真空滅弧室小型化電極設計的初步探討

　　真空滅弧室的小型化依賴(lài)于電極在小型化方面的進(jìn)步。本文立足于目前主流參數最小直徑尺寸，設計橫磁和縱磁各兩種電極進(jìn)行實(shí)驗論證，并提出進(jìn)一步的改進(jìn)研究方案。

　　真空滅弧室的小型化依賴(lài)于電極的小型化，滅弧室直徑的縮小將會(huì )直接影響產(chǎn)品的開(kāi)斷能力、通流能力以及絕緣性能，不利于產(chǎn)品的性能的提高，而且過(guò)小的產(chǎn)品尺寸還會(huì )導致制造成本的增加。作為使用于小型化高參數結構中的電極，除了應具有小的體積外，還應具備如下兩個(gè)主要特點(diǎn)：①具有較強的短路電流開(kāi)斷和多次開(kāi)斷能力，且性能穩定;②具有很好的導流能力，同時(shí)還具有諸如易加工、易裝配、焊接后不變形、成本低等特性。

　　12kV下開(kāi)斷31.5kA是目前通用性最強的真空滅弧室電氣參數，各滅弧室制造廠(chǎng)采用的尺寸較小的是直徑58mm的滅弧室，有單級縱磁場(chǎng)和兩級縱磁場(chǎng)兩種。前者的優(yōu)點(diǎn)是磁場(chǎng)均勻，具有穩定開(kāi)斷31.5kA 的能力，缺點(diǎn)是導流能力不是很好，而且觸頭座的加工性能較差，零件成本高，與常規的大電極相比并沒(méi)有達到小型化后降低成本的作用，而且觸頭座無(wú)法實(shí)現與導電桿的整體成型。后者的優(yōu)點(diǎn)是電阻小，滅弧室的溫升特性較好，缺點(diǎn)是磁場(chǎng)分布很不均勻，強磁場(chǎng)的區域很小，使得短路電流開(kāi)斷穩定性較差。

　　本文針對真空滅弧室小型化的需要，設計不同的電極結構，分析其磁場(chǎng)分布，并通過(guò)實(shí)驗對其性能進(jìn)行初步的研究分析。

1、實(shí)驗電極結構及其磁場(chǎng)分析

　　實(shí)驗中滅弧室直徑為58mm，設計了兩種電極結構對比分析其性能。一種是高度為18mm 的杯狀橫磁電極結構，另一種是高度為22mm的杯狀縱磁電極結構。

　　采用杯狀橫磁的主要原因是這種電極的電阻值很小，而且與螺旋槽橫磁結構相比觸頭表面有效利用面積大且更易加工。比較80年代產(chǎn)品與現在產(chǎn)品的橫磁電極的差別，可以發(fā)現開(kāi)斷31.5kA電流的電極直徑從最初的76mm縮小到現在的55mm，不變的是開(kāi)槽數都是16個(gè)以及開(kāi)槽沿軸向的分量尺寸都是12.5mm。分析認為16個(gè)槽數是保證所謂“半集聚弧”減少觸頭面燒損的重要因素，而軸向的分量尺寸12.5mm 則為了保證提供足夠的橫向磁場(chǎng)。最終確定實(shí)驗的電極結構參數為16槽，開(kāi)槽切入角35°，沿軸向的分量尺寸為14mm。針對杯狀橫磁電極在承受壓力后會(huì )變形從而影響其使用這一缺陷，在環(huán)型觸頭內孔中設置了支撐環(huán)，真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為該零件的引入不但徹底增強了該電極的強度，使上述軸向的分量尺寸14mm甚至更高成為可能，并且實(shí)現了觸頭焊接的自定位。

　　實(shí)驗中的縱磁電極是杯狀四槽結構，開(kāi)槽切入角22°，旋轉角123°，通過(guò)銑去開(kāi)槽觸指30°來(lái)達到延長(cháng)轉角的目的。對于四槽結構觸頭邊緣磁場(chǎng)較弱的缺陷，用鐵質(zhì)的聚磁環(huán)來(lái)加強。采用Ansoft.Maxwell電磁場(chǎng)仿真分析工具，對采用加長(cháng)電流路徑和邊緣磁場(chǎng)加強后的電極進(jìn)行了磁場(chǎng)分析，結果如圖1所示。不同電流路徑得到不同的磁場(chǎng)分布曲線(xiàn)分布，顯然僅是磁場(chǎng)數值有變化，分布方式并沒(méi)有變化。磁場(chǎng)邊緣加強后電極的磁場(chǎng)分析結果如圖中曲線(xiàn)6所示，呈現出邊緣高中間低的磁場(chǎng)分布。這種磁場(chǎng)有助于提高短路開(kāi)斷能力，提升電弧分斷后絕緣的恢復速率，從而達到減小電極尺寸，實(shí)現真空滅弧室小型化的目的。

圖1　軸向磁場(chǎng)在電極中心平面的分布

2、實(shí)驗方法及結果分析

　　2.1、實(shí)驗方法

　　對實(shí)驗的兩種電極裝管后，進(jìn)行回路電阻和開(kāi)斷能力測試，開(kāi)斷能力測試在如圖2所示的大功率電流合成回路實(shí)驗線(xiàn)路上進(jìn)行�？紤]到所用實(shí)驗回路與國家實(shí)驗站的具體實(shí)驗回路存在幾方面差別，如額定開(kāi)距下電弧點(diǎn)燃、燃弧時(shí)間固定為10ms，合閘不帶電也沒(méi)有觸頭壓力，試驗中選擇同參數的市售滅弧室(代號A)作為對比依據。選擇該滅弧室主要是因為其電極經(jīng)過(guò)較多的驗證，表明具有可靠開(kāi)斷31.5kA 短路電流的能力，且開(kāi)斷能力裕量不是很大。具體實(shí)驗方式從22kA開(kāi)始逐步測試開(kāi)斷能力的上限值，然后解剖觀(guān)察內部的燒損情況，確定電極多次開(kāi)斷的可靠性。

圖2　大功率合成回路實(shí)驗線(xiàn)路

　　2.2、實(shí)驗結果及分析

　　實(shí)驗測試結果如表1所示。

表1　實(shí)驗測試結果

　　由表1可以看出，橫磁結構電極電阻較優(yōu)良，也具有足夠的開(kāi)斷能力，主要存在兩個(gè)問(wèn)題：①如果出現偏燒，其開(kāi)斷能力就會(huì )下降。②對觸頭的燒損相對較重，尤其是對屏蔽筒的燒損非常嚴重，這將嚴重影響弧后絕緣，并難以保證多次開(kāi)斷。而縱磁結構電極的控弧能力較強，對觸頭的燒損較輕微，屏蔽筒上僅僅存在輕微噴濺，能夠保證足夠的開(kāi)斷次數，同樣也存在兩個(gè)問(wèn)題：電阻值較高，難以適應大電流的需求;開(kāi)斷能力相對較弱。

　　分析認為偏燒主要是因為實(shí)驗管導向較差而且實(shí)驗安裝機構又沒(méi)有任何導向裝置，導致觸頭合閘時(shí)存在錯位與夾角，開(kāi)斷極限結果表現不穩定也主要由此引起，如果在標準斷路器上試驗將有助于消除這種不穩定。實(shí)驗中采用的是CuCr30觸頭材料，對于橫磁結構來(lái)講其抗電弧燒損的能力不夠。另外，合成回路實(shí)驗室每一次開(kāi)斷實(shí)驗的燃弧時(shí)間均為10ms，對觸頭的燒損要遠遠高于國家實(shí)驗站，對于橫磁結構的電極來(lái)講更為不利�？v磁結構電極開(kāi)斷能力偏弱反映出電極直徑過(guò)小，同時(shí)四槽結構的縱磁場(chǎng)在觸頭表面分布不均勻也是一個(gè)原因。

3、結論

　　從實(shí)驗結果來(lái)看，兩種電極都有待繼續改進(jìn)。對于橫磁結構，可以將觸頭材料更換為更耐燒損的CuCr50材質(zhì)，增強橫磁分量，并放大電極與屏蔽筒的距離。我們有充分的理由相信，這種改進(jìn)的杯狀橫磁電極完全可以適合12kV、31.5kA 及以下參數等級的場(chǎng)合，它將會(huì )帶來(lái)縱磁電極不具有的優(yōu)點(diǎn)，即低阻值、低成本。采用橫磁電極后，滅弧室整管電阻必將降低，這也將促進(jìn)滅弧室應用領(lǐng)域的推廣，比如更有利于額定電流增容、更加適用于固封極柱等對電阻有嚴格的要求的場(chǎng)合。

　　對于縱磁結構，則計劃將四槽改為六槽形式，仍采用銑去部分開(kāi)槽觸指來(lái)延長(cháng)旋轉角的方式，保證足夠的縱向磁場(chǎng)，對于電阻問(wèn)題則可考慮增加觸頭托來(lái)改變電流路徑，并采取一定措施保證得到一個(gè)良好的電極接觸面，將電阻控制在較低的水平。