真空接触器用真空灭弧室的小型化论文

1、独创性申明本人申明所呈交的学位论文是本人在指导教师的的指导下进行的研究性工作和总结。除文中特别加注和致谢的地方，不包含其他人已发表过或撰写过的研究成果，也不包含其他人为获得电子科技大学或其他教育机构学位或证书而使用过的资料。在本文所涉及的研究过程中做过合作或贡献者已在文中予以说明和致谢。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印和扫描等手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文

2、在解密后应遵循此规定）签名：导师签名：摘要摘要真空灭弧室是用于真空断路器、负荷开关、真空接触器等开关电器的主要元件，即核心器件。目前国内、国外对断路器、负荷开关用真空灭弧室的研究很多，在真空灭弧室的制造和设计水平均得到了极大的提高。而对用于真空接触器的真空灭弧室报道极少，真空断路器与真空接触器最大的不同在于：真空断路器可开断大电流，但操作不频繁；而真空接触器具有较高的操作频率，最高可达每小时 1200 次，同时开断次数、寿命是断路器的几几十倍。本文着重讨论真空接触器用真空灭弧室的小型化。真空接触器用的真空灭弧室小型化的研究报告较少，本课题将借鉴真空断路器用真空灭弧室小型化的思路，应用真空电弧理

3、论的发展和内部电场优化使真空灭弧室体积更小；运用复合绝缘技术使真空灭弧室结构尺寸大大减小。根据真空接触器的特点，灭弧能力强、耐压性能好、操作频率较高、寿命长、无电弧外喷、体积小、重量轻等，要求真空灭弧室的触头材料需要具有足够的开断能力；低的截流电流；高的耐电压强度；高的抗熔焊能力；含气量要低；高的导电率、导热系数和机械强度，小的接触电阻；电浸蚀率低；热电子发射能力低。本论文针对上述问题，对材料和工艺问题作了创新性和探索性研究。主要内容为：1、触头材料的选取，从触头的工作机理出发，选取真空接触器常用的触头材料，如 MoCu、AgWC、 WCu、CuWAlTe、CrCu 等。根据其化学成分、物理性

4、能不同，设计触头，装成真空灭弧室，采用电流成型的方法，模拟真空接触器实际工作情况下，开断电流后，触头的表面状况、触头内部变化情况（金相照片）、真空灭弧室内部被金属蒸气污染的状况等，确定触头材料和结构。2、气密绝缘外壳的选取，为确保高的耐压强度，选取真空陶瓷、端封工艺。3、动、定导电杆的选取，确保真空灭弧室的温升达到有关标准的规定。关键词：真空灭弧室，真空接触器，触头材料和结构，开断能力IABSTRACTABSTRACTVacuum Interrupter (VI) is the key component used in the switch electricity asvacuum circ

5、uit breaker， load switch， vacuum contactor. There are many studies oncircuit breaker and load switches based on VI today， and many progresses have madein the design and manufacturing of VI， however， rare report has been published aboutVIs application in vacuum breaker. The main difference between va

6、cuum breaker andvacuum contractor is that vacuum breaker could break great electric current with lessoperation， while vacuum contactor could operate at a high frequency about Max. 1200per hour with a long lifetime of usage. This paper focuses on the minimization of VI inthe application of vacuum con

7、tactor.Few reports had been found in this aspect. This paper will based on the thoughtsof minimizing VI in the application of vacuum breaker， minimize VI in its volumeaccording the development of vacuum arc theory and optimization of internal electricfield; minimize its structure by using combined i

8、nsulation techniques.The features of vacuum contactor as strong ability to extinguish arc， to resisthigh pressure， high frequency of operation， long life span， no outside washing ofarc， small size and less weight， ask the contact materials of VI have enough ability toswitch with lower electricity cl

9、osure， resistance to high electric pressure， higherresistance to wield， lower contain of gas， higher electricity conductivity， higherthermal conductivity and higher mechanical strength， lower electricity resistance，lower electroerosivity and lower hot electron emission. This paper made someinnovativ

10、e and exploration about the above topics， and its main contains as:1、 The selection of contactor maters. Select the usual contactor maters asMoCu， AgWC， WCu， CuWAlTe amd CrCu according to the operation mechanismof contactor. Design the contractor according to the different chemical components andphy

11、sical property of different materials and assemble the contactor to VI. Then decidethe contactor materials and structure by simulating vacuum contactors operation byelectricity shaping as observing the surface of contactor， the internal change ofcontactor (metallograph) and the internal pollution of

12、 metal steam of VI.IIABSTRACT2、The selection of air seal shell. Which should use end seal technique by usingvacuum ceramics so as to confirm the high resistance to pressure.3、 To select the variable and fix electric pole so as to guarantee the temperatureof VI meet the standard.Key Words: Vacuum Int

13、errupter， Vacuum Contactor， Structure and Materials ofContractor， Switch Function.III目录第一章 绪论 .11.1 目前国际、国内真空灭弧室的技术状态和发展方向 .11.2 真空接触器和真空灭弧室.21.2.11.2.21.2.3真空接触器工作原理 .2真空接触器与真空断路器的特点 .4真空接触器用真空灭弧室 .41.3 本论文的选题和研究内容.5第二章 真空灭弧室的工作机理和参数设计 .72.1 真空灭弧室的基本结构和工作机理.72.1.12.1.22.1.3真空灭弧室的基本结构 .7真空灭弧室的工作机理 .

14、8真空电弧对真空灭弧室的影响 .82.2 真空灭弧室设计参数分析.102.2.12.2.22.2.3截流水平的确定 .10真空灭弧室的绝缘分析 .12动、定导电杆对真空灭弧室性能指标的影响 .142.3 工艺过程对真空灭弧室性能的影响.152.3.12.3.22.3.3真空灭弧室总装工艺 .15真空灭弧室的排气 .16老炼过程 .172.4 真空接触器用真空灭弧室常用触头.182.4.12.4.22.4.32.4.42.4.52.4.6触头的工作机理 .18触头材料的基本要求 .21触头的电磨损 .23分断速度对触头电磨损的的影响 .24常见触头材料中元素的物理性能 .26触头材料的电性能测试

15、 .26第三章 方案实施 .28IV目录3.1 本课题真空接触器用真空灭弧室的主要性能指标.283.1.13.1.2性能指标 .28真空灭弧室外形尺寸 .293.2 本课题的方案论证.303.2.13.2.23.2.3真空接触器常用的触头材料 .30按照小型化的要求选取触头材料 .34触头的试验结果 .413.3 真空灭弧室的绝缘性能.413.3.13.3.2陶瓷尺寸的选取 .42陶瓷的封接形式 .433.4 动、静导电杆电流容量的确认.433.5 试验的结果.44第四章 结论和展望 .464.1 结论.464.2 今后的工作和前景展望.46致 谢 .48参考文献 .49V第一章第一章绪论绪论

16、随着经济的发展、技术的不断进步和国家在又好又快的发展经济的同时对环保提出了更高要求。在配电控制和保护系统中，已广泛采用真空开关。真空开关根据不同的用途和要求可分为真空断路器、真空负荷开关和真空接触器。相比之下真空接触器拥有更多的优越性，它结构紧凑、安全性能高、高可靠、寿命长、无毒、维护简便、费用低、对环境无污染。真空接触器目前按电压等级覆盖了 380V、660V、1140V、3.6kV、7.2kV、12kV；额定电流从 80A 到 800A。真空接触器由于技术不断地进步，使电压等级不断提高已达 24kV、40.5kV，额定电流向上扩展，已达 1000A 以上。真空接触器技术参数的提高和发展，依

17、赖于真空灭弧室技术的提高，真空灭弧室被称为真空接触器的心脏，它是真空接触器的核心元件。真空灭弧室自问世以来，一直在不断的向小型化、高可靠性、低成本方面发展，随着真空接触器应用范围的扩大，真空灭弧室也有了新的发展方向，电流、电压等级的不断发展，以满足不同环境的使用要求。1.1 目前国际、国内真空灭弧室的技术状态和发展方向随着电网容量不断地扩大以及电压等级的不断提高，对用于电力系统控制和保护的开关设备提出了更苛刻的要求，真空接触器以高真空作为灭弧和绝缘介质，触头与灭弧系统简单、具有使用寿命长、检修间隔时间长、易于维护、适合频繁操作、体积小、重量轻等特点，在中压领域占主导地位。近年来，随着国内外对真

18、空灭弧室研究的不断深入，真空接触器在高压领域和低压领域也得到了不断的发展。真空灭弧室的发展与真空接触器的发展，是紧紧联系在一起的，甚至它的研究工作要超前一些。因为只有灭弧室技术的重大突破，才可带来真空接触器技术水平的大幅度提高。人类从事将真空作为灭弧和绝缘介质的应用研究，到现在已有 100 多年的历史，真空灭弧室自从问世以来，一直在不断的向小型化、高可靠性、低成本方面发展，随着真空开关应用范围的扩大，真空灭弧室也有了新的发展方向。真空灭弧室的小型化，不论是断路器，还是接触器，是所有电器产品追求的发展方向。真空断路器用真空灭弧室的小型化，国际、国内已经进行了很多年，1电子科技大学硕士学位论文并取

19、得了一定的成效。如德国 Calor-Emag 公司新研制成的 VC2 型真空断路器，其12kV、20kA 的真空灭弧室的触头直径仅为 40mm，12kV、50kA 真空灭弧室的触头直径为 80mm。日本东芝公司采用新技术生产的真空灭弧室体积只有采用线圈式触头结构的产品的一半。德国 AEG 公司最新推出的第三代真空灭弧室，其体积比缩小到原来产品的 1/3.真空接触器用真空灭弧室小型化的研究报告较少，本课题将借鉴真空断路器用真空灭弧室小型化的思路，应用真空电弧理论的发展和触头新材料的发展，确定触头材料和结构，使真空灭弧室体积更小；运用复合绝缘技术使真空灭弧室结构尺寸大大减小，达到实际工作状态下，真

20、空接触器的小型化和高可靠性，扩大真空接触器的应用领域。1.2 真空接触器和真空灭弧室真空接触器用于远距离、频繁地接通和分断交流主电路和大容量控制电路的电器。其主要的控制对象为电动机，也可用作控制电热设备、电照明、电焊机和电容器组等电力负载。如用于煤矿、化工、冶金、水泥等行业有防爆、防腐蚀和防火要求以及环境较恶劣的场所。真空接触器具有较高的操作频率，最高操作频率可达每小时 1200 次。真空接触器的寿命很高，机械寿命一般为数百万次至一千万次，电寿命一般为数十万次至数百万次。在电路中并不要求接触器具有分断短路电流的能力，当线路发生短路时，由与接触器相串联的熔断器或断路器进行保护。真空接触器的真空灭

21、弧室制造时工艺要求很高，如果工艺不良，灭弧室的真空度易下降；触头材料材质不好，在分断电流时会出现“截流过电压”现象，即在分断电流时，由于真空灭弧室的熄弧能力很强，电弧电流不是自然过零时切断，而是从电流的某一值突然降到零，由此而出现高的过电压。截流过电压会危及电工设备的安全运行。1.2.1 真空接触器工作原理真空接触器其组成部分与一般接触器相似，不同的是真空接触器的触头密封在真空灭弧室中。其特点是接通/分断电流大，额定操作电压较高。真空接触器工作时仅能产生能量较少的金属蒸气电弧，其强度、燃弧时间和对触头的烧蚀都比空气中少，因而真空接触器的维修周期较长。从环保的角度来看，真空接触器的2第一章绪论触

22、头系统是封闭在真空陶瓷管壳中，触头开断时产生的电弧不会影响外部环境，因而它可以工作在苛刻的工作环境下。在低压电器领域中，尽管它的价格比一般空气中灭弧的开关电器的价格要高，但它的环保作用和优良性能已越来越引起人们的关注。原先真空接触器一般用于特殊环境下，目前随着真空技术的进步、真空技术的应用已推广至通用的真空接触器。真空灭弧室真空绝缘原理的采用，大大提高了真空接触器的熄弧能力、耐压等级，同时使真空接触器具有较高的操作频率，最高操作频率可达每小时 3000 次。真空接触器的寿命很长，机械寿命一般为数百万次，电寿命一般为数十万次至数百万次。真空接触器由于采用真空灭弧室作为心脏部件，具有无电弧外喷、体

23、积小、重量轻、，适用于 660 伏及以上的电路中，大量用于煤矿、化工、冶金、水泥等行业有防爆、防腐蚀和防火要求以及环境较恶劣的场所。真空接触器工作原理见图 1-1。图 1-1 真空接触器工作原理真空灭弧室垂直安装在绝缘隔板上，真空灭弧室内有静触头、动触头。与静触头相连的导电杆用铜排引出，与动触头相连的导电杆用软连接引至铜排引出端。动触头通过导电杆、触头弹簧和绝缘体与杠杆相连。真空接触器以真空为灭弧介质，其触头密封在特制的真空灭弧室管内。当操作线圈通电时，衔铁吸合，在触点弹簧和真空自闭力的作用下触点闭合；操作线圈断电时，反力弹簧克服真空灭弧室的自闭力使衔铁释放，触点断开。接触器分断电流时，触点间

24、歇中会形成由金属蒸汽和其它带电粒子组成的真空电弧。因真空介质具有很高的绝缘强度，且3电子科技大学硕士学位论文介质恢复速度很快，真空中燃弧时间一般小于 10ms。1.2.2 真空接触器与真空断路器的特点尽管真空接触器不断地向大电流发展，提高到 630A，甚至达到 800A，但同断路器额定电流几 kA，开断几十 kA几百 kA 电流相比较，存在不能覆盖的范围。随着大容量限流熔断器的研制成功，形成真空接触器熔断器组合电器，能在更宽的范围应用真空接触器，为真空接触器的进一步发展奠定了技术基础。真空接触器的额定电流小（如 400A），只能在小容量范围内取代断路器。大容量限流熔断器的研制，解决了真空接触器

25、与大容量限流熔断器配套的问题，从而改变了用真空断路器来替代接触器的历史。真空接触器熔断器组合电器是利用能够开断大范围故障电源的高压熔断器与可频繁操作的真空接触器组合而成的成套电气设备。这种电气设备的优势是既可作频繁操作，起控制作用，又可开断短路电流，作短路保护。它特别适用于电动机的频繁起动或变压器、电容器的频繁投切。它可起到断路器的控制和保护作用。使用真空接触器熔断器组合电器与断路器相比具有其优势，特别是熔断器具有限流速断作用，大大减少了动力电缆的截面积，使之使用电缆的成本大大降低。ABB 对使用熔断器真空接触器组合电气设备与使用断路器所需电缆的成本作了对比，如对电动机电流 45A 而言，开断

26、 31.5kA 时，电缆成本可节约三分之二。同时真空接触器加上熔断器费用远低于断路器，而且接触器的真空灭弧室结构简单，能频繁操作（如机械寿命 100 万次300 万次）而且截流小，操作过电压低。真空接触器应用范围的扩大，给真空灭弧室提出了更多更高的要求1。1.2.3 真空接触器用真空灭弧室由于真空介质的优越性，在 1.1410KV 等级的高压接触器几乎被真空接触器垄断。作为控制电器，对真空灭弧室的要求是可以频繁操作，有足够的机械寿命和电寿命。由于在相当多的情况下它控制的是感性负载，故要求有足够低的截流电压。图 1-2 为一典型的真空灭弧室结构4第一章绪论图 1-2真空灭弧室的基本结构1静导电杆

27、；2静端外罩；3触头；4屏蔽罩；5陶瓷外壳；6波纹管；7动端外罩；8动导电杆首先，在触头结构和材料方面，真空接触器用真空灭弧室与断路器用真空灭弧室不同。由于分断能力要求低，真空接触器用真空灭弧室大多采用平板型触头，由于对绝缘和过电压要求较严，真空接触器多选用低熔点合金以及低截流材料，如：AgWC、CUWC 等。在波纹管的设计和选取方面，为保证其更长的机械寿命和电寿命，其工作行程设计要留有足够的余量，使其机械寿命达 50 万至 100 万次以上。由于对分断能力要求低，真空灭弧室容积小，使一次封排工艺更易实现，而且每次可以封排上百只真空灭弧室，大大降低了成本，提高生产效率2。真空灭弧室是真空接触器

28、的心脏，因此它是真空接触器不可缺少的部件之一。对真空灭弧室的设计和计算，首先是根据使用部门提出的具体要求，它们包括用途，使用场合以及有关技术参数（如额定电压、额定电流、分断能力、工作频率和操作条件等）进行选型和论证分析，然后决定其基本结构，并按选定的基本结构对其组成的各个零部件逐个进行计算。在计算的过程中，往往需要结合一定的模型试验加以验证。如导电杆的发热、触头材料的性能和真空灭弧室的分断能力等。到目前为止，真空灭弧室的设计还不能完全依靠图纸设计来完成，必需将设计好的真空灭弧室，试制成模型经过试验加以验证考核，并反复进行改进才能达到预期的设计要求，然后投入批量生产。1.3 本论文的选题和研究内

29、容真空灭弧室小型化的研究，一直以来都是国际、国内的目标。由于真空介质的优越性，小型化真空灭弧室的直径缩小，原材料节约和工艺费用降低，使得真空灭弧室的生产成本大幅度下降，同时真空接触器可以做得更紧凑。此外，随着真空灭弧室外壳尺寸的缩小，外壳上的真空密封焊缝的长度缩短，真空灭弧室漏气的可能性减小，真空灭弧室的可靠性提高。众多的文献资料对断路器用真空灭弧室的小型化进行了大量的研究，对于真空接触器用的真空灭弧室小型化的研究5电子科技大学硕士学位论文较少。特别对于触头材料，真空断路器要求触头材料有高的开断能力，并不要求特别低的截流水平。真空接触器要求很低的截流电流，却不要求大的开断能力。本课题准备从 E

30、VS400、630 的真空接触器用真空灭弧室出发，（该产品最初为成都国光电气股份有限公司从德国引进的），结合本企业的特点，从触头的工作机理出发，选取真空接触器常用的触头材料，如 CuMo、AgWC、CuWAlTe、WCu 等。根据其化学成分、物理性能不同，设计触头，装配成真空灭弧室，比较各种触头材料的蒸发状况，电流老炼情况，对真空灭弧室耐压及开断电流等。使 ZKTJ500/1.14真空灭弧室的外形尺寸从72.6×174，达到51×96.5，完成小型化的工作。目前本课题，先采用电流成型的方法，模拟真空接触器实际工作情况，开断电流后，分析触头的表面状况、触头内部变化情况（金相照

31、片）、真空灭弧室内部被金属蒸气污染的状况等，确定触头材料和结构。开发出工艺简单同时又具有国内先进水平的新一代小型化真空接触器用的真空灭弧室，使我国真空接触器进入一个小型化、可靠性高的发展阶段。6第二章真空灭弧室的工作机理和参数设计第二章真空灭弧室的工作机理和参数设计真空灭弧室是真空接触器关键的部件，也是真空接触器的心脏。它的性能基本上决定了真空接触器的主要性能。2.1 真空灭弧室的基本结构和工作机理为了完成真空灭弧室小型化的课题，必须对真空灭弧室的基本结构和工作机理都有充分的了解，这样才能了解真空灭弧室的各个零件对其参数性能的影响，使设计变得可行。2.1.1 真空灭弧室的基本结构图 1-2 所

32、示为真空灭弧室的结构。主要由外壳、触头、波纹管、动、静导电杆和其它零件组成2。真空灭弧室由外壳、动、静端外罩、动、静导电杆、陶瓷外壳、屏蔽罩和波纹管组成。为了使真空灭弧室长期维持高真空，其吸附的气体及蒸气在密封之前必须尽量地放出，因此真空灭弧室封接前，应对各个零件进行处理，进行长时间高温加热除气，使金属中的氢、一氧化碳、二氧化碳、氧、氮等气体在高温下放出。真空灭弧室外壳除了要求密封外，还要求一定的机械强度，以使其承受大气压力和运输及运行过程中的机械振动。真空灭弧室的分断能力、电寿命、耐压强度、关合能力、载流过电流及长期导通电流能力等与触头结构和材料有密切的关系。因此触头是组成真空灭弧室的关键元

33、件之一。从触头的结构来看，到目前为止真空接触器均采用平板对接的型式，这主要是由于其它型式的触头都不能满足真空灭弧室的工作条件。用于真空灭弧室的波纹管，由非导磁不锈钢制成，这主要是由于它具有操作寿命长，在制造过程中不受热处理的影响而失去弹性，不易氧化和耐腐蚀性强等优点。真空灭弧室的导电系统由动导电杆和静导电杆组成，一端分别与动、静触头连接，另一端伸出真空灭弧室，见图 1-1。动导电杆伸出真空灭弧室的部分一方面与操作机构相连，一方面与外电路连接。静导电杆伸出真空灭弧室的部分主要和7电子科技大学硕士学位论文外电路连接。2.1.2 真空灭弧室的工作机理图 2-1 为真空灭弧室接入负载的电路。当操作机构

34、使动导电杆向上运动时，动触头和静触头就会闭合，电源与负载接通，电流就流过负载。如果这时动导电杆作相反方向向下运动时，动触头和静触头就会分离，在刚分离的瞬间，触头之间将立刻产生真空电弧，真空电弧是依靠触头上蒸发出来的金属蒸气来维持的，直到工频电流接近零时，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧就被熄灭，触头间隙由导电体变为绝缘体，于是电流被切断。图 2-1 真空开关接入负载的电路1电源；2真空开关；3负载作为真空灭弧室的关键元件触头，其工作的基本原理为电弧理论。一对带电的触头（电流大于一定数值时）在高真空中分离时，它和在空气中或其它介质中的情况一样会产生电弧，但表现的形式和特性有很大的差别。真空

35、电弧产生的过程：在触头刚分离的瞬间，电流将收缩到触头刚分离的某一点或数点上，表现出电阻的急剧增大和温度迅速提高，直至发生金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，这样就会导致强烈的场致发射和间隙的击穿，继之形成了真空电弧，真空电弧一旦形成后，同时出现高电流密度的阴极斑点，它一般在10 4 A/ cm 2 以上，使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发，以维持真空电弧。实质上，真空电弧是一种在金属蒸汽中靠电离的金属蒸汽维持的电弧3。2.1.3 真空电弧对真空灭弧室的影响不管触头表面如何平整，微观上看总是凹凸不平的。两触头接触电阻只有少数表面突起部分接触，通过电流。接触点的多少和接触面积的大小与接触压力有

36、关。当触头在真空中开断电流时，随着触头分开，接触压力减小，接触点的数量8第二章真空灭弧室的工作机理和参数设计和接触面积也随之减少。电流集中在越来越少的少数接触点上，损耗增加，接触点温度急剧升高，出现熔化。随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断裂产生金属蒸气。金属蒸气的温度很高，部分原子可能产生热电离，加上触头刚分离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温、强电场的作用下又会发射出大量电子，并很快形成温度很高的阴极斑点。而阴极斑点又会蒸发出新的金属蒸气和发射电子，这样触头间的放电将转变为自持的真空电弧。由此可见，维持真空电弧的是金属蒸气而不是气体分子，真空电弧后实为金属蒸气电弧。

37、真空电弧有两种显著不同的形态，扩散型真空电弧和集聚型真空电弧。2.1.3.1 扩散型真空电弧真空电弧电流不大时，对于铜阴极来说大约不超过 7-8×10 3 A ，阴极斑点将在阴极表面不停地运动，通常是由阴极中心向边缘运动。当电弧电流增大或减小时，阴极斑点也随着增加或减少。这种有许多阴极斑点存在的真空电弧，跟随着阴极斑点不断向四周扩散，叫作扩散型真空电弧。图 2-2 显示为，电子和正离子依靠自身的动能，除了朝向阳极运动，同时还会向径向密度低的地区扩散，因此呈现出一个圆锥状的微弱发光区域。扩散型真空电弧的阴极斑点的运动具有一定的速度。当阴极表面只有一个阴极斑点时，它的速度只有 0.1-0

38、.5m/s。当存在许多阴极斑点时，它们相互排斥，运动速度大大提高。当电流为数千安时，其速度可达 10m/s，甚至更高。图 2-2 单阴极斑点的圆锥形真空电弧图 2-3 扩散型真空电弧外形示意图（电流 1000A）阴极斑点的这种高速运动，对于真空灭弧室是极为重要和有利的，因为阴极斑点处的电极表面（即触头表面）具有极高的温度，不仅可以使这部分金属电极表面局部熔化，而且温度很可能接近金属的沸点。但是由于阴极斑点的高速运动，所以对阴极斑点经过的电极表面的任何一点来说，都只被加热极短一段时间，只9电子科技大学硕士学位论文有触头表面极薄的一层金属熔化，只要阴极斑点一离开，在微秒数量级内，熔化的金属表面层就

39、会凝固，触头表面也就不可能出现大面积的熔化区域。它对防止真空灭弧室电流过零电弧熄灭后重新形成是有利的。2.1.3.2 集聚型真空电弧对于自由燃烧的真空电弧，当电流超过一定数值时，对铜阴极来说若电流超过10 4 A 左右时，电弧外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，它们相互吸引，结果所有的阴极斑点集聚成一个斑点团，阴极斑点团的直径可达1-2cm。这时阳极上出现阳极斑点，阴极表面和阳极表面均会出现强烈的光柱，阴极光柱和阳极光柱会自由地向电极的四周扩散，成为数条连续的闪光，有时也偶尔与电极平行。真空电弧一旦形成集聚，阴极斑点和阳极斑点便不再移动或以很慢的速度运动，这时阳极和阴极表面被局部

40、强烈加热，导致严重熔化，使触头烧损，这种真空电弧叫集聚型真空电弧。见图 2-3 集聚型真空电弧的弧区有很高的蒸气压，一般略大于一个大气压。不过在远离弧区的地方蒸气压力仍很低。2.2 真空灭弧室设计参数分析设计一个比较理想的真空灭弧室，首先必须了解有关设计参数对真空灭弧室工作特性的影响及各参数之间的关系，然后才能给出满足设计要求的参数选择与相关的结构。2.2.1 截流水平的确定真空接触器的截流现象严重影响了其分断性能和应用范围，因此在设计真空灭弧室时应尽量降低其截流水平。2.2.1.1 截流的定义和有关因素真空介质极好的熄弧特性，使小电流真空电弧过零前就会熄灭。图 2-4 所示为常见的电流过零前

41、的波形。图中的 Ie 一般称为截流水平，取自电流不稳定振荡起始时与正弦曲线上的相交电流值。人们已知，引起截流的原因是阴极（触头）斑点供应金属蒸气不足。这里包括两个方面的含意：作为真空灭弧室本身，触头材料的热物理性能和等离子体的扩散条件等决定了它的截流水平；另一方面作为电路的条件，如电源的负载性质等也都影响着截流水平。10第二章真空灭弧室的工作机理和参数设计图 2-4 真空电弧的截流现象此外，决定截流水平的还有截流的概率特性，包括了这三个方面才有一个完整的截流的定义。作为真空灭弧室的设计主要考虑第一方面而测试截流值时则应全面考虑。完整的截流定义也就隐含了截流的有关因素。首先是真空灭弧室的结构对截

42、流的影响。这可以归纳成为两方面的工作：触头材料的影响与触头结构的影响。表 2-1 金属材料的截流值表 2-1 为金属材料的截流值，但当合金材料作为触头材料时，情况比较复杂。应用多孔的难熔金属（钨、钼等）中浸渍易熔金属（如铜及其合金）组成的合金材料的情况又有不同。这样钨铜合金材料（W80%-Cu20%）的截流值只有 5A6A，比起两种金属自身的截流值要小。又如铜铬合金材料（Cu50%-Cr50%）的截流值只有 4A5A，也比铜、铬材料自身的截流值小。触头材料的热物理性能对截流的影响最大。触头材料的蒸气压越高，截流水平就越低。这是因为蒸气压高就容易在较小的电流下供给维持电弧所必需的金属蒸气。一般而

43、言，触头材料的导热系数或热导电率较小时其截流水平就较低。这是因为材料的热导电率高，阴极（触头）表面的热量散发得就快，阴极（触头）斑点附近的温度就较低，减少了维持阴极（触头）斑点的稳定性2。从降低截流水平的要求来看，触头材料应选择蒸气压高和导热系数小的金属材料。因为蒸气压高，绝缘性能差，热导率低，开断能力也受影响。采用含有高蒸气压材料的合金及金属化合物，可以降低截流而对分断与绝缘的影响不是很大。法拉尔的工作表明4：含两种金属成分的合金，其截流值为两种金属的截流水平的加权平均值。截流值与高蒸气压金属含量的关系如图 2-5 所示5。11材料MoWAgCuAlBi截流值(A)5.76.712217.0

44、7.51618121311.2电子科技大学硕士学位论文图 2-5截流值与合金含量的关系2.2.1.2 电路参数的影响及截流的测试条件电路参数对真空接触器截流的影响也很重要。电源参数对截流水平的影响在一定条件下也会变得较为突出。电弧稳定燃烧的能量来至电源。若电源不能提供足够的电压与峰值电流，引起电弧熄灭。这种截流可能发生在正弦半波的峰值之前，不能真实反映真空灭弧室的截流水平。因此，若要正确反映真空灭弧室本身的截流水平必须有一个合理的测试条件与方法。截流值测试的显著特点是随机性较大，同样交流试验每次的分闸相位也是随机的。这就使相同条件下，开关每次操作时的截流值都有可能不同。这种概率特性可用两个参数

45、表征：平均截流水平与最大截流值。前者表征了真空灭弧室的总体截流水平，可用多次试验的算术平均值表示。最大截流值表明了最大危害程度，是用户最关心的参数。2.2.1.3 截流过电压的防护与抑制方法对于设计者来说，一方面要设计截流值尽可能小的产品，另一方面也要把截流过电压的防护与抑制方法告诉用户，这样可以把开关的可靠性指标提到一个新的高度。有效和常用的保护措施为阻容保护与氧化锌避雷器保护。2.2.2 真空灭弧室的绝缘分析随着电力系统的发展，系统运行可靠性的要求也在不断提高。从而对真空接触器的绝缘性能的要求亦相应提高。对于真空接触器的设计者来说，分析影响绝缘水平的各主导因素，是设计其绝缘性能的前提。对于

46、真空灭弧室如何实测电场分布以求改进，如何用工艺处理进一步提高绝缘性能都是设计者应了解掌握的。关于真空灭弧室静态绝缘的主导因素，动态绝缘的介质恢复过程，及进一步提高绝缘水平的高压老炼、电流老炼技术等，都必须了解。12第二章真空灭弧室的工作机理和参数设计2.2.2.1 静态绝缘的主导因素分析真空间隙的电击穿性质和其它介质中的电击穿完全不同。真空灭弧室内的空气分子密度极低，使它们的平均自由行程大于间隙距离。因此真空间隙的击穿需要在很高的电压下形成场致发射等其它因素才能完成，不能单靠气体分子的碰撞。从理论上推测，场致发射的电场强度要达到 10 7 V/cm 以上时才能形成击穿。实际上真空间隙的绝缘强度受到其它不利因素的影响，在低于这个水平的几个数量级时就有可能击穿。除了场致发射外，还有微粒撞击学说和粒子交换学说。这两种击穿起因在正确选择触头材料和解决工艺处理问题后，一般认为是可以避免发生的。真空灭弧室的静态绝缘水平实际包括两个独立的方面：内部绝缘水平和外部绝缘水平。内部绝缘的主导因素主要有触头与屏蔽罩的材料和形状、触头开距、有效击穿面积、老炼工艺等。如何选择这些参数与形式，对真空灭弧室的设计至关重要的。触头与屏蔽罩的形状