小型化真空灭弧室设计制造的要点

　　摘要：文章介绍了小型化真空灭弧室具有体积小、电性能及机械特性要求高和成本低的特点，文章围绕这些特点详细论述了小型化真空灭弧室设计及制造中需要考虑的要点，对小型化真空灭弧室的研发具有一定的借鉴作用。

　　0引言

　　随着真空开关技术的发展，开关的设计制造水平日益提高，尤其是开关的机械特性参数的越来越科学和稳定，使得灭弧室设计不必给过多的裕度就可以满足开关的性能要求，灭弧室在结构上也可以向小型化方向发展。同时，由于固封极柱的出现，开关的体积在减小，那么灭弧室的小型化更是当务之急。另外随着西门子，伊顿等合资企业的出现，使得灭弧室的市场竞争愈演愈烈，那么价格的竞争也是非常关键的，而材料成本通常占灭弧室总成本的50%～60%，小型化的产品可以大大降低灭弧室的材料成本，使其具有良好的市场竞争资格，因此小型化真空灭弧室是灭弧室发展的一种必然趋势。

　1 小型化真空灭弧室的特点

　　通常小型化的灭弧室用于固封断路器中，所以与同等参数的普通灭弧室比较而言，小型化真空灭弧室具有以下特点。

　　(1)体积小。

　　(2)电性能及机械特性要求高

　　1) 电极小，开断电流大。

　　2) 绝缘间隙小，绝缘水平高。

　　3) 回路电阻低。

　　4) 机械寿命长。

　　(3)成本低

　　从以上特点可以看出，小型化真空灭弧室的设计和制造要充分考虑开断过程中电极对电弧的控制能力，电极的导流导热能力，电极结构的设计，触头材料的选用，绝缘系统的设计，波纹管的设计以及零件和整管的制造工艺问题。同时，小型化真空灭弧室配用的断路器体积相对较小，那么相间距离有限，相间的电动力对电弧的影响较大，因此在设计灭弧室时还要充分考虑屏蔽外磁场。另外小型化的灭弧室考虑其设计和制造成本，以保证其具有良好的市场竞争能力，为公司创造较高得经济效益。

　　2 小型化真空灭弧室电极设计要点

　　2.1 电极结构的选用

　　目前使用过的电极结构总体上有杯状横向磁场电极，平板横向磁场、杯状纵向磁场、线圈纵向磁场，带马蹄铁的纵向磁场电极以及平板电极。这些电极结构各有优点，针对灭弧室使用的场合以及电参数的不同，我们可以选用不同的电极结构。

　　(1)横向磁场电极结构的选用：有关研究资料认为12kV/31.5kA以下的参数的灭弧室，使用横向磁场电极开断能力优于同尺寸的杯状纵磁场电极(见图1)，而且回路电阻明显优于杯状或线圈的纵磁结构电极，但是在开断过程中电弧对触头和屏蔽筒的烧蚀比较大，加之目前灭弧室的短路开断次数都比较多，多次短路开断后,横磁灭弧室的屏蔽筒就会被甩上的电弧严重烧损,从而破坏其绝缘系统,因此横磁电极结构可以应用在12kV/25kA以下的小型化产品中。

　　(2)纵磁场电极结构的选用：纵磁电极有杯状纵向磁场、线圈纵向磁场，带马蹄铁的纵向磁场电极，纵磁电极在开断时电弧电压低，电弧能量小，纵磁场控弧能力强，触头的烧蚀量小，在分合闸过程中机械参数相对稳定。其中杯状纵磁电极加工起来比较简单，通过调节斜槽的倾角和转角就可以有效的控制导流能力和短路开断能力，使二者都达到较好的水平，因此在中压大容量小型化灭弧室设计时首选杯状纵磁结构。带马蹄铁的纵向磁场电极，它的开断能力是有限用的，目前我们都用在低压或12kV的负荷开关和接触器用灭弧室上。线圈纵向磁场电极，该结构难加工，电极路径长，虽然磁场强但电阻大不易用于小型化灭弧室中，对于低额定工作电流的灭弧室可以采用。

　　2.2 杯状纵磁电极的小型化设计

　　电极直径小，那么灭弧室的直径就可以小，所以合理的优化电极可以较好的实现灭弧室的小型化。下面主要讨论杯状纵磁电极的小型化。

　　大量的磁场计算以及装管实际试验证明，在杯状纵磁电极中引进铁磁物质使电极间磁场得以重新分布，使尽可能大的触头表面在磁场的控制范围内，从而提高触头开断利用面积，有效减小触头直径。然而铁芯的引入会使纵向磁场滞后时间增加，对开断产生负面影响，所以在引入铁芯时不但要考虑增强纵向磁场，还要充分考虑减小纵向磁场滞后时间，尽量消除铁芯引入的负面影响。铁心的结构设计非常重要，我们公司目前普遍使用的铁心结构就很好。为减小铁芯的磁滞可以通过阻断导磁回路的方法降低磁场滞后。合理结构的铁芯即保证了磁场强度同时磁滞也很低。下表为使用铁芯的纵磁场电极与通常的纵磁场电极的开断能力比较。

　　上表的数据足以说明使用铁芯可以有效减小触头直径，有利于灭弧室的小型化设计。

　　2.3 触头材料的选用

　　小型化真空灭弧室开断电流相对同参数的普通灭弧室苛刻的多而且电阻要求较低，因此我们首选CuCr触头材料，该种触头材料在开断能力，导流能力，以及耐电压强度上都表现的比较优越。目前，CuCr触头材料有多种工艺制造的，包括，真空热碳还原熔浸法(溶渗法)生产、混粉烧结、真空感应熔炼快速凝固法(熔铸法)以及西门子使用的真空电弧熔炼法，那么选那种工艺的好呢?

　　通过以往的使用经验我们可以知道熔渗法制造的触头材料很难避免同材富集现象，这样极不利于开断，容易产生容焊，不易用于小型化的真空灭弧室。

　　混粉烧结的触头材料金属颗粒的晶间结合差，开断时容易将触头表面的材料拉断形成缺陷，所以也不利于开断，其切电容的性能也相对差一些，因此不宜选用。

　　真空感应熔炼快