1 前言

真空滅弧實(shí)的絕緣水平是衡量真空斷路器除短路開斷能力之外的一個(gè)重要指標(biāo)，因而也是制約真空斷路器發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。真空滅弧室的外部絕緣先后經(jīng)歷了空氣絕緣、復(fù)合絕緣和固封絕緣，從而形成了絕緣方面的三代真空斷路器。

真空滅弧室的第三代絕緣又稱固封極柱式絕緣，它通過(guò)APG工藝，利用環(huán)氧樹脂將真空滅弧室以及上下出線端全部包封，使真空滅弧室、上下出線端和連接件等成為真空斷路器的一個(gè)整體部件。

固封極柱的優(yōu)點(diǎn)是具有極高的絕緣性能和強(qiáng)大的抵御外界影響能力，適用于高溫、高濕、高海拔等全環(huán)境使用場(chǎng)合。

固封極柱的另一優(yōu)點(diǎn)是大大減少了真空斷路器手工裝配工作量，最大限度減少極柱裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤差，能很好的保證斷路器的各種性能參數(shù)，從而使斷路器的安全可靠性得到進(jìn)一步的提高，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的免維護(hù)。

固封極柱的出現(xiàn)也是推動(dòng)真空斷路器向小型化、高電壓方向發(fā)展的行之有效的途徑。因而成為真空斷路器的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

正是固封極柱產(chǎn)品以上這些優(yōu)點(diǎn)，固封極柱產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)真空滅弧室提出了更高的要求。這主要表現(xiàn)在：

（1）由于固封極柱的應(yīng)用，使得真空滅弧室外部絕緣得以充分的保證，因而在同一電流等級(jí)和電壓等級(jí)的前提下真空滅弧室可以做的更小，這即是降低產(chǎn)品成本的需要，也滿足真空開關(guān)在某些使用場(chǎng)合占地面積的要求，更符合環(huán)保的理念。

由于真空滅弧室體積的縮小，對(duì)滅弧室的短路開斷能力和內(nèi)部絕緣的要求就更加苛刻，要滿足相應(yīng)的短路開斷能力和絕緣水平，必須全面優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)均衡磁場(chǎng)分布和優(yōu)化電場(chǎng)分布達(dá)到提高真空滅弧室短路開斷能力和內(nèi)部絕緣水平的目的。

（2）由于固封極柱的整體性特點(diǎn)，決定了其散熱條件相對(duì)惡劣，溫升便成了開發(fā)此類產(chǎn)品的重點(diǎn)，因而減少真空滅弧室的回路電阻也成了極柱式真空滅弧室的一大重點(diǎn)課題。

要想減少回路電阻，真空滅弧室的設(shè)計(jì)與制造極為關(guān)鍵，要從整體結(jié)構(gòu)（尤其觸頭結(jié)構(gòu)）的開發(fā)設(shè)計(jì)與工藝過(guò)程控制兩方面綜合考慮最大程度的降低真空滅弧室的接觸電阻。

（3）為了滿足固封極柱的免維護(hù)特點(diǎn)，滅弧室的設(shè)計(jì)必須考慮提高使用壽命，以降低斷路器的使用與維護(hù)成本，常規(guī)1萬(wàn)次的機(jī)械壽命已無(wú)法滿足固封極柱式真空斷路器的要求，通常要達(dá)到3萬(wàn)次的機(jī)械壽命。

2 固封極柱用真空滅弧室的設(shè)計(jì)

為滿足固封極柱用真空滅弧室的要求，我公司改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，采用自主研制的縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)和零件自定位的設(shè)計(jì)思路，生產(chǎn)工藝上也改變了傳統(tǒng)的裝配焊接方式，采用“純一次封排”工藝，研制出滿足市場(chǎng)要求的固封極柱用真空滅弧室。

2.1 縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)—提高短路開斷能力

目前國(guó)內(nèi)真空滅弧室多數(shù)采用的觸頭結(jié)構(gòu)是杯狀六槽縱磁結(jié)構(gòu)，開斷時(shí)觸頭實(shí)際有效利用面積僅為70%左右，主要是因?yàn)楸瓲盍�槽縱磁結(jié)構(gòu)由于自身斜槽傾角及斜槽旋轉(zhuǎn)角度的限制，產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較弱，而且沿徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度迅速減弱，較大的邊緣部分得不到利用。

為滿足真空開關(guān)管小型化要求，我們自行研制設(shè)計(jì)出一種新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)，見圖1。

該結(jié)構(gòu)不僅能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的縱向磁場(chǎng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)。其基本結(jié)構(gòu)及工作原理見圖2。

圖2新型觸頭的基本結(jié)構(gòu)工作原理

從圖中可以看到，電流沿著導(dǎo)電桿流到觸頭中心A處，在A處被分成四路后流過(guò)觸頭的徑向部分到達(dá)線圈扇形輻的B處，從B處再沿著線圈輻的圓周部分流過(guò)約180°到達(dá)線圈輻的末端C處，從C處再沿一定的方向進(jìn)入觸頭內(nèi)部，然后從觸頭內(nèi)部流向觸頭表面的燃弧區(qū)域。

在此結(jié)構(gòu)中引入了鐵磁材料，采用特殊手段抑制了渦流。鐵磁材料的引入，增加了觸頭邊緣處的縱向磁場(chǎng)，從而使觸頭表面的縱向磁場(chǎng)更加均勻。在燃弧期間，真空電弧在均勻磁場(chǎng)的作用下，被有效地控制在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)燃燒，使電弧能量降低、開斷能力提高。

為了防止觸頭隨電流波形的變化而感應(yīng)的渦流對(duì)縱向磁場(chǎng)分布和弧后恢復(fù)電壓上升速度產(chǎn)生不良影響，在觸頭上開出與線圈匝數(shù)相對(duì)應(yīng)的徑向槽。開槽后電流在觸頭表面的無(wú)序流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠貓A周方向的有序流動(dòng)，從而進(jìn)一步提高了縱向磁場(chǎng)在電流峰值時(shí)的強(qiáng)度，使渦流對(duì)縱向磁場(chǎng)分布與弧后恢復(fù)電壓上升速度的影響減少到了較低的程度。

2.2 滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布設(shè)計(jì)—提高內(nèi)部絕緣水平

由于產(chǎn)品的進(jìn)一步小型化，電場(chǎng)的分布變得尤為重要。產(chǎn)品內(nèi)部電氣間隙縮小后仍需承受標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的絕緣電壓，這就需要對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化分析與測(cè)算，

借助計(jì)算機(jī)分析軟件對(duì)開滅弧室部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次電場(chǎng)計(jì)算，對(duì)內(nèi)部各部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次修改設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的內(nèi)部電場(chǎng)分布均勻，降低了瓷殼內(nèi)表面沿面的電場(chǎng)強(qiáng)度及三相界面的電場(chǎng)強(qiáng)度，消除了主屏蔽罩兩端口處的尖峰電場(chǎng)，改善了屏蔽罩的均壓作用。

另外還對(duì)主屏蔽罩與導(dǎo)電桿之間的間隙進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后觸頭間隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度有了一定程度的降低，進(jìn)一步緩解了主間隙間的電場(chǎng)應(yīng)力，提高了介質(zhì)恢復(fù)速度。

通過(guò)軟件的分析不斷的對(duì)內(nèi)部各零部件尺寸、形狀、位置等進(jìn)行調(diào)整，最終的結(jié)果是使滅弧室內(nèi)部各處電場(chǎng)強(qiáng)度盡量分布均勻，消除各處可能出現(xiàn)的尖端電場(chǎng)，以有效地降低瓷殼內(nèi)表面沿面的電場(chǎng)強(qiáng)度及三相界面的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高產(chǎn)品的絕緣強(qiáng)度及弧后介質(zhì)恢復(fù)速度。輔助計(jì)算電場(chǎng)分布結(jié)果如圖3示：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   圖3  優(yōu)化后的電場(chǎng)分布

 

優(yōu)化設(shè)計(jì)后盡可能使得真空滅弧室內(nèi)中間屏蔽罩上的電位為50％，動(dòng)靜端兩端對(duì)稱分布，從圖中可見電場(chǎng)分布基本均勻，三相界面處的得到了有效的屏蔽，無(wú)電場(chǎng)集中現(xiàn)象，這就有效的保證了體積減小后對(duì)電壓的耐受能力。

2.3 滅弧室接觸電阻的減小

縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)已經(jīng)較好的解決了開斷電流所需的磁場(chǎng)問(wèn)題，基本滿足了固封極柱產(chǎn)品的需要，但結(jié)合降低接觸電阻的要求，在空間允許的情況下，我們又從觸頭和杯座兩個(gè)方面做了進(jìn)一步的改進(jìn)。

（1）在保證開斷能力的前提下，將觸頭厚度由原來(lái)的5mm減薄至3mm，直徑不變。同時(shí)，將觸頭表面的環(huán)形槽尺寸加大，這樣有利于接觸電阻的減小。

（2）將杯座外徑增大、高度縮小。如果為了滿足磁場(chǎng)的需要，按照原來(lái)的銑槽方式，必然削弱杯座每個(gè)杯指的強(qiáng)度，甚至有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，借助于solidworks軟件對(duì)其進(jìn)行多方案的優(yōu)化，通過(guò)調(diào)整銑槽的位置和斜槽的傾角，最終選定了較為理想的銑槽方式，即能滿足磁場(chǎng)的要求，又有利于降低接觸電阻。

2.4 滅弧室機(jī)械壽命的提高

機(jī)械壽命一般是由真空滅弧室的波紋管決定的。而波紋管的壽命既與設(shè)計(jì)有關(guān)，又與其使用狀態(tài)有關(guān)。

從設(shè)計(jì)角度考慮，選用優(yōu)質(zhì)的波紋管材料、選擇合適的波紋管波數(shù)、保持合理的開距以及在真空滅弧室的生產(chǎn)過(guò)程中避免波紋管多次進(jìn)爐等都是增加波紋管使用壽命的行之有效的方法。

我們?cè)谶x擇固封極柱用真空滅弧室的波紋管時(shí)，首要考慮的是選用含碳量低的不銹鋼材料，使得波紋管的耐腐蝕性有所提高。

其次，在真空滅弧室滿足絕緣水平的前提下，設(shè)計(jì)開距不要過(guò)大，或適當(dāng)增加波紋管的波數(shù)，讓工作位移量不要超過(guò)波紋管自由長(zhǎng)度20％。同時(shí)，波紋管在導(dǎo)電桿上固定的位置要保證在合閘時(shí)波紋管不是壓縮狀態(tài)，而應(yīng)是稍稍拉申?duì)顟B(tài)。

如果波紋管始終保持其加工后的狀態(tài)，通常具有較長(zhǎng)的機(jī)械壽命。如果經(jīng)真空爐多次加溫，壽命將顯著降低。目前采用的“純一次封排”工藝使得波紋管在真空滅弧室的整個(gè)制造過(guò)程中只進(jìn)一次真空爐，也滿足了波紋管對(duì)溫度的要求。

3 生產(chǎn)工藝的保證

3.1 裝配工藝

從設(shè)計(jì)方案初始擬定，就決定了整個(gè)裝配工藝采用一次封排工藝。 裝配過(guò)程只有一個(gè)觸頭組合是部件，其余全部在整管裝配時(shí)組裝，這種新型的裝配焊接方式省去了原來(lái)的動(dòng)靜端管芯裝配、屏蔽筒組合裝配以及波紋管組合裝配，突出的體現(xiàn)了如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）裝配過(guò)程操作簡(jiǎn)單、方便，裝爐量也大大提高，因此提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。

（2）消除了人及環(huán)境對(duì)部件的二次污染，提高了真空滅弧室內(nèi)部真空度及潔凈度，有利于提高滅弧室的的開斷性能及絕緣水平。

（3）減少零件進(jìn)爐焊接次數(shù)，尤其導(dǎo)電桿、波紋管之類的零件，避免了多次焊接帶來(lái)的零件使用性能的降低。

3.2 老煉工藝

3.2.1大電流老煉

大電流老煉就是真空滅弧室通以數(shù)百安培較大電流的同時(shí)拉開觸頭，使觸頭間產(chǎn)生擴(kuò)散型電弧，燃燒的電弧剝除了觸頭表面覆蓋著的臟物、氧化物和氣體，使觸頭表面成為完全新鮮的活性表面，起到了凈化觸頭表面的作用。

固封極柱用真空滅弧室采用新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)，這種觸頭結(jié)構(gòu)在燃弧期間，在觸頭間隙中產(chǎn)生比目前通用的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、更均勻的縱向磁場(chǎng)。在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，電弧被有效地控制在一個(gè)更大的區(qū)域內(nèi)燃燒，擴(kuò)大了觸頭的有效利用面積，使電弧始終保持?jǐn)U散型，在同一電流等級(jí)下，觸頭表面積減小20％以上。

因而，固封極柱用真空滅弧室在進(jìn)行大電流老煉時(shí)需要注意的問(wèn)題就是防止老煉規(guī)范過(guò)重，使得觸頭表面燒損嚴(yán)重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平。

3.2.2高壓老煉

選擇合適的老煉升壓速度、老煉電壓值和電壓穩(wěn)定時(shí)間、老煉開距，再配以合適的外絕緣保護(hù)措施，使固封極柱用真空滅弧室老煉效應(yīng)進(jìn)行得更徹底，可以改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，提高了真空滅弧室的擊穿電壓和長(zhǎng)期工作電壓下的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以提高其短路開斷能力和動(dòng)態(tài)絕緣水平。

（1）高壓老煉的外絕緣保護(hù)

真空滅弧室高電壓和強(qiáng)電場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是沿面絕緣，為了實(shí)現(xiàn)高電壓和強(qiáng)電場(chǎng)，必須使真空滅弧室內(nèi)部真空絕緣和周圍外部絕緣相配合。

用于固封極柱的真空滅弧室小型化后，外絕緣處于臨界狀態(tài)，我們?cè)诔�高壓老煉試�?yàn)中使用輕質(zhì)絕緣油作為外絕緣介質(zhì),其擊穿強(qiáng)度50kV/mm，這樣可以有效避免由于外絕緣和內(nèi)部真空絕緣配合不好造成高壓老煉試驗(yàn)中滅弧室外爬電，最后導(dǎo)致滅弧室絕緣外殼貫穿性擊穿的后果。

（2）老煉升壓速度

在進(jìn)行老煉時(shí)，從一較低的電壓開始，按一定步長(zhǎng)逐級(jí)提高老煉電壓，使滅弧室中流過(guò)的預(yù)放電電流逐漸增加，直至發(fā)生強(qiáng)烈的火花放電，設(shè)備自身回路中串聯(lián)一定數(shù)值的限流電阻，防止由火花放電轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的電弧放電，燒損觸頭。

升壓速度不能太快，老練試驗(yàn)過(guò)程中注意觀察工頻正弦示波圖和火花放電的電流值，隨著滅弧室內(nèi)擊穿打火的頻繁發(fā)生，電壓電流波形會(huì)變得越來(lái)越不規(guī)則，原來(lái)的工頻正弦波失真，諧波增多，當(dāng)老煉一段時(shí)間后，擊穿打火漸少，電壓趨于穩(wěn)定波形漸漸正常，此時(shí)可以按一定步長(zhǎng)提高老煉電壓。如果加壓太快，強(qiáng)烈的火花放電，放電電流很大，容易造成真空滅弧室兩電極間永久性擊穿或絕緣外殼貫穿性擊穿。

（3）老煉電壓值及電壓穩(wěn)定時(shí)間

老煉電壓值升到規(guī)范值后，老煉一段時(shí)間，擊穿打火漸少，電壓趨于穩(wěn)定波形漸漸正常，這時(shí)可在老煉電壓值不變的情況下，穩(wěn)定一段時(shí)間，通過(guò)試驗(yàn)摸索，高壓老煉穩(wěn)定10分鐘可使老煉進(jìn)行得更徹底。

（4）老煉開距

額定開距下進(jìn)行老煉處理，比低于額定開距和較大開距下進(jìn)行老煉所能達(dá)到的穩(wěn)定擊穿電壓要高，其原因?yàn)轭~定開距下進(jìn)行了老煉時(shí)，兩電極間距離大于電極距屏蔽罩的距離，電極表面的有效作用面積（即電場(chǎng)等于最大電場(chǎng)90％所對(duì)應(yīng)的面積）增加。

有效面積增加，使整個(gè)電極表面所能達(dá)到的老煉程度增加，同時(shí)，暴露在放電區(qū)的屏蔽罩面積也增加。這樣，不僅觸頭間火花放電，觸頭邊沿和屏蔽罩間的火花放電作用也加劇，電極、屏蔽罩表面的老煉進(jìn)行得更完全，消除了觸頭和屏蔽罩表面的高發(fā)射點(diǎn)，使穩(wěn)定擊穿電壓值提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

近些年對(duì)真空滅弧室及其固封極柱產(chǎn)品的研究開發(fā)，其技術(shù)逐步成熟，成品率有了較大的提高，但仍存在很多問(wèn)題和不足，如產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、固封極柱價(jià)格過(guò)高等。

固封極柱若能解決以上問(wèn)題，其市場(chǎng)將會(huì)面臨逐年以較大幅度遞增的發(fā)展勢(shì)頭。因而，固封極柱市場(chǎng)的開發(fā)推廣，需開關(guān)廠家和滅弧室廠家的聯(lián)手和共同努力。我們已將固封極柱用真空滅弧室的研發(fā)作為新的工作重點(diǎn)，穩(wěn)步跟進(jìn)固封極柱市場(chǎng)，生產(chǎn)出適應(yīng)固封極柱特點(diǎn)的真空滅弧室，推動(dòng)真空開關(guān)市場(chǎng)的快速發(fā)展。

 

作者簡(jiǎn)介：女，高級(jí)工程師，現(xiàn)任職技術(shù)處，負(fù)責(zé)真空開關(guān)管的設(shè)計(jì)與工藝工作。