真空灭弧室的触头结构及其应用

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：真空灭弧室触头具有三种典型的结构形式：平板触头，如图7-2a所示；横磁场触头，如图7-2b、图7-2c所示；纵磁场触头，如图7-2d、图7-2e所示。有此触头的真空灭弧室，其开断电流在试验室已达200kA，而且仍有可能开断更大的电流。接着杯状纵向磁场触头结构得到了广泛应用，在国内真空灭弧室中占有很大的比例，成为我国真空灭弧室生产的一个重要特征。

触头是真空灭弧室内最重要的部件，真空灭弧室开断能力的提高，在很大程度上取决于触头的结构。真空灭弧室触头具有三种典型的结构形式：平板触头，如图7-2a所示；横磁场触头（杯状、螺旋），如图7-2b、图7-2c所示；纵磁场触头，如图7-2d、图7-2e所示。其中从平板触头到横磁场触头是一次结构上的重大改进，而从横磁场到纵磁场又是一次重大的改进。

1.平板触头

最初的真空灭弧室采用简单的平板触头。要增大开断电流，就得增大触头截面。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50mm后，继续加大直径，极限开断电流就很少增加了。当电流超过10kA时，真空电弧聚集，并停滞在局部地区，随着电弧温度的上升，产生严重熔焊的点，失去了开断电流的能力。因此，平板触头一般用于开断电流在8000A以下情况。

2.横磁场触头

为了防止触头局部熔焊，利用电弧沿特殊路径流过触头产生横磁场而驱动电弧在触头表面上运动。这种横磁场触头常见的有两种：一种为杯状横磁场触头，如图7-2b所示；另一种为螺旋触头，如图7-2c所示。

杯状触头形状似一个圆形厚壁杯子，杯壁上有一系列斜槽，且使动静触头的斜槽方向相反。这些斜槽实际上构成许多触指，靠其端面接触。当触头分开产生电弧时，电流经斜槽的触头流过，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，每一个电弧都是电弧不大的集聚型电弧，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触头的要低，电磨损也要小。

图7-2 各种触头结构形状

a）平板触头 b）杯状触头 c）螺旋触头 d）纵磁场触头（一） e）纵磁场触头（二）

螺旋触头在触头圆盘的中部有一突起的圆环，圆盘上开有几条螺旋槽，从圆环的外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，在弧柱部分产生与弧柱垂直的横向磁场。如果电流足够大，真空电弧发生集聚，那么磁场会使电弧离开接触圆环，向触头的外缘运动，把电弧推向有螺旋槽的触头表面（称为跑弧面）。一旦电弧转移到弧面上，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，而垂直于触头表面的弧柱就受到了一个作用力F，它的径向分量F₁使电弧朝触头外缘运动，如图7-3所示，而切向分量F₂使电弧熄灭。螺旋触头大大提高了开断能力，可开断40kA电流。

3.纵磁场触头

纵磁场触头沿正极性真空弧柱的轴向施加一个磁场，使之熄弧更为强烈。有此触头的真空灭弧室，其开断电流在试验室已达200kA，而且仍有可能开断更大的电流。纵磁场触头有两种结构形式：一为由装在灭弧室外围的线圈产生纵磁场，如图7-2d所示；另一为触头本身的结构产生纵磁场，如图7-2e所示，这是真空灭弧室迈向大容量的巨大进步。

因为触头结构的先进与否直接影响着真空断路器的整体性能，因而世界各国都在研究新型的触头结构。英国GECAl-stom公司在原杯状横磁的基础上设计出了折叠花瓣（Folded Petal）型触头结构，如图7-4所示，这种结构在增加了横向磁吹电弧的作用后，开断能力与原结构相比有了大幅度提高。在触头直径为35mm的真空灭弧室中，极限开断能力可达12kV/20kA。接着杯状纵向磁场触头结构得到了广泛应用，在国内真空灭弧室中占有很大的比例，成为我国真空灭弧室生产的一个重要特征。但是，自此以后尤其是近几年，真空灭弧室向小型化方面发展的步伐出现了停滞，一直没有出现新一代小型化产品。而今后真空灭弧室的发展方向就是小型化、低成本、高可靠和大容量，这将给真空灭弧室生产及科研人员带来更多的机遇和更大的挑战。而实现真空灭弧室小型化的关键，除了需要掌握先进的生产工艺，更重要的是要开发出一种既能够在触头间产生足够强的纵向磁场，又能够保持结构简单，易于生产的新型触头结构。为了实现这一目标，人们相继对杯状纵向磁场及4×1/4匝线圈式纵向磁场触头结构进行了大量的研究，对其纵向磁场强度及分布进行了计算与分析，对其短路电流开断性能进行了试验。从对多只试品的试验分析中发现，杯状触头结构虽然结构简单、易于生产，但是由于受到杯座斜槽倾角与槽口沿切向旋转角度的限制，产生的纵向磁场强度较弱，在开断短路电流过程中的电弧电压较高，电弧易受外母线电磁力的干扰。通过对试验后试品触头表面烧蚀情况的分析发现，触头表面有效利用率较低，仅为触头表面积的60%～70%。结合杯状及4×1/4匝线圈式纵向磁场触头结构各自不同的特点，开发出一种新型纵向磁场触头结构UAMFE。这种结构拥有一个独特的线圈，不仅能够产生较强的纵向磁场，而且结构简单，易于生产，其基本结构及工作原理如图7-5所示。从图7-5中可以看到，电流沿着导电杆流到触头中心A处，在A处被分成四路后流过触头的径向部分到达线圈扇形辐的B处，从B处再沿着线圈辐的圆周部分流过约180°到达线圈辐的末端C处，从C处再沿一定的方向进入触头内部，然后从触头内部流向触头表面的燃弧区域。在燃弧期间，两触头上下同轴对应放置，在触头间隙中产生一个很强的纵向磁场。在这个强磁场的作用下，电弧被有效地控制在一个较大的区域内燃烧，使电弧能量降低、开断能力提高。

图7-3 螺旋触头工作原理

图7-4 折叠花瓣型触头结构

图7-5 UAMFE触头的基本结构及工作原理

4.电弧形态

在真空灭弧室触头中，当电流瞬时值为10kA以下时，电弧为扩散型。而当电流更大时，电弧聚集。扩散型电弧在触头表面分成许多细弧，触头表面均匀受热，防止了局部过热，这样触头表面烧损更小，有利于提高开断电流和触头寿命。聚集型与扩散型电弧如图7-6所示。图7-7所示为纵磁场和横磁场触头结构和电弧形态，此时必须防止触头局部过热。为此采用横磁场触头，该触头产生的磁力驱动电弧沿燃弧环旋转，这样电弧对触头的烧损分布在整个燃弧环上。纵磁场触头可用于开断更大的电流，此时电弧不再聚集而呈扩散形态。因此，纵磁场的出现是真空灭弧室在技术上的重大改革。

图7-6 聚集型与扩散型电弧示意图

a）聚集型 b）扩散型

图7-7 横磁场和纵磁场触头结构和电弧形态

a）横向磁场触头结构 b）聚集型电弧的电流路径与方向 c）纵向磁场触头结构 d）扩散型电弧的电流分布

A—燃弧环 B—触头座 C—触盘

真空灭弧室的触头结构及其应用

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