固封极柱用真空灭弧室
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摘 要：固封极柱式真空断路器以其绝缘性能好、可靠性高、机械寿命长以及体积小等有点成为当代真空断路器的更新换代产品，因此对真空灭弧室的各项指标提出了更高的要求。该文从短路开断能力、绝缘水平、接触电阻和机械寿命等方面阐述了固封极柱用真空灭弧室的设计特点和生产工艺。
关键词：固封极柱;短路开断能力;绝缘水平;接触电阻;机械寿命
中图分类号：TM56 文献标志码：A
0 前言
真空灭弧实的绝缘水平是衡量真空断路器除短路开断能力之外的一个重要指标，因此也是制约真空断路器发展的一个关键因素。真空灭弧室的外部绝缘由空气绝缘发展成复合绝缘，进而演变成固封绝缘。
固封极柱的优点是具有极高的绝缘性能和强大的抵御外界影响能力，适用于高温、高湿、高海拔等全环境使用场合。
正是固封极柱产品以上这些优点，固封极柱产品的出现，对真空灭弧室提出了更高的要求。这主要表现在：
（1）由于固封极柱的应用，使真空灭弧室外部绝缘得以充分地保证，因此在同一电流等级和电压等级的前提下真空灭弧室可以做得更小，这即是降低产品成本的需要，也满足真空开关在某些使用场合占地面积的要求，更符合环保的理念。
（2）由于固封极柱的整体性特点，决定了其散热条件相对恶劣，温升便成了开发此类产品的重点，因此减少真空灭弧室的回路电阻也成了极柱式真空灭弧室的一大重点课题。
（3）为了满足固封极柱的免维护特点，灭弧室的设计必须考虑提高使用寿命，以降低断路器的使用与维护成本，常规1万次的机械寿命已无法满足固封极柱式真空断路器的要求，通常要达到3万次的机械寿命。
1 固封极柱用真空灭弧室的设计
为满足固封极柱用真空灭弧室的要求，该公司改变了传统的设计理念，采用自主研制的纵磁均布式触头结构和零件自定位的设计思路，生产工艺上也改变了传统的装配焊接方式，采用“纯一次封排”工艺，研制出满足市场要求的固封极柱用真空灭弧室。
1.1 纵磁均布式触头结构的设计—提高短路开断能力
目前国内真空灭弧室多数采用的触头结构是杯状六槽纵磁结构，开断时触头实际有效利用面积仅为70%左右，主要是因为杯状六槽纵磁结构由于自身斜槽倾角及斜槽旋转角度的限制，产生的纵向磁场强度相对较弱，而且沿径向磁场强度迅速减弱，较大的边缘部分得不到利用。
为了满足真空开关管小型化要求，我们自行研制设计出一种新型纵磁均布式触头结构。该结构不仅能够产生较强的纵向磁场，而且结构简单，易于生产。
在此结构中引入了铁磁材料，采用特殊手段抑制了涡流。铁磁材料的引入，增加了触头边缘处的纵向磁场，从而使触头表面的纵向磁场更加均匀。在燃弧期间，真空电弧在均匀磁场的作用下，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。
1.2 灭弧室内部电场分布设计—提高内部绝缘水平
由于产品的进一步小型化，电场的分布变得尤为重要。产品内部电气间隙缩小后仍需承受标准所规定的绝缘电压，这就需要对内部电场进行优化分析与测算，借助计算机分析软件对开灭弧室部结构进行了多次电场计算，对内部各部件结构进行多次修改设计，优化后的内部电场分布均匀，降低了瓷壳内表面沿面的电场强度及三相界面的电场强度，消除了主屏蔽罩两端口处的尖峰电场，改善了屏蔽罩的均压作用。
另外还对主屏蔽罩与导电杆之间的间隙进行了改进。改进后触头间隙中的电场强度有了一定程度的降低，进一步缓解了主间隙间的电场应力，提高了介质恢复速度。
通过软件的分析不断地对内部各零部件尺寸、形状、位置等进行调整，最终的结果是使灭弧室内部各处电场强度尽量分布均匀，消除各处可能出现的尖端电场，以有效地降低瓷壳内表面沿面的电场强度及三相界面的电场强度，从而提高产品的绝缘强度及弧后介质恢复速度。
优化设计后尽可能使真空灭弧室内中间屏蔽罩上的电位为50%，动静端两端对称分布，电场分布基本均匀，三相界面处得到了有效的屏蔽，无电场集中现象，这就有效地保证了体积减小后對电压的耐受能力。
1.3 灭弧室接触电阻的减小
纵磁均布式触头结构已经较好地解决了开断电流所需的磁场问题，基本满足了固封极柱产品的需要，但结合降低接触电阻的要求，在空间允许的情况下，我们又从触头和杯座2个方面做了进一步的改进。
（1）在保证开断能力的前提下，将触头厚度由原来的5 mm减薄至3 mm，直径不变。同时，将触头表面的环形槽尺寸加大，这样有利于接触电阻的减小。
（2）将杯座外径增大、高度缩小。如果为了满足磁场的需要，按照原来的铣槽方式，必然削弱杯座每个杯指的强度，甚至有可能无法实现，借助于Solidworks软件对其进行多方案的优化，通过调整铣槽的位置和斜槽的倾角，最终选定了较为理想的铣槽方式，既能满足磁场的要求，又有利于降低接触电阻。
1.4 灭弧室机械寿命的提高
机械寿命一般是由真空灭弧室的波纹管决定的。而波纹管的寿命既与设计有关，又与其使用状态有关。
从设计角度考虑，选用优质的波纹管材料、选择合适的波纹管波数、保持合理的开距以及在真空灭弧室的生产过程中避免波纹管多次进炉等都是增加波纹管使用寿命的行之有效的方法。
我们在选择固封极柱用真空灭弧室的波纹管时，首要考虑的是选用含碳量低的不锈钢材料，使波纹管的耐腐蚀性有所提高。
其次，在真空灭弧室满足绝缘水平的前提下，设计开距不要过大，或适当增加波纹管的波数，让工作位移量不要超过波纹管自由长度20%。
2 生产工艺的保证
2.1 装配工艺
整个装配工艺采用一次封排工艺结构，这种新型的装配焊接方式省去了原来的动静端管芯装配、屏蔽筒组合装配以及波纹管组合装配，提高了生产效率和生产能力，消除了人机环境对部件的二次污染，提高了真空灭弧室内部真空度及洁净度，有利于提高灭弧室的开断性能及绝缘水平。
2.2 老炼工艺
2.2.1 大电流老炼
大电流老炼就是真空灭弧室通以数百安培较大电流的同时拉开触头，使触头间产生扩散型电弧，燃烧的电弧剥除了触头表面覆盖着的脏物、氧化物和气体，使触头表面成为完全新鲜的活性表面，起到了净化触头表面的作用。
固封极柱用真空灭弧室在进行大电流老炼时需要注意的问题就是防止老炼规范过重，使触头表面烧损严重，影响绝缘水平，尤其是影响冲击耐压水平。
2.2.2 高压老炼
选择合适的老炼升压速度、老炼电压值和电压稳定时间、老炼开距，再配以合适的外绝缘保护措施，使固封极柱用真空灭弧室老炼效应进行得更彻底，可以改善触头和屏蔽罩的表面状况，提高了真空灭弧室的击穿电压和长期工作电压下的稳定性，同时也可以提高其短路开断能力和动态绝缘水平。
3 结语
固封极柱的优点是具有极高的绝缘性能和强大的抵御外界影响能力，适用于高温、高湿、高海拔等全环境使用场合。
近些年固封极柱产品的研究与开发，逐步成熟，成品率有了较大的提高，但仍存在很多问题和不足，象产品质量不稳定、固封极柱价格过高等。
固封极柱开发推广，需开关厂家和灭弧室厂家的联手和共同努力，生产出适应固封极柱特点的真空灭弧室，推动真空开关市场的快速发展。
参考文献
[1]赵力楠.固封极柱真空灭弧室瓷壳长度的优化设计[J].高压电器，2017（3）：97-100.
[2]刘卫荣.固封极柱用真空灭弧室[J].电器工业，2004（8）：48.
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