优化真空开关的中压触头材料选择

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：真空开关的性能与触头材料密切相关。这种材料由于具有耐压水平高、分断能力强、耐电弧侵蚀特性好及吸气能力强等特点，目前已成为中压真空断路器中各国公认的最佳触头材料。因此，理想的Cu-Cr触头材料的吸气效能比其自身的放气更为有效。

真空开关的性能与触头材料密切相关。任何一次触头材料的发展都会引起真空开关性能的提高或者改善。触头材料分断能力的提高不仅会大大缩小真空灭弧室的尺寸，而且会使真空开关整机的结构更加紧凑。另外也节约了金属及其他材料的用料，尤其可以提高真空开关的可靠性。因此对触头材料的开发及研究一直是真空开关研究的一个重要方面。

最早的真空灭弧室触头材料是纯钨或纯钼，因其分断容量小且截流水平不高而被淘汰；稍后使用了Cu-W触头，但钨在大电流下其热中子发射能力强，使断流容量受到限制；Cu-Bi合金触头研制成功，使高压真空断路器的断流容量达到了一个新的水平；而Cu-Cr触头材料则是性能更优的新一代产品，正在全面取代Cu-Bi合金。这种材料由于具有耐压水平高、分断能力强、耐电弧侵蚀特性好及吸气能力强等特点，目前已成为中压真空断路器中各国公认的最佳触头材料。这种材料之所以具有上述特点是因为材料中的Cu和Cr具有很小的互溶性，Cu与Cr只能以假合金的形式共存，因此材料具有很高的电导率和热导率。在液态下，它们的溶解度随着温度的升高而明显增大；在电弧作用下，触头表面组织能够均匀熔化，而熔化后的Cu在很大的温度范围内被高熔点的Cr粒子稳定住。由于这些弥散化的Cr粒子的作用，使触头表面产生的熔池很浅，这样就减轻了触头在高温下受到的电弧侵蚀，使开断后的触头间隙介质恢复速度得以提高，在开断较大的短路电流时仍可产生很强的熄弧能力。此外，Cu和Cr的饱和蒸气压差很小，在电弧作用区域内不会发生材料成分比例的明显变化，使灭弧室在经过多次开断后，其触头性能仍保持不变。另外，由于Cr对氧的亲和力较大，在每次开断过程中产生的含有Cr金属蒸气的薄膜具有很强的吸气作用，它能够吸收CH₄、CO、N₂、H₂等残余气体。因此，理想的Cu-Cr触头材料的吸气效能比其自身的放气更为有效。目前，中压真空断路器用Cu-Cr合金触头材料主要有两种不同含量的配比：我国目前大多采用的是CuCr50材料，即其中Cu和Cr的重量比各为50%；而国外普遍采用的是CuCr25合金触头材料，即将其中的Cu含量从50%增加到了75%，Cr的含量相应地降至25%。这一变化使得CuCr25材料在开断能力方面比CuCr50材料有了一定程度的提高，但是在抗熔焊能力及耐压水平方面比CuCr50材料稍差。

在触头材料制备工艺方面，也开展了大量研究，总之世界上对触头材料的研究从未停止过，使触头的开断性能更强，并且具有较好的电性能及绝缘性能。

优化真空开关的中压触头材料选择

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