安裝無間隙氧化鋅避雷器，用以限制過電壓的幅值。真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu)和工作原理真空滅弧室，又名真空開關(guān)管，是中高壓電力開關(guān)的核心部件，其主要作用是，通過管內(nèi)真空優(yōu)良的絕緣性使中高壓電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流，避免事故和意外的發(fā)生，主要應(yīng)用于電力的輸配電控制系統(tǒng)，還應(yīng)用于冶金、礦山、石油、化工、鐵路、廣播、通訊、工業(yè)高頻加熱等配電系統(tǒng)。具有節(jié)能、節(jié)材、防火、防爆、體積小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行可靠和無污染等特點(diǎn)。真空滅弧室從用途上又分為斷路器用滅弧室和負(fù)荷開關(guān)用滅弧室，斷路器滅弧室主要用于電力部門中的變電站和電網(wǎng)設(shè)施，負(fù)

15、荷開關(guān)用滅弧室主要用于電網(wǎng)的終端用戶。    我公司生產(chǎn)的多種型號(hào)的真空滅弧室，按其用途、參數(shù)、開斷容量可分為斷路器用真空滅弧室、負(fù)荷開關(guān)用真空滅弧室、接觸器用真空滅弧室、重合器用真空滅弧室和分段器用真空滅弧室等。    其結(jié)構(gòu)形式均由氣密絕緣外殼、導(dǎo)電回路、屏蔽系統(tǒng)、波紋管等部分組成。 1.排氣管保護(hù)罩2.排氣管密封刀口3.環(huán)氧樹脂填料4.定端蓋版5.定導(dǎo)電桿6.屏蔽筒7.玻殼（或陶瓷殼）8.定觸頭座9.定觸頭10.動(dòng)觸頭11.動(dòng)觸頭座12.動(dòng)導(dǎo)電桿13.波紋管14.均壓罩15.動(dòng)端蓋版16.導(dǎo)向套1、氣密絕緣系統(tǒng)由玻璃或陶瓷制成的

16、氣密絕緣外殼、動(dòng)端蓋板、定端蓋板，不銹鋼波紋管組成了氣密絕緣系統(tǒng)。為了保證玻璃、陶瓷與金屬之間有良好的氣密性，除了封接時(shí)要有嚴(yán)格的操作工藝外，還要求材料本身的透氣性盡量小和內(nèi)部放氣量限制到極小值。不銹鋼波紋管的作用不僅能將真空滅弧室內(nèi)部的真空狀態(tài)與外部的大氣狀態(tài)隔離開來，而且能使動(dòng)觸頭連同動(dòng)導(dǎo)電桿在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，以完成真空開關(guān)的閉合與分?jǐn)嗖僮鳌? 、導(dǎo)電系統(tǒng)定導(dǎo)電桿、定跑弧面、定觸頭、動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面、動(dòng)導(dǎo)電桿構(gòu)成了滅弧室的導(dǎo)電系統(tǒng)。其中定導(dǎo)電桿、定跑弧面、定觸頭合稱定電極，動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面、動(dòng)導(dǎo)電桿合稱動(dòng)電極，由真空滅弧室組裝成的真空斷路器，真空負(fù)荷開關(guān)和真空接觸器合閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過動(dòng)

17、導(dǎo)電桿的運(yùn)動(dòng)，使兩觸頭閉合，完成了電路的接通。為了使兩觸頭間的接觸電阻盡可能減小且保持穩(wěn)定和滅弧室承受動(dòng)穩(wěn)定電流時(shí)有良好的機(jī)械強(qiáng)度，真空開關(guān)在動(dòng)導(dǎo)電桿一端設(shè)置有導(dǎo)向套，并使用一組壓縮彈簧，使兩觸頭間保持有一個(gè)額定壓力。當(dāng)真空開關(guān)分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)，滅弧室兩觸頭分離并在其間產(chǎn)生電弧，直至電流自然過零時(shí)電弧熄滅，便完成了電路的開斷。3、屏蔽系統(tǒng)真空滅弧室的屏蔽系統(tǒng)主要由屏蔽筒，屏蔽罩和其他零件組成。屏蔽系統(tǒng)的主要作用是：（1）防止觸頭在燃弧過程中產(chǎn)生大量的金屬蒸汽和液滴噴濺，污染絕緣外殼的內(nèi)壁，避免造成真空滅弧室外殼的絕緣強(qiáng)度下降或產(chǎn)生閃絡(luò)。（2）改善真空滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布，有利于真空滅弧室絕緣外殼的小

18、型化，尤其是對(duì)于高電壓的真空滅弧室小型化有顯著效果。（3）吸收一部分電弧能量，冷凝電弧生成物。特別是真空滅弧室在開斷短路電流時(shí)，電弧所產(chǎn)生的熱能大部分被屏蔽系統(tǒng)所吸收，有利于提高觸頭間的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。屏蔽系統(tǒng)吸收電弧生成物的量越大，說明他吸收的能量也越大，這對(duì)增加真空滅弧室的開斷容量起良好作用。4、觸頭觸頭是產(chǎn)生電弧、熄滅電弧的部位，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的要求都比較高。4.1 對(duì)觸頭材料有以下要求：（1）高開斷能力。要求材料本身的導(dǎo)電率大，熱傳導(dǎo)系數(shù)小，熱容量大，熱電子發(fā)射能力低。（2）高擊穿電壓。擊穿電壓高，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度就高，對(duì)滅弧有利。（3）高的抗電腐蝕性。即經(jīng)得起電弧的燒蝕，金屬蒸發(fā)量少。（4）抗熔焊能力。（5）低截流電流值，希望在2.5A以下。（6）低含氣量。目前斷路器用真空滅弧室的觸頭材料大都采用銅鉻合金，銅與鉻各占 50%。在上、下觸頭的對(duì)接面上各焊上一塊銅鉻合金片，一般厚度各為3mm。其余部分稱為觸頭座，用無氧銅制造即可。4.2 觸頭結(jié)構(gòu)觸頭結(jié)構(gòu)對(duì)滅孤室的開斷能力有很大影響。采用不同結(jié)構(gòu)觸頭產(chǎn)生的滅弧效果有所不同的，早期采用簡(jiǎn)