第三節　真空斷路器

一、真空間隙與真空電弧

1.真空斷路器的概念

真空斷路器利用真空度約為10-4Pa（在運行過程中不低于10-2Pa）的高真空作為內絕緣和滅弧介質。真空度就是氣體的絕對壓力與大氣壓的差值，表示氣體稀薄的程度。氣體的絕對壓力值越低，真空度越高。當滅弧室內被抽成10-4Pa的真空時，其絕緣強度比絕緣油、一個大氣壓力下的SF6和空氣的絕緣強度高很多。

2.真空間隙的絕緣性能

真空間隙的氣體稀薄，分子的自由行程較大，發生碰撞游離的概率很小，因此真空間隙具有很高的絕緣強度。當真空間隙在某一電壓下擊穿幾次后，由于觸頭表面的毛刺被沖擊掉，觸頭表面粗糙度降低，真空間隙在該電壓下就不再擊穿了，擊穿電壓將會升高，這種現象叫真空間隙的老化。這是真空間隙獨有的特點。

真空間隙的絕緣強度與很多因素有關，主要與真空間隙的長度、真空度、電極材料、電極表面狀態、形狀和大小、施加電壓的波形和頻率等因素有關。

3.真空電弧的形成與熄滅

（1）真空電弧的形成。

形成真空電弧主要有三個階段。

第一階段，觸頭蒸發形成金屬蒸氣。在觸頭帶電流分離時，由于接觸壓力減小，觸頭由面接觸變為點接觸（觸頭間形成金屬小橋），電流集中通過金屬橋。在分斷過程中，其一，金屬橋被拉長，截面減小，電阻增大，橋上耗散功率大，溫度急劇升高，金屬橋熔化并產生高溫金屬蒸氣；其二，觸頭表面結合不牢固的金屬團粒（如金屬加工時殘留的毛刺），在靜電場力的作用下，離開電極表面，加速通過真空間隙轟擊電極，使電極和團粒的溫度升高，蒸發出高溫金屬蒸氣；其三，觸頭表面尖端突起部分的電場極強，因強電場發射自由電子所形成的電子束（預放電電流，其值為10-5～10-3A）轟擊陽極，也可使陽極發熱，蒸發出金屬蒸氣。

第二階段，自由電子穿過高溫金屬蒸氣。運動中帶電的金屬團粒與電極間形成強電場，此電場可使團粒和電極表面發射大量自由電子。當高速運動的自由電子穿過高溫金屬蒸氣云時，使金屬原子電離產生帶電離子。離子的定向移動形成傳導電流。

第三階段，形成陰極斑點。電極表面發射自由電子的尖端或突起，很快發展成陰極斑點，其溫度極高，不斷蒸發金屬蒸氣，補充金屬蒸氣的損失，陰極斑點發射的電子又電離金屬蒸氣，補充離子的損失，觸頭間的預放電電流就轉變成真空電弧。

因此，真空電弧的形成是一個電離過程。陰極斑點是真空電弧的生命線。真空電弧是電離狀態的金屬蒸氣電弧。

（2）真空電弧的形態

①擴散型電弧　當電弧電流小于100A時，觸頭間只存在一束電弧，觸頭上只有一個陰極斑點，并在觸頭表面做不規則的運動。當電弧電流大于100A、小于6kA時，陰極斑點會從一個分裂為若干個，并在陰極表面不斷向四周擴散，電弧以許多完全分離的并聯電弧的形態存在。這種形態的電弧為擴散型電弧，如圖2-19（a）所示。

②集聚型電弧　當電極上電弧電流大于10kA時，陰極斑點受電磁力的作用相互吸引，使所有的陰極斑點集聚成一個運動速度緩慢的陰極斑點團（其直徑可達1～2cm），形成單束大弧柱，且電極強烈發光，觸頭表面將出現熔坑，這種形態的電弧稱為集聚型電弧，如圖2-19（b）所示。

（3）電弧的熄滅

對擴散型電弧，電流過零時，真空電弧熄滅。陰極斑點所造成的熔區在電弧熄滅后10-8～10-7s內便凝固，陰極和陰極斑點便不再向弧柱區提供電子和金屬蒸氣，而殘余的等離子體內的各種粒子在數個微秒內向四周擴散完，弧區介電強度迅速提高，實際上已變成了真空間隙，足以承受很高的恢復電壓而不致擊穿。擴散型電弧過零后很容易熄滅。

對集聚型電弧，電流過零時，電弧熄滅，但觸頭表面有面積和厚度相當大的熔區，這些熔區需要毫秒數量級的時間才能冷卻，在這段時間內，電極仍向弧區輸送大量金屬蒸氣和帶電粒子，在恢復電壓上升過程中，弧區相當于一個充氣間隙，不可避免要發生重新擊穿。只有當觸頭開距足夠大，陰極斑點產生的金屬蒸氣不足以維持帶電粒子擴散時，真空電弧才熄滅。故集聚型電弧難以熄滅，應設法避免。一般在觸頭結構上采取措施，防止觸頭表面發生過分嚴重的局部熔化和燒損。

總之，真空電弧的熄滅，主要取決于觸頭的陰極現象、電極發熱程度及離子向弧柱外迅速擴散的作用。

二、真空斷路器的分類

按照不同的分類方法，真空斷路器可分為以下幾種。

①按真空滅弧室的布置方式分為落地式、懸掛式、綜合式和接地箱式等。

②按真空滅弧室的外殼分為玻璃外殼式、陶瓷外殼式兩種。

③按觸頭形狀分為橫磁吹式、縱磁吹式兩種。

真空斷路器由真空滅弧室、絕緣支撐、傳動機構、操作機構、機座（框架）等組成。目前的城市軌道交通供電系統中，一般在35kV（或者35kV）、10kV電壓等級采用真空斷路器，并且與其他電器組合后被封裝在SF6組合電器（GIS）或者在空氣組合電器（AIS）中。

三、真空滅弧室

真空滅弧室是真空斷路器中的核心部件，其結構如圖2-20所示。真空滅弧室的外殼是由絕緣筒、兩端的金屬蓋板和波紋管所組成的密封容器。滅弧室內有一對觸頭，分別焊接在各自的導電桿上，波紋管的另一個端口與動端蓋的中孔焊接，動導電桿從中孔穿出外殼。由于波紋管可以在軸向上自由伸縮，所以這種結構既能實現在滅弧室外帶動動觸點作分合運動，又能保證真空外殼的密封性。

下面簡要地介紹滅弧室中主要部件及各部分的作用。

①外殼。外殼是真空滅弧室的密封容器，它不僅要容納和支持滅弧室內的各種部件，而且當動、靜觸頭在斷開位置時起絕緣作用。因此，整個外殼通常由絕緣材料和金屬組成。對外殼的要求首先是氣密封要好；其次是要有一定的機械強度和絕緣性能。

②波紋管。波紋管既要保證滅弧室完全密封，又要在滅弧室外部操動時使觸頭作分合運動。常用的波紋管有液壓成形和膜片焊接兩種形式，所用材料以不銹鋼為最好。波紋管的側壁可在軸向上伸縮，其允許伸縮量決定了滅弧室所能獲得的觸頭最大開距。一般情況下，波紋管的疲勞壽命也決定了滅弧室的機械壽命。

③屏蔽罩。觸頭周圍的屏蔽罩主要是用來吸附燃弧時觸頭上蒸發的金屬蒸氣，防止絕緣外殼因金屬蒸氣的污染而引起絕緣強度降低和絕緣破壞，同時，也有利于熄弧后弧隙介質強度的迅速恢復。屏蔽罩還能起到使滅弧室內部電壓均勻分布的作用。在波紋管外面用屏蔽罩，可使波紋管免遭金屬蒸氣的燒損。

屏蔽罩的導熱性能越好，其表面冷卻電弧的能力也就越好。因此，制造屏蔽罩常用材料為無氧銅。

④觸頭。觸頭是真空滅弧室內最為重要的元件，滅弧室的開斷能力和電氣壽命主要由觸頭狀況來決定。目前真空滅弧室的觸頭系統，就接觸方式而言，都是對接式的。根據觸頭開斷時滅弧的基本原理的不同，可分為非磁吹觸頭和磁吹觸頭兩大類。

非磁吹型圓柱狀觸頭最簡單，機械強度好，易加工，但開斷電流小。

磁吹觸頭又分為橫向磁吹觸頭和縱向磁吹觸頭兩類，如圖2-21、圖2-22所示。對橫向磁吹觸頭，當斷路器分閘時，觸頭間產生電弧，由于觸頭的特殊結構，電弧電流產生橫向磁場，對電弧進行橫向吹弧，提高了滅弧能力。對縱向磁吹觸頭，當開斷電流時，由于流過線圈的電流在弧區產生一定的縱向磁場，使電弧電壓降低和集聚電流值提高，極大地提高了觸頭的開斷能力和電氣壽命。

四、真空斷路器的使用

1.操作過電壓及其抑制

用真空斷路器斷開電路時，可能會出現操作過電壓，主要形式如下。

①截流過電壓　所謂截流就是強制交流電流在自然過零前突然過零的現象，由于電路中存在電感，因此會發生過電壓。

②切斷電容性負載時的過電壓　這是因熄弧后間隙發生重擊穿而引起的。所以，真空斷路器的重擊穿概率越小越好。

③高頻多次重燃過電壓　是因為斷路器開斷感性電流時，當間隙被擊穿后電弧重燃，因電路參數影響，擊穿后電流中含有高頻分量，當高頻分量的幅值很大時，受其影響，間隙被反復擊穿，使負載側的電壓不斷升高，從而產生較高的過電壓。

操作過電壓對其電氣設備尤其是電機繞組絕緣危害很大，因此，必須采取抑制方法。常用的方法如下。

①采用低電涌真空滅弧室。這種滅弧室既可降低截流過電壓，又可提高開斷能力。

②在負載端并聯電容。既可以降低，也可減緩恢復電壓的上升陡度。

③在負載端并聯電阻和電容。它不僅能降低截流過電壓及其上升速度，而且在高頻重燃時可使振蕩過程強烈衰減，對抑制多次重燃過電壓有較好的效果，電阻一般選100～200Ω，電容選0.1～0.2μF。

④串聯電感。可降低過電壓的上升陡度和幅值。

⑤安裝避雷器。用它限制過電壓的幅值。

2.真空斷路器優缺點

根據斷路器的機構特點和適用范圍，斷路器的優缺點有：觸頭開距小，動作快；燃弧時間短，觸頭燒損輕；壽命長，適于頻繁操作；體積小，結構緊湊，真空滅弧室不需檢修，維修工作量小；防火、防爆性能好；制造工藝復雜，造價高；監視真空度變化的簡易裝置尚未解決；開斷小電流時，有可能產生較高的過電壓，需采取降低過電壓的措施。

3.真空斷路器真空度檢查

①測量動、靜觸頭兩端的絕緣電阻。用1000V兆歐表，絕緣電阻>500MΩ，說明真空度良好。

②耐壓試驗。動、靜觸頭間施加交流工頻電壓，耐壓1min，無擊穿為真空度良好。

③用真空度檢測儀檢查。用真空度檢測儀可直接測出真空度值。

這樣通過定期的檢查、測量，就可以掌握真空度變化的狀況及趨勢，防患于未然，確保斷路器安全可靠地運行。