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　　1、概述

　　真空開(kāi)關(guān)技術(shù)經(jīng)過(guò)近三十多年的發(fā)展，市場(chǎng)占有份額逐年提高，生產(chǎn)廠家也越來(lái)越多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。特別是入世以來(lái)，國(guó)外真空開(kāi)關(guān)制造業(yè)以獨(dú)資、合資的形式相繼進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，使得競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)的小型化真空開(kāi)關(guān)的需求越來(lái)越迫切，用戶需要外型尺寸小、占地面積小、成本低廉、性能優(yōu)越的產(chǎn)品。因此，近年來(lái)世界各國(guó)，尤其是日本、美國(guó)等科技發(fā)展水平較高的國(guó)家一直致力于真空滅弧室小型化的研究，并取得了突破性進(jìn)展。

　　為了實(shí)現(xiàn)真空滅弧室的小型化，錦州華光電力電子(集團(tuán))公司的技術(shù)研究人員對(duì)真空電弧、電真空材料、滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的分布及生產(chǎn)方式等技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，真空滅弧室設(shè)計(jì)水平和制造工藝得以不斷提高和完善，推出了新一代U系列小型化真空滅弧室。

　　U系列小型化真空滅弧室改變了以往的設(shè)計(jì)模式和工藝方式，在產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了全新的設(shè)計(jì)理念，在制造工藝上有較大的突破，其產(chǎn)品特點(diǎn)如下：

　　(1)采用自行研制的新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)。這種觸頭結(jié)構(gòu)在燃弧期間，在觸頭間隙中產(chǎn)生比目前通用的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、更均勻的縱向磁場(chǎng)。在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，電弧被有效地控制在一個(gè)更大的區(qū)域內(nèi)燃燒，擴(kuò)大了觸頭的有效利用面積，改善了觸頭表面的電流密度分布，使電弧始終保持?jǐn)U散型，從而降低了弧壓及電弧能量，使開(kāi)斷能力大幅提高，開(kāi)斷能力較原杯狀觸頭結(jié)構(gòu)提高了約15%以上。

　　(2)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，改善了滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布的均勻程度，優(yōu)化了滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了滅弧室內(nèi)部的絕緣水平，從而實(shí)現(xiàn)了滅弧室的小型化，其體積僅為原結(jié)構(gòu)的50%～70%。

　　(3)采用新型的“一次封排”工藝，使滅弧室從部件到整管一次封排完成，減少了人及環(huán)境對(duì)部件的二次污染，提高了滅弧室內(nèi)部的真空度及清潔度，改進(jìn)了滅弧室的開(kāi)斷性能、絕緣水平及同軸水平。同時(shí)，新型的工藝結(jié)構(gòu)，使得滅弧室的密封焊縫得以減少，由原來(lái)的9道焊縫減少到6道焊縫，滅弧室的漏氣幾率大大降低，密封的可靠性提高了33%。

　　(4)采用新型的波紋管防扭結(jié)構(gòu)，既防止波紋管被扭傷漏氣，又使整管的外形更加美觀，也給裝機(jī)帶來(lái)便利。

　　U系列真空滅弧室優(yōu)越的性能、小型化的體積配合復(fù)合絕緣的應(yīng)用，不但使真空斷路器縮小了相間距，減小了整體尺寸，更主要的是能夠滿足較大的開(kāi)斷容量和較高的弧后絕緣水平。另外，對(duì)現(xiàn)行開(kāi)關(guān)使用小型化真空滅弧室后，也可以去掉相間附加的絕緣件，既可降低成本，又可方便安裝調(diào)試。

　　U系列小型化真空滅弧室優(yōu)越的開(kāi)斷性能及較高的弧后絕緣水平得益于先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式和新型“一次封排”工藝的采用，也與老煉工藝的改進(jìn)密不可分。真空滅弧室的老煉工藝分為電流老煉和電壓老煉，本文根據(jù)小型化真空滅弧室研制開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐中的體會(huì)著重介紹小型化真空滅弧室的老煉工藝。

　　2、大電流老煉

　　大電流老煉就是真空滅弧室通以數(shù)百安培較大電流的同時(shí)拉開(kāi)觸頭，使觸頭間產(chǎn)生擴(kuò)散型電弧，燃燒的電弧剝除了觸頭表面覆蓋著的臟物、氧化物和氣體，使觸頭表面成為完全新鮮的活性表面，起到了凈化觸頭表面的作用。因此，可以說(shuō)電流老煉與電壓老煉比較，更具有徹底除氣的作用。

　　大電流老煉分交流電流老煉和直流電流老煉，直流老煉方式是取直流電壓100V左右，電弧電流調(diào)至100安至數(shù)百安，合分觸頭10～20次。每次合分操作時(shí)使電弧有足夠長(zhǎng)的燃弧時(shí)間，累計(jì)一定時(shí)間后，就能達(dá)到對(duì)觸頭表面凈化和除氣的目的。電流老煉對(duì)觸頭表面的燒蝕作用主要來(lái)自正離子對(duì)陰極的轟擊，對(duì)陰極表面有較好的燒蝕作用，為了對(duì)另一觸頭進(jìn)行老煉，必須改變直流電源極性，重復(fù)上一次操作。經(jīng)大電流老煉的真空滅弧室，其開(kāi)斷短路電流和開(kāi)合電容器組的性能比未進(jìn)行電流老煉的滅弧室性能穩(wěn)定，主要是因?yàn)橛|頭表面的凈化和表層吸收的氣體被除去，在開(kāi)斷時(shí)電弧燃燒觸頭放出氣體少，對(duì)觸頭間介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)非常有力。

　　U系列小型化真空滅弧室采用新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)，這種觸頭結(jié)構(gòu)在燃弧期間，在觸頭間隙中產(chǎn)生比目前通用的縱磁觸頭結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、更均勻的縱向磁場(chǎng)，電弧被有效地控制在一個(gè)更大的區(qū)域內(nèi)燃燒，擴(kuò)大了觸頭的有效利用面積，在同一電流等級(jí)下，觸頭表面積減小20%以上。為了避免大電流老煉時(shí)規(guī)范過(guò)重，觸頭表面燒損嚴(yán)重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平，U系列小型化產(chǎn)品大電流老煉試驗(yàn)時(shí)，電弧電流調(diào)至80～100安，合分觸頭正負(fù)極性各5～10次，具體次數(shù)根據(jù)弧光而定，弧光顏色由白色或紅色轉(zhuǎn)為淡藍(lán)綠色為宜。

　　3、超高壓老煉

　　高壓老煉效應(yīng)是決定真空中絕緣擊穿特性的主要因素之一，成為實(shí)現(xiàn)高電壓化、小型化的一項(xiàng)課題。常用的高壓老煉方法有四種：輝光放電老煉法、充氣老煉法、電流老煉法、火花老煉法。對(duì)密封的真空滅弧室而言火花老煉法是提高真空滅弧室耐壓水平的唯一實(shí)用的方法，火花老煉法也就是工頻老煉法。超高壓工頻老煉的特點(diǎn)是：

　　(1)滅弧室浸在絕緣介質(zhì)中，老煉過(guò)程中不受外絕緣的影響，老煉電壓比空氣中提高約1.5倍,使真空滅弧室的內(nèi)部老煉更徹底;

　　(2)超高壓工頻老煉的升壓有保護(hù)措施，一旦擊穿電流大，威脅產(chǎn)品安全時(shí)，它將自動(dòng)降壓以保護(hù)滅弧室不受損壞;

　　(3)在靜態(tài)情況下給真空滅弧室施加工頻高電壓，引起觸頭間及觸頭與屏蔽罩間強(qiáng)烈的火花放電。真空滅弧室利用該方法可消除觸頭和屏蔽罩表面的高β發(fā)射點(diǎn)，改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，從而提高它的擊穿電壓和長(zhǎng)期工作下的穩(wěn)定性。

　　真空滅弧室小型化后，滅弧室的體積變得越來(lái)越小，因而老煉工藝也需要重新摸索,以確定更適合小型化產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的老煉工藝。這里著重介紹小型化真空滅弧室高壓老煉工藝的摸索過(guò)程，包括外絕緣的保護(hù)、老煉開(kāi)距、老煉升壓速度、老煉電壓值及電壓穩(wěn)定時(shí)間的確定。

　　3.1外絕緣保護(hù)

　　解決真空滅弧室耐受高電壓和強(qiáng)電場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是沿面絕緣的提高，尤其將真空滅弧室最大限度地小型化后，真空滅弧室本身的外部絕緣(主要指用于復(fù)合絕緣的真空滅弧室的外絕緣)已不能滿足較高的老煉電壓和正常的絕緣要求，因而在老煉中必須使真空滅弧室內(nèi)部真空絕緣和周?chē)獠拷^緣相配合。我們?cè)诔邏豪蠠捲囼?yàn)中使用輕質(zhì)絕緣油作為外絕緣介質(zhì),其擊穿強(qiáng)度為50kV/mm，這樣可以避免由于外絕緣和內(nèi)部真空絕緣配合不好，高壓老煉試驗(yàn)中真空滅弧室外爬電導(dǎo)致滅弧室絕緣外殼的貫穿性擊穿。采用輕質(zhì)絕緣油的另一優(yōu)點(diǎn)是：老煉后無(wú)需去油，既節(jié)約了能源，又提高了生產(chǎn)效率。

　　3.2老煉開(kāi)距

　　我們分別在低于額定開(kāi)距、額定開(kāi)距、較大開(kāi)距下進(jìn)行了老煉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電極開(kāi)距對(duì)所能達(dá)到的穩(wěn)定擊穿電壓有較大的影響：額定開(kāi)距下進(jìn)行老煉處理，比低于額定開(kāi)距和較大開(kāi)距下進(jìn)行老煉所能達(dá)到的穩(wěn)定擊穿電壓要高，其原因?yàn)椋?/span>

　　(1)較大開(kāi)距下進(jìn)行老煉，觸頭電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度勢(shì)必要降低，無(wú)法使觸頭間打火擊穿，火花放電作用主要在觸頭電極和屏蔽罩間進(jìn)行，老煉效應(yīng)進(jìn)行得不完全;在較小開(kāi)距下(確切的說(shuō)是觸頭電極間的開(kāi)距小于觸頭電極和屏蔽罩間的電氣間隙)，觸頭電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，火花放電只是在觸頭電極間進(jìn)行，觸頭電極和屏蔽罩間無(wú)法火花放電，老煉效應(yīng)同樣進(jìn)行得不完全，穩(wěn)定擊穿電壓值較低。

　　(2)額定開(kāi)距下進(jìn)行老煉時(shí)，觸頭電極間距離大于觸頭電極和屏蔽罩間的距離，兩電極表面的有效作用面積(即電場(chǎng)等于最大電場(chǎng)90%所對(duì)應(yīng)的面積)增加。有效面積增加，使整個(gè)電極表面所能達(dá)到的老煉程度增加;同時(shí)，暴露在放電區(qū)的屏蔽罩面積也增加，這樣，不僅觸頭間火花放電，觸頭邊沿和屏蔽罩間的火花放電作用也加劇，觸頭電極、屏蔽罩表面的老煉進(jìn)行得更完全，消除了觸頭和屏蔽罩表面的高發(fā)射點(diǎn)，使穩(wěn)定擊穿電壓值提高。

　　3.3老煉升壓速度

　　在進(jìn)行老煉時(shí)，從一較低的電壓開(kāi)始，按一定步長(zhǎng)逐級(jí)提高老煉電壓，使滅弧室中流過(guò)的預(yù)放電電流逐漸增加，直至發(fā)生強(qiáng)烈的火花放電。為防止由火花放電轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈的電弧放電而燒損觸頭，設(shè)備自身回路中串聯(lián)一定數(shù)值的限流電阻。老煉試驗(yàn)過(guò)程中注意觀察工頻正弦示波圖和火花放電的電流值，隨著滅弧室內(nèi)擊穿打火的頻繁發(fā)生，電壓電流波形會(huì)變得越來(lái)越不規(guī)則，原來(lái)的工頻正弦波失真，諧波增多，此時(shí)放電電流較大。當(dāng)老煉一段時(shí)間后，擊穿打火現(xiàn)象逐漸減少，火花放電電流減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，波形恢復(fù)正常，此時(shí)已達(dá)到該電壓值下的老煉效果，可以按一定步長(zhǎng)提高老煉電壓。老煉電壓升幅不能太快，否則發(fā)生強(qiáng)烈的火花放電，放電電流很大，容易造成真空滅弧室兩電極間永久性擊穿或絕緣外殼貫穿性擊穿。

　　3.4老煉電壓值及電壓穩(wěn)定時(shí)間

　　老煉電壓值的確定遵循的原則是：

　　(1)選擇一較高老煉電壓值，因?yàn)樘岣呃蠠掚妷褐担墒狗€(wěn)定擊穿電壓明顯提高。

　　(2)老煉電壓是一范圍，根據(jù)不同管型的情況，實(shí)際電壓值可在一定范圍內(nèi)取值。

　　(3)滅弧室擊穿比率不超過(guò)0.3%。根據(jù)實(shí)際摸索，我們確定老煉電壓規(guī)范：12kV等級(jí)110～140kV;40.5kV等級(jí)185～200kV。

　　老煉電壓值升到規(guī)范值后，電壓趨于穩(wěn)定，波形漸漸正常，已基本達(dá)到老煉效果，這時(shí)可在老煉電壓值不變的情況下，穩(wěn)定一段時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間為10min，目的就是使老煉進(jìn)行得更徹底。

　　4、老煉效果的驗(yàn)證

　　由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工頻耐壓和雷電沖擊耐壓有一定的要求,因而工頻耐壓和雷電沖擊耐壓是真空滅弧室生產(chǎn)過(guò)程中必須檢驗(yàn)的項(xiàng)目，同時(shí),沖擊耐壓試驗(yàn)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也是檢驗(yàn)高壓老煉效果是否徹底的一種方法和手段。

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)行滅弧室沖擊耐壓試驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)三種不同的情況：

　　(1)老煉完成，通過(guò)沖擊耐壓試驗(yàn)放置一段時(shí)間，通過(guò)沖擊耐壓試驗(yàn)。

　　(2)老煉完成，通過(guò)沖擊耐壓試驗(yàn)放置一段時(shí)間，未通過(guò)沖擊耐壓試驗(yàn)。

　　(3)老煉完成，未通過(guò)沖擊耐壓試驗(yàn)。

　　分析以上三種情況：

　　(1)真空間隙的擊穿可以由電極表面微觀突起處的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射引起，也可以由松散的粘附在電極表面的金屬微粒的釋放或電極表面吸附氣體層的解吸引起，所以可以將所有這些引發(fā)擊穿的因素統(tǒng)稱(chēng)為電極表面上的“弱點(diǎn)”。真空滅弧室在大觸頭面積、長(zhǎng)電極間隙條件下，擊穿應(yīng)主要由金屬顆粒的釋放和吸附氣體的解吸引起。

　　在超高壓老煉過(guò)程中，放電能量足夠大時(shí)，每次放電過(guò)程中釋放的微粒和解吸氣體的量都較多，由于初始動(dòng)能大，大部分可以牢固地沉積在滅弧室的金屬屏蔽罩上，不再處于活潑狀態(tài)，亦不再對(duì)間隙擊穿起主要作用，此時(shí)可認(rèn)為高壓老煉效應(yīng)進(jìn)行得完全，老煉效果較好，所以無(wú)論是老煉剛剛完成，還是放置一段時(shí)間再進(jìn)行沖擊耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)都能順利通過(guò)。

　　(2)超高壓老煉時(shí)放電能量不足，每次放電過(guò)程中釋放出的微粒和解吸氣體的量都較少，這些釋放出來(lái)的物質(zhì)由于未能獲得足夠的動(dòng)能，它們難以牢固地附著在金屬屏蔽罩上，而是作為一種活潑因素，暫時(shí)飛離電極間隙，所以此時(shí)進(jìn)行沖擊耐壓試驗(yàn)，能夠通過(guò)。但放置一段時(shí)間后，部分金屬微粒重新回到電極間或重新粘附在電極表面，形成新的突起，即出現(xiàn)新的“弱點(diǎn)”，繼續(xù)對(duì)間隙擊穿起作用，這種情況我們認(rèn)為高壓老煉效應(yīng)進(jìn)行得不徹底，所以滅弧室放置一段時(shí)間后，沖擊耐壓試驗(yàn)出現(xiàn)了失效現(xiàn)象。

　　(3)此種情況，超高壓老煉放電能量嚴(yán)重不足，放電過(guò)程中釋放出的微粒沒(méi)有足夠的動(dòng)能飛離電極間隙，或它們?cè)谂c對(duì)面電極發(fā)生碰撞時(shí)，未能積累起足夠的動(dòng)能使自身完全熔化和蒸發(fā)。這些未完全熔化的金屬微粒重新粘附在對(duì)面電極上，形成新的突起，所以進(jìn)行沖擊耐壓試驗(yàn)不會(huì)通過(guò)。

　　在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)沖擊耐壓試驗(yàn)通過(guò)比較困難或出現(xiàn)沖擊耐壓失效現(xiàn)象時(shí)，一般重新進(jìn)行超高壓老煉可以改善。

　　5、結(jié)論

　　通過(guò)以上的分析可以得出下面的結(jié)論：

　　(1)U系列小型化真空滅弧室優(yōu)越的開(kāi)斷性能及較高的弧后絕緣水平得益于先進(jìn)的設(shè)計(jì)方式和新型“一次封排工藝“的采用，也與老煉工藝的改進(jìn)密不可分。

　　(2)小型化真空滅弧室采用新型縱磁均布式觸頭結(jié)構(gòu)，開(kāi)斷能力強(qiáng)，在同一電流等級(jí)下，觸頭表面積減小20%以上，大電流老煉時(shí)應(yīng)選擇合適的老煉規(guī)范，避免觸頭表面燒損嚴(yán)重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平。

　　(3)選擇合適的老煉開(kāi)距、老煉升壓速度、老煉電壓值和電壓穩(wěn)定時(shí)間，使小型化真空滅弧室老煉效應(yīng)進(jìn)行得更徹底，以改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，提高它的擊穿電壓和長(zhǎng)期工作下的穩(wěn)定性，同時(shí)也可提高其短路開(kāi)斷能力和動(dòng)態(tài)絕緣水平。

　　(4)滅弧室沖擊耐壓試驗(yàn)通過(guò)比較困難或出現(xiàn)沖擊耐壓失效現(xiàn)象，其主要原因是老煉效應(yīng)進(jìn)行得不徹底。重新進(jìn)行超高壓老煉，可以改善沖擊耐壓水平。