第四章 真空斷路器檢修

第一節 真空斷路器的基本結構

一、真空斷路器的優、缺點1.真空斷路器的優點

（1）在密封的容器中熄弧，電弧和熾熱氣體不外露。滅弧室作為獨立的元件，安裝調試簡單、方便。

（2）觸頭間隙很小，一般在10mm左右，合閘功小，機構簡單，使用壽命長。（3）熄弧時間短，弧壓低，電弧能量小，觸頭損耗小，開斷次數多。

（4）動導桿的慣性小，適用于頻繁操作。（5）操作機構小，整機體積小，重量輕。（6）控制功率小，開關操作時動作噪音小。

（7）滅弧介質或絕緣介質不用油，沒有火災和爆炸的危險，安全。

（8）觸頭部分為完全密封結構，不會因潮氣、灰塵、有害氣體等影響而降低其性能。工作可靠，通斷性能穩定。

（9）真空斷路器開斷后斷口間介質恢復快，介質不需要更換。

（10）在真空斷路器的使用年限內，觸頭部分不需要維修、檢查，一般可達20年左右不需檢修。維護工作量小，維護成本低，僅為少油斷路器的1/20左右。

（11）具有多次重合閘功能，適合配電網中應用要求。2.真空斷路器的缺點

（1）對開斷感性小電流時，斷路器滅弧能力較強的觸頭材料容易產生截流，引起過電壓，應采取相應的過電壓保護。

（2）價格較高，主要決定于真空滅弧室的專業生產及機構可靠性的要求，如果綜合考慮運行維護費用，價格并不高。

二、提高高壓真空斷路器動作的可靠性

（1）掌握真空斷路器的基本結構，熟悉其技術性能指標，合理選擇使用條件。（2）認真做好高壓真空斷路器機械參數調試工作。

（3）規范備品備件管理和儲存，保證備品備件的技術性能指標和質量的一致性、通用性和可靠性。

（4）做好高壓真空斷路器的運行記錄和事故分析，總結經驗，和制造部門通力合作，不斷提高真空斷路器的先進性、可靠性和經濟性。

真空斷路器電氣壽命、機械壽命、不檢修周期均優于SF₆ 斷路器。由于高真空度的

熄弧特性，在動作暫態過程中易產生較高的內部過電壓，引起真空斷路器的重燃或者重擊穿。所以，在使用中對于設備之間的絕緣配合及限制操作過電壓的技術措施應給以重視。在SF₆斷路器或真空斷路器的選擇中，應根據具體情況而定，不能盲目圖其所好。

三、真空斷路器滅弧室

真空斷路器的基本結構如圖4 1所示。型號不同的真空滅弧室按用途、參數、開斷容量可分為斷路器用真空滅弧室、負荷開關用真空滅弧室、接觸器用真空滅弧室、重合器用真空滅弧室和分段器用真空滅弧室。其結構形式均由氣密絕緣外殼、導電回路、屏蔽系統、波紋管等部分組成。

1.真空滅弧室的基本結構

（1）氣密絕緣系統。由玻殼（或陶瓷殼）及動、定端蓋板、不銹鋼波紋管組成氣密絕緣系統，起氣密絕緣作用。

（2）導電回路。主要由一對觸頭（電極），動、定觸頭座，動、定導電桿組成，起接通與斷開回路的作用。

圖4 1 真空斷路器的基本結構

（3）屏蔽系統。該部分通常由環繞觸

頭四周的金屬屏蔽筒構成，主要作用是防止觸頭在燃弧過程中產生的大量金屬蒸氣和液滴噴濺、污染絕緣外殼的內壁，造成管內絕緣強度下降。其次還可以改善管內電場分布，并吸收電弧能量，冷凝電弧生成物，提高真空滅弧室開斷電流的能力。

（4）波紋管。波紋管是由厚度為0.1～0.2mm的不銹鋼制成的薄壁元件，是真空滅弧室的一個重要的結構零件，它使動觸頭在真空狀態下運動成為可能，是保證真空滅弧室機械壽命的重要零件。真空滅弧室在安裝、調整及使用過程中，應避免波紋管受過量的壓縮，過量的拉開，以確保波紋管的使用壽命。

真空斷路器的真空處理是通過專門的抽氣方式進行的，真空度一般達到1.33×10^-3～1.33×10^-7Pa。

2.真空滅弧室的基本工作原理

真空滅弧室是用密封在真空中的一對觸頭來實現電力電路的接通與分斷功能的一種電真空器件，是利用高真空度絕緣介質。當其斷開一定數值的電流時，動、定觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的某一點或某幾點上，表現電極間的電阻劇烈增大和溫度迅速提高，直至發生電極金屬的蒸發，同時形成極高的電場強度，導致劇烈的場強發射和間隙的擊穿，產生了真空電弧，當工作電流接近零時，同時觸頭間距的增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質迅速由導電體變為絕緣體，于是電流被分斷，開斷結束。

真空開關管觸頭的結構根據開斷電流的大小有所不同，圖4 1所示的觸頭，可以開斷電流的大小與觸頭的直徑大體上成正比。因此，對于開斷小電流的負荷開關和接觸器時，可以采用圖4 1的簡單對接觸頭結構；當用于開斷大電流的斷路器時，為了提高開斷能力，增強滅弧的效果和滅弧能力，在觸頭上的周圍裝上旋弧盤或在電極上開以旋弧槽。

四、觸頭的結構

觸頭的結構對真空斷路器的開斷能力有很大的影響，上述的對接盤式觸頭，極限開斷電流的能力僅能達到數千安，受陽極斑點的限制不能開斷過大的電流。為了提高開斷電流，推出了橫向磁場及縱向磁場的結構型式，開斷電流可達到40～50kA。

1.橫向磁場

螺旋槽形橫向磁場觸頭結構如圖4 2所示。橫向磁場就是與弧柱軸線相垂直的磁場，它與電流的相互作用產生電動力使弧柱運動；避免電極表面局部過熱；抑制或推遲陽極斑點的產生，這對提高極限開斷能力有明顯效果。磁場是靠觸頭中的電流流線產生的，上、下兩觸頭具有對稱的螺旋線。當觸頭間形成電弧時，電流流經上、下螺旋線，在觸頭間（弧柱上）產生的磁場為半徑方向，在弧柱中的電流作用力作用下驅使電弧沿圓周方向運動，在觸頭表面不斷地旋轉，因此電弧產生的熱量能均勻地分散在較大范圍的面積上，減輕局部過熱現象。這類觸頭在20世紀60年代的真空開關產品中使用取得較好效果，使當時的產品開斷電流提高到30～40kA。

圖4 2 螺旋槽形橫向磁場觸頭結構（a）觸頭；（b）電流路徑；（c）磁場力方向

1—銅合金基弧觸頭；2—銅基觸頭；i—電弧電流；i，i₂—電弧電流分量；

F—橫向磁場力；B—橫向磁場

橫向磁場有阿基米德螺旋槽形和斜槽形兩種，如圖42和圖43所示。當電弧電流流經橫向磁場觸頭時，由磁場B產生橫向作用力F來驅使真空電弧不斷在觸頭表面運動，使電弧擴散直至滅弧。

2.縱向磁場

當電弧電流流經縱向磁場觸頭時，產生的真空電弧具有擴散型電弧的基本特性，然后再由擴散型電弧轉變到集聚型電弧直至滅弧。

（1）單極型縱向磁場（圖4 4）的動、靜觸頭上的線圈完全相同，當電流流過觸頭及線圈時，其方向一致，電流在弧區內產生縱向磁場，在縱向磁場作用力的作用下進行滅弧，可以大大提高分斷能力。

（2）多極型縱向磁場觸頭電弧電流的途徑、大小、方向以及縱向磁場極性表示在圖4 5上。

可見4個磁力線的極性在對角的1/2區域是相同的，同時在軸中心上由于A、B或者C、D磁場相互抵消而沒有磁場，并不產生渦流效應，而在電弧電流到達峰值時能產生較大的縱向合力磁場，在電流為零時剩余磁場相當低。由此，縱向磁場對提高真空斷路器的

圖4 4 單極型縱向

圖4 3 斜槽形橫向磁場觸頭

磁場觸頭

1—銅合金基弧觸頭；2—銅基

i—電弧路徑；F—縱向

觸頭；i—電弧電流

磁場力

圖4 5 多極型縱向磁場觸頭

（a）觸頭；（b）磁力線極性圖

i—電弧電流；F₁，F₂—縱向磁場力；A，B，C，D—磁場

區域；a，b，c，d—電弧電流路徑

分斷能力是十分有效的。

五、真空斷路器的材料

真空斷路器上使用的材料必須能長期地保證其原有的特性，在多次或長期的使用條件下不產生變化及損壞，為此必須很好地加以考慮，即應能耐受并符合真空斷路器制造上的加工條件及組裝條件；氣體的滲透量要小，確保真空開關管的真空度不應降低；放氣量小，特別是燃弧區的觸頭，必須經過充分地脫氣處理。下面介紹主要零部件的材料。

1.觸頭材料

對觸頭材料的主要性能要求：①抗熔性好；②絕緣強度高；③電流遮斷能力大；④截斷電流低；⑤接觸電阻小，容易導電的材料；⑥含氣量少的材料。

選用的材料還涉及到其加工方法。銅之類的材料可在真空條件下熔煉，而鎢類材料由于不用粉末冶金無法加工，因而易殘留氣體。所以，鎢類材料作為開斷大電流觸頭是不合適的。

真空斷路器對觸頭材料所要求的主要要求為抗熔性、絕緣強度、開斷性能、截流值與材料的機械強度、蒸氣壓、熱傳導率。從表41～表43中可以看出，所要求的特性相互是有矛盾的。特別是要提高開斷能力與降低截流值這兩種特性完全相抵觸。因此，用一種材料是不可能滿足真空斷路器所有特性的要求，即使純金屬也是不可能的。目前，都是根據真空斷路器的具體規格來選用合適的觸頭材料。比如在用于接觸器時，以考慮截流值小為主；用于負荷開關時，以絕緣強度為主；用于斷路器時，以開斷能力為主。

表4 1

兩 類 材 料 比 較

表4 2

觸頭材料與絕緣強度（觸頭開距為1mm時）

表4 3

觸頭性能要求與材料物理特性的關系

2.絕緣外殼

目前，一般都用玻璃或陶瓷做真空滅弧室的絕緣外殼。如采用玻璃，要在硬質玻璃圓筒的兩端，用熱膨脹系數與這相似的合金材料作為密封材料。用陶瓷作為外殼時，則把高純度的氧化鋁瓷件與特別的合金封焊。采用玻璃材料時，加工比較方便，造價低，但主要用于電流較小的場合。對陶瓷材料，技術性能好，但加工工藝要求高，相應的價格也較貴。

3.波紋管

金屬波紋管使用的材料主要有磷青銅和不銹鋼。由于真空斷路器在制造過程中要熱加工，使磷青銅的操作壽命明顯降低。因此，現在都采用不銹鋼來制作。

按波紋管的結構種類，可分為模壓波紋管和焊接波紋管。制作模壓波紋管時，先將薄

的金屬板做成細長的管子，再用液壓成型機把它壓成所需的形狀。制造焊接波紋管時，先

將波紋管沖壓成環形，疊合好再把內外壁焊上。與模壓波紋管相比，焊接波紋管的節距

小，波節多，且耐壓力也大。如果尺寸相同，焊接波紋管的壽命要長得多。但是由于它的

成本高，實際上很少使用。真空斷路器的壽命，主要考慮在頻繁的重復運動下，保證完好

的密封、彈性效果。