真空灭弧室

1 真空灭弧室工作原理

1.1电弧

电弧是一种能量集中、温度高、亮度大的气体放电现象,是一种电离的气体,质量极轻,发出耀眼的光芒,在外力作用下迅速移动、卷缩和伸长。在操作电力开关分断电路的过程中,当开关的触头即将分离时,由于触头的接触面突然减小,使得触头接触处的电阻猛增,同时电路上被消耗的电能将产生上千度的高温,使触头产生热电子发射,这与人们在电子管中观察到的热电子发射情况类似,只不过这时触头表面的温度比电子管内灯丝的温度要高得多,发射的热电子强度也大得多。同时在开关触头分离的瞬间,电路加在触头上的电压将在触头间极小的间隙内形成很强的电场,它将在高温作用下触头发射的热电子迅速加速,这些高速运动的热电子碰撞其周围的气体分子而产生自由电子和正离子,被电离出来的自由电子在高温和强电场的作用下继续加速,又碰撞其附近的其它气体分子,如此继续,形成连锁反应,使开关触头间的气体在极短的时间发生雪崩似的电离,接通电路,发出耀眼的亮光,这就是人们看到的电弧。

1.2熄灭电弧的方法

交流电弧的熄灭条件是在零休期间不发生热击穿，同时在此之后弧隙介质恢复过程总是胜过电压恢复过程，也即不发生击穿。但从灭弧效果来看，零休期间是最好的灭弧时机：一则这时弧隙的输入功率近乎等于零，只要采取适当措施加速电弧能量的散发以抑制热电离，即可防止因热击穿引起电弧重燃；二则这时线路所储能量很小，需借电弧散发的能量不大，不易因出现较高的过电压而引起电击穿。反之，若灭弧非常强烈，在电流自然过零前就“截流”，强迫电

弧熄灭，则将产生很高的过电压，即使不致影响灭弧，对线路及其中的设备也很不利。因此，除非有特殊要求，交流开关电器多采用灭弧强度不过强的灭弧装置，使电弧是在零休期间，而且是在电流首次自然过零时熄灭

实际上交流电弧未必均能于电流首次自然过零时熄，有时需经2～3个半周才熄灭。如图2所示，触头刚分（t＝t0）时，弧隙甚小，uh也不大。故电流在首次过零（t＝t1）前，其波形基本上仍属正弦波，且在电流过零处电源电压滞后约为δ≈90°。这时，介质强度ujf不大，恢复电压uhf于不久后上升到大于燃弧电压ub1时，弧隙击穿，电弧重燃。

图1-1

在第二个半周，弧隙增大，弧隙增大了，uh和ujf均增大，电流再过零（t ＝t2）时的滞后角δ2＜δ1。由于ujf仍不够大，在uhf＞ujf2时，弧隙再次被击穿，电弧仍重燃。此后，因弧隙更大，当t＝t3、即电流第三次过零时，δ3＜δ2，且ujf始终大于uhf，电弧不再重燃，电弧终被熄灭，交流电路也完全切断了。

1.3灭弧室工作原理

真空灭弧室是利用高真空工作绝缘灭弧介质,靠密封在真空中的一对触头来实现电力电路的通断功能的一种电真空器件。当其断开一定数值的电流时,动静触头在分离的瞬间,电流收缩到触头刚分离的一点上,出现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高,直至发生电极金属的蒸发,?同时形成极高的电场强度,导致极强烈的发射和间隙击穿,产生真空电弧,当工频电流接近零时,同时也是触头开距的增大,?真空电弧的等离子体很快向四周扩散,电弧电流过零后,?触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体,于是电流被分断。由于触头的特殊构造,?燃弧期间触头间隙会产适当的纵向磁场,这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面,维持低的电弧电压,?从而使真空灭弧室具有较高弧后介质强度恢复速度,小的电弧能量和小的腐蚀速率。这样,?就提高了真空灭弧室开断电流的能力和使用寿命。

2 真空灭弧室的基本结构

图2-1

2.1 气密绝缘系统

由玻璃或陶瓷制成的气密绝缘外壳、动端盖板、定端盖板，不锈钢波纹管组

成了气密绝缘系统。为了保证玻璃、陶瓷与金属之间有良好的气密性，除了封接时要有严格的操作工艺外，还要求材料本身的透气性尽量小和内部放气量限制到极小值。不锈钢波纹管的作用不仅能将真空灭弧室内部的真空状态与外部的大气状态隔离开来，而且能使动触头连同动导电杆在规定的范围内运动，以完成真空开关的闭合与分断操作。

2.2 导电系统

定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成了灭弧室

的导电系统。其中定导电杆、定跑弧面、定触头合称定电极，动触头、动跑弧面、动导电杆合称动电极，由真空灭弧室组装成的真空断路器，真空负荷开关和真空接触器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。为了使两触头间的接触电阻尽可能减小且保持稳定和灭弧室承受动稳定电流时有良好的机械强度，真空开关在动导电杆一端设置有导向套，

并使用一组压缩

弹簧，使两触头间保持有一个额定压力。当真空开关分断电流时，灭弧室两触头分离并在其间产生电弧，直至电流自然过零时电弧熄灭，便完成了电路的开断。

2.3 屏蔽系统

真空灭弧室的屏蔽系统主要由屏蔽筒，屏蔽罩和其他零件组成。

屏蔽系统的主要作用是：

（1）防止触头在燃弧过程中产生大量的金属蒸汽和液滴喷溅，污染绝缘外壳的内壁，避免造成真空灭弧室外壳的绝缘强度下降或产生闪络。

（2）改善真空灭弧室内部的电场分布，有利于真空灭弧室绝缘外壳的小型化，尤其是对于高电压的真空灭弧室小型化有显著效果。

（3）吸收一部分电弧能量，冷凝电弧生成物。特别是真空灭弧室在开断短路电流时，电弧所产生的热能大部分被屏蔽系统所吸收，有利于提高触头间的介质恢复强度。屏蔽系统吸收电弧生成物的量越大，说明他吸收的能量也越大，这对增加真空灭弧室的开断容量起良好作用。

2.4 触头

触头是产生电弧、熄灭电弧的部位，对材料和结构的要求都比较高。

2.4.1 对触头材料要求

（1）高开断能力。要求材料本身的导电率大，热传导系数小，热容量大，热电子发射能力低。

（2）高击穿电压。击穿电压高，介质恢复强度就高，对灭弧有利。

（3）高的抗电腐蚀性。即经得起电弧的烧蚀，金属蒸发量少。

（4）抗熔焊能力。

（5）低截流电流值，希望在2.5A以下。

（6）低含气量。

2.4.2 触头结构

触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同的，早期采用简单的圆柱形触头，结构虽简单，但开断能力不能满足断路器的要求，仅能开断10kA以下电流，目前仅有真空负荷开关、高压真空接触器等用真空开关管才采用。目前，常采用的有螺旋糟型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。

5、波纹管

真空灭弧室的波纹管主要担负保证动电极在一定范围内运动和长期保持高真空的功能，并保证真空灭弧室具有很高的机械寿命。

真空灭弧室的波纹管是由厚度为0.1~0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件。真空开关在分合过程中，灭弧室波纹管受伸缩作用，波纹管截面上受变应力作用，所以波纹管的寿命应根据反复伸缩量和使用压力来确定。

波纹管的疲劳寿命和工作条件的受热温度有关，真空灭弧室在分断大的短路电流后，导电杆的余热传递到波纹管上，使波纹管的温度升高，当温升达到一定程度时，这就会影响波纹管的疲劳强度

3 设计与计算

3.1外壳设计

真空灭弧室的外壳主要由玻璃圆通、动端盖板、静端盖板和波纹管组成。为了保证真空灭弧室在运行中有足够高的真空度。（气压不高于310-pa ），外壳必须是不透气的，完全密封的，而实际上，真空灭弧制成后，并不能永远维持其原来的真空压力，随着存放时间的增加，灭弧室的真空度将降低，其主要原因在于绝缘外壳等密封件和焊缝的慢性漏气以及内部零件的放气，慢性漏气决定了真空灭弧室的寿命，允许的最大漏气率Q.可由式（1）表示

()P

Q V T

=? (1)

其中 Q---允许的最大漏气率（3a

P cm S

?

）；

V---真空灭弧室体积（3cm ）； P---真空压力的允许最大值（a P ）；

T---规定的真空寿命（S ）；

另外，除了要求密封外，还要求外壳有一定的机械强度。

3.2主屏蔽罩的设计

真空灭弧室中要设置各种各样的屏蔽罩，如触头周围的主屏蔽罩、保护波纹管的波纹管屏蔽罩以及均压用的均压屏蔽罩等。主屏蔽罩的作用有：①防止燃弧过程中触头间产生大量的金属蒸汽和液滴喷溅到外壳绝缘筒的内壁，造成真空灭弧室外壳绝缘强度的降低或闪络；②改善真空灭弧室内部电压的均匀分布，有利于真空灭弧室外壳向小型化发展；③冷却和凝结电弧生成物，有助于电弧熄灭后，残余等离子体的迅速衰减。

一般认为电弧70%的热量被主屏蔽罩所吸收，假设其中50%的热量消耗在正对着触头间隙的屏蔽罩表面上，则有

0.35W UIt = （2） 其中 W---屏蔽罩吸收的热量（kW ）； U---电弧电压（V ），有效值； I---分断电流（kA ），有效值； t---燃弧时间（s ）；

屏蔽罩吸收的热量与屏蔽罩允许吸收的最大功率密度有下列关系： min max (d t W W =????πD ） （3） 其中 min D ---主屏蔽罩内径的最小值（cm ） d---触头开距（cm ）

max W ?---允许吸收的最大功率密度（2kW cm ）。

根据式（2）和式（3），可推算得

m in m ax

=0.35(d U I

D W

??π） （4） 由于主屏蔽罩的直径要大于min D ，并且要保证主屏蔽罩内表面和触头外缘之间有足够大的距离，根据经验可确定主屏蔽罩的另一个直径：

1

m in '2(10~15)10()e D D cm -=+? （5）

其中 e D ---触头直径（cm ）

3.3触头设计

3.3.1 触头直径的确定

一般扩散型真空电弧在分断的半个周波内过零熄灭，故每分断一次，触头所消耗

的重量为

6

10

e

G q ω

-=

?? （6）

其中 G---分断一次触头所消耗的重量（g ）； e I ---额定电流（kA ）； q---触头材料的电磨损率（

g

kc

μ）；

e

ω

---半个周波内通过触头的电量（kc ）；

设分断N 次（触头的电寿命），则触头材料的总耗损量为

6

10()e

G N q N g ω

-?=

??? （7）

设触头允许的磨损厚度12

h lk ?≤

?，则触头允许耗损量为：

23

c 1104

y G D h -=????π （8）

式中 y G ---触头允许的磨损量（g ） ?---触头材料的密度（3

g

cm

）

h ?---触头允许的磨损厚度（cm ） lk ?---触头超程（cm ）

显然，为满足具有足够长的电寿命要求应有：

y G N G ?≤

3.3.2 导电杆直径的计算

假设在额定发热的情况下，触头处产生的全部热量由暴露在大气部分的导电杆或散热器散出，根据能量平衡有：

2

j T d d Ie R K S T =?? （9）

其中 T K ---散热系数（2W

cm C

?

?）;

d S ---散热面积（2cm ）； d T ---触头允许温升（C ?）；

d l ?---导电杆伸出灭弧室外部的长度（cm ）； j R ---触头接触电阻（Ω）； 由式（9）可得

2

e j

d d d T

I R D T l K ?=

????π (12)

结论

这次真空灭弧室课程设计的学习，学到了很多关于电器学理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。我对这门课程设计非常感兴趣。不仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上巩固了对电器学灭弧方面知识的理解。更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，而不是只懂得一点皮毛。通过本次设计使我对真空灭弧原理方法有了进一步的认识，对灭弧原理和真空灭弧室的结构也有了进一步的了解，更对电器学这本书得知识做了进一步的巩固。把书本上的知识运用到了实际应用中。通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了电器设计的基本内容，掌握了电器设计的主要程序和方法，增强了分析和解决电器实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强电器设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。

参考文献

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