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1、2010-2011年第一学期 电气工程专业,电气信息学院 李 靖 2010. 11. 6,高 压 电 器,第七章 真空断路器,概 述 一、真空开关的发展： 1、由于真空技术的发展，上世纪五十年代开始，美国制成了第一批适用于切合电容器组等特殊场合的真空负荷开关，但其开断电流较小。 2、六十年代初期，由于冶金技术上的进展，解决了开断大电流用的触头材料，使真空断路器获得了新的发展。又经过了几年的运行、研究、改进，真空断路器的开断电流达到了一般断路器的水平，即达40kA，从而使真空断路器进入了高电压、大容量的领域。由于真空断路器具有一系列明显的优点， 从七十年代开始，在国际上得到了迅速的发展，尤其在3
2、5kV以下更处于优势地位。 3、我国于1960年研制了第一批真空灭弧室，进行了部分试验；又于1965年试制成我国第一台二相真空开关（10kV，100A）。目前国内在真空开关和真空断路器方面的研究和生产均得到很大重视和迅速发展。,2,二、生产现状： 国外：生产真空断路器的60多家公司，主要有12家：美国的GE公司和西屋公司；日本的东芝、日立、三菱、明电舍公司；德国的西门子、AEG、CALOREMAG公司；英国的GEC和HAWKER SIDDELEG公司，其中以东芝、三菱、明电舍、西门子、 AEG、 GE和西屋公司的规模最大，灭弧室年产量超过100万只。 国内：生产厂家有100多家，真空灭弧室的制
3、造厂家有10余家。 主要的真空断路器制造厂有北京开关厂、锦州开关厂、天水长城开关厂、四川电器厂等。 主要的真空灭弧室生产厂有4401、777、771、779、沈阳灯泡厂等。 三、发展趋势：大容量、高电压、低过电压和小型化，而触头材料是关键。要求开断容量大、耐压强度高、载流水平低、电磨损率小、抗熔性能好。 目前，铜铬（ge）合金材料仍是最好的真空灭弧室触头材料。 四、要求掌握的内容：真空断路器由真空灭弧室、传动机构和操动机构的组成。重点掌握真空灭弧室、真空断路器和真空断路器的操作过电压。,3,4,5,第一节 真空灭弧室 真空灭弧室基础知识 http:/ 一、真空电弧：是高真空（气压低于1.33*
4、10-2Pa，为1.33*10-3Pa ）下，触头材料的金属蒸汽的电弧放电。 真空电弧不是靠电极间气体分子的电离来维持的，它是依靠电极材料蒸发所形成的金属蒸汽的电离维持的。当真空灭弧室的触头在真空中带电分离时，电接触表面积迅速减小，最后只留下一个或几个微小的接触点（金属桥），在金属桥上电流密度非常大。随着金属桥缩小，其电流密度增大，温度也越来越高。最后金属桥熔化并蒸发出大量的金属蒸汽。金属蒸汽温度很高，同时又存在很强的电场，这样就会导致强烈的场致发射和金属蒸汽的电离，从而发展成真空电弧。由于触头的特殊构造，可使电弧均匀分布在触头表面，从而减小电弧能量和触头的电腐蚀速度，并使真空灭弧室具有较高的
5、弧后介质强度恢复速度。燃弧过程中产生的金属蒸汽被屏蔽罩表面冷凝，释放的少量气体中的一部分被凝聚的金属蒸汽所吸收，一部分被管内吸气剂吸收，使真空灭弧室内一直维持高的真空度。,6,1、安装前，用棉布或绸布蘸少许酒精，将灭弧室的绝缘外壳表面擦拭干净，同时将导电杆及电连接表面擦净，以使其与整机有良好的电接触。 2、按真空断路器的要求将真空灭弧室安装在真空断路器上并按真空灭弧室的要求进行调整。与灭弧室有关的机构参数应满足技术条件中的参数要求。3、安装、调整过程中，严禁用硬物撞击或敲打真空灭弧室外壳以免破碎漏气，同时对玻璃真空灭弧室应防止玻璃外壳划伤。否则开断过程玻壳受热后易破碎。4、紧固静端压板用的螺钉
6、旋入灭弧室的深度应满足但不能超过灭弧室外形图标注的螺纹深度。5、安装开关与灭弧室动导电杆的连接螺杆时，如产品的动导电杆上有铣扁设计，则应用扳手夹住动导电杆的扁平面，以免使波纹管受扭力影响其寿命。,7,二、真空间隙击穿的三种假设： 场致发射：高电场强度集中在阴极表面的微小突端和尖端部分，引起电子发射，使该部分金属融化蒸发而发展成电弧； 团粒作用：附着在电极表面上的微小金属屑（统称为团粒）受到电场作用从一极加速通过真空间隙达到另一极，团粒和电极碰撞，使团粒融化和蒸发，金属蒸汽被电子游离，导致绝缘击穿； 电极的二次电子发射：间隙中的正离子和光子等，撞击阴极而引起二次发射，或加强了场致发射而引起绝缘击
7、穿。,8,三、真空电弧的二种形态： 扩散型：小电流真空电弧（单阴极模型）； 集聚型：大电流真空电弧。 图7-1示出它们的电弧示意图。 四、真空电弧的熄弧原理： 扩散型：电流过零后，新阴极不会产生阴极斑点，真空容器间隙只要距离足够，电弧就不会重燃。 集聚型：在恢复电压作用下，由于原来阳极被熔融而来不及冷却，不可避免地要重燃。 集聚型熄弧措施：a. 提高集聚电流值，具体是加纵向磁场； b. 加横向磁场，把集聚型变为扩散型电流。,9,四、真空灭弧室： 是真空断路器中的一个心脏。 图7-2示出它的结构原理。 外壳：玻璃、高铝陶瓷（耐温1600度，熔点2030度，耐压强度高）或微晶玻璃等无机绝缘材料制成
8、，圆筒状，两端用金属盖板封接组成封闭容器。 外壳内部：一对触头，其中，静触头固定在静导电杆的端头，动触头固定在动导电杆的端头。 动导电杆在中部与波纹管的一个端口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。,10,由于波纹管在轴向上可以伸缩，因而这种结构既能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动，又能保证真空外壳的密封性。真空灭弧室内部通常抽成高真空。 在动、静触头和波纹管周围装有屏蔽罩，触头周围的屏蔽罩称为全屏蔽罩，由磁柱支撑；波纹管周围的屏蔽罩称为辅助屏蔽罩或波纹管屏蔽罩。 由于大气压力的作用，灭弧室在无机械外力作用时，其动静触头始终保持闭合位置，当外力使动导电杆向外运
9、动时，触头才分离。,11,1、外壳 （1）外壳：是真空灭弧室的密封容器，它不仅要容纳和支持真空灭弧室内的各种零件，而且当动、静触头在断开位置时起绝缘作用。因此，整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。 对外壳的要求： 气密性好，所有材料均不允许有任何漏孔存在； 有一定的机械强度； 绝缘体在真空和大气中都必须有良好的绝缘性能。 （2）绝缘筒（有时也称绝缘外壳）： 广泛采用硬质玻璃和高氧化铝瓷等无机绝缘材料，也有采用微晶玻璃作绝缘外壳的。 不透气、不吸水、机械强度高、绝缘性能好、软化温度高。外壳的端盖常用不锈钢、无氧铜、可伐等金属制成。 （3）以金属材料制成外部圆筒，并以无机绝缘材料制成绝缘端盖。金属圆
10、筒又起屏蔽罩的作用。,12,2、波纹管：它既保证了灭弧室完全密封，又是灭弧室外部操动触头运动不可缺少的元件。 波纹管的制造技术对灭弧室的寿命很重要。使用前要进行寿命试验、波纹管管壁厚度检查等环节。 形式：常用的波纹管有液压成形和膜片焊接两种，如图7-3所示。 常用材料：有不锈钢、磷青铜、铍（皮）青铜等，以不锈钢性能最好。波纹管的侧壁可在轴向上伸缩，它的允许伸缩量也就决定了灭弧室所能获得的触头最大开距。 真空灭弧室的机械寿命：由波纹管的疲劳寿命决定。,13,3、屏蔽罩：一般采用中封式，它改善了电场分布，提高了绝缘强度。 （1）触头周围设置的全屏蔽罩的作用： 支撑与绝缘。可以挡住电弧生成物的去路，
11、防止绝缘外壳因电弧生成物所污染而引起绝缘强度降低和绝缘破坏。 有利于提高开断能力。电弧生成物在屏蔽罩表面会凝结，不容易返回电弧间隙，有利于熄弧后弧隙介质强度的迅速恢复。 均匀内部电场。屏蔽罩还能起到使灭弧室内部电压均匀分布的作用。 （2）波纹管外面用辅助屏蔽罩：使波纹管免遭电弧生成物的烧损。 （3）材料与厚度选择： 材料：在开断过程中电弧的能量有很大一部分消耗在屏蔽罩上，使屏蔽罩的温度升得相当高，而温度越高就会使它表面冷凝电弧生成物的能力越差。因而应尽量采用导热性能好的材料制造屏蔽罩，常用的材料为无氧铜、不锈钢和玻璃，铜是最常用的。 厚度：在一定范围内，金属屏蔽罩厚度的增加可以提高灭弧室的开断
12、能力，但通常不超过2mm。,14,4、触头： （1） 触头是真空灭弧室内最为重要的元件，真空灭弧室的开断能力和电气寿命主要由它决定。 （2） 目前真空开关的触头系统就接触方式而言都是对接式的，目的是产生自闭力（内外气体压力差），使动触头向上运动后动静触头总是闭合的，为此，必须挡住它，以免将波纹管拉长至死位。 （3） 根据触头工作原理不同，分为非磁吹触头和磁吹触头两大类。 非磁吹型圆柱状触头：最简单，机械强度好，易加工，但开断电流较小（有效值在6kA以下）。一般只适用在真空接触器和真空负荷开关中； 横向磁吹触头：可使开断电流进一步提高，使真空灭弧室的体积大大减小，极大地提高了真空断路器的竞争能力
13、。 （4） 真空灭弧室的开断能力通常取决于触头直径。图7-4示出触头的尺寸与电流开断能力的关系。,15,（5）常用的几种触头简介：图7-5示出各种触头的结构形状。 非磁场型触头 圆柱形触头：触头的圆柱端面作为电接触和燃弧的表面，真空电弧在触头间燃烧时不受磁场的作用。当开断电流增大使真空电弧发生集聚时，它就失去了开断电流的能力。在触头直径较小时，其极限开断电流和直径几乎成线性关系，但当触头直径大于5060mm后，继续加大直径，极限开断电流就很少增加了。 磁场型触头：处于试验中。 螺旋槽触头：图7-6所示为横向磁吹的中接式螺旋槽触头，在触头圆盘的中部有一突起的圆环，圆盘上开有三条螺旋槽，从圆环的外
14、周一直延伸到触头的外缘。当触头在闭合位置时，只有圆环部分接触。触头分离时，在圆环上产生电弧，由于电流线在圆盘处有拐弯，在弧往部分产生与弧柱垂直的横向磁场。,16,17,如果电流足够大，真空电弧发生集聚的话，那么磁场会使电弧离开接触圆环，向触头的外缘运动，把电弧推向开有螺旋槽的触头表面（称为跑弧面）。一旦电弧转移到跑弧面上，触头上的电流就受到螺旋槽的限制，只能按规定的路径流通（如图7-6，b的虚线所示），而垂直于触头表面的弧柱就受到一个作用力F，它的径向分量F1使电弧朝触头外缘运动，而切向分量F2使电弧在触头上沿切线方向运动，使电弧在触头外缘上作圆周运动，从而使电弧熄灭。螺旋槽触头在大容量真空灭
15、弧空中应用得十分广泛，它的开断能力可高达4060kA。,18, 杯状触头：结构如图7-7所示。触头形状似一个圆形广辔杯子，杯壁上开有一系列斜槽，且使动静触头的斜槽方向相反。这些斜槽构成许多触指，用其端面接触。 当触头分离产生电弧时，电流经倾斜的触指流通，产生横向磁场，驱使真空电弧在杯壁的端面上运动。杯状触头在开断大电流时，在许多触指上同时形成电弧环形分布在圆壁的端面，每一个电弧都是电流不大的集聚型电弧，且不再进一步集聚。这种电弧形态称为半集聚型真空电弧。它的电弧电压比螺旋槽触头的要低，电磨损也较小。 杯壁端面必须用抗熔焊材料制成。杯体一般采用铬铜，它在经高温焊接和烘烤后仍有良好的弹性。在相同触
16、头直径下，杯状触头的开断能力比螺旋槽触头要大一些，而且电气寿命也较长。 线圈型触头和多极纵向磁场触头： 图7-8示出的是纵向磁场触头的一个例子。,19,结构：触头背面设置一个特殊形状的线圈，串联在触头和导电杆 之间，导电杆中的电流先分成四路流过线圈的径向导体，进入 线圈的 圆周部分，然后流入触头；动、静触头的结构完全一样。 开断电流时，由于流过线圈的电流在弧区产生一定的纵向磁场，可使电弧电压降低和集聚电流值提高，从而大大提高触头的开断能力和电气寿命。,20,21,（6） 触头材料： 真空断路器触头材料性能： 开断能力高； 抗熔焊性能好； 导电能力很好； 击穿耐压性能好； 截流值小； 低含气量。 单一的金属材料一般不能同时满足上述要求，需采用多元合金。 真空灭弧室较广泛采用铜-钨-秘-锆
