第三节　真空断路器

一、真空间隙与真空电弧

1.真空断路器的概念

真空断路器利用真空度约为10-4Pa（在运行过程中不低于10-2Pa）的高真空作为内绝缘和灭弧介质。真空度就是气体的绝对压力与大气压的差值，表示气体稀薄的程度。气体的绝对压力值越低，真空度越高。当灭弧室内被抽成10-4Pa的真空时，其绝缘强度比绝缘油、一个大气压力下的SF6和空气的绝缘强度高很多。

2.真空间隙的绝缘性能

真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程较大，发生碰撞游离的概率很小，因此真空间隙具有很高的绝缘强度。当真空间隙在某一电压下击穿几次后，由于触头表面的毛刺被冲击掉，触头表面粗糙度降低，真空间隙在该电压下就不再击穿了，击穿电压将会升高，这种现象叫真空间隙的老化。这是真空间隙独有的特点。

真空间隙的绝缘强度与很多因素有关，主要与真空间隙的长度、真空度、电极材料、电极表面状态、形状和大小、施加电压的波形和频率等因素有关。

3.真空电弧的形成与熄灭

（1）真空电弧的形成。

形成真空电弧主要有三个阶段。

第一阶段，触头蒸发形成金属蒸气。在触头带电流分离时，由于接触压力减小，触头由面接触变为点接触（触头间形成金属小桥），电流集中通过金属桥。在分断过程中，其一，金属桥被拉长，截面减小，电阻增大，桥上耗散功率大，温度急剧升高，金属桥熔化并产生高温金属蒸气；其二，触头表面结合不牢固的金属团粒（如金属加工时残留的毛刺），在静电场力的作用下，离开电极表面，加速通过真空间隙轰击电极，使电极和团粒的温度升高，蒸发出高温金属蒸气；其三，触头表面尖端突起部分的电场极强，因强电场发射自由电子所形成的电子束（预放电电流，其值为10-5～10-3A）轰击阳极，也可使阳极发热，蒸发出金属蒸气。

第二阶段，自由电子穿过高温金属蒸气。运动中带电的金属团粒与电极间形成强电场，此电场可使团粒和电极表面发射大量自由电子。当高速运动的自由电子穿过高温金属蒸气云时，使金属原子电离产生带电离子。离子的定向移动形成传导电流。

第三阶段，形成阴极斑点。电极表面发射自由电子的尖端或突起，很快发展成阴极斑点，其温度极高，不断蒸发金属蒸气，补充金属蒸气的损失，阴极斑点发射的电子又电离金属蒸气，补充离子的损失，触头间的预放电电流就转变成真空电弧。

因此，真空电弧的形成是一个电离过程。阴极斑点是真空电弧的生命线。真空电弧是电离状态的金属蒸气电弧。

（2）真空电弧的形态

①扩散型电弧　当电弧电流小于100A时，触头间只存在一束电弧，触头上只有一个阴极斑点，并在触头表面做不规则的运动。当电弧电流大于100A、小于6kA时，阴极斑点会从一个分裂为若干个，并在阴极表面不断向四周扩散，电弧以许多完全分离的并联电弧的形态存在。这种形态的电弧为扩散型电弧，如图2-19（a）所示。

②集聚型电弧　当电极上电弧电流大于10kA时，阴极斑点受电磁力的作用相互吸引，使所有的阴极斑点集聚成一个运动速度缓慢的阴极斑点团（其直径可达1～2cm），形成单束大弧柱，且电极强烈发光，触头表面将出现熔坑，这种形态的电弧称为集聚型电弧，如图2-19（b）所示。

（3）电弧的熄灭

对扩散型电弧，电流过零时，真空电弧熄灭。阴极斑点所造成的熔区在电弧熄灭后10-8～10-7s内便凝固，阴极和阴极斑点便不再向弧柱区提供电子和金属蒸气，而残余的等离子体内的各种粒子在数个微秒内向四周扩散完，弧区介电强度迅速提高，实际上已变成了真空间隙，足以承受很高的恢复电压而不致击穿。扩散型电弧过零后很容易熄灭。

对集聚型电弧，电流过零时，电弧熄灭，但触头表面有面积和厚度相当大的熔区，这些熔区需要毫秒数量级的时间才能冷却，在这段时间内，电极仍向弧区输送大量金属蒸气和带电粒子，在恢复电压上升过程中，弧区相当于一个充气间隙，不可避免要发生重新击穿。只有当触头开距足够大，阴极斑点产生的金属蒸气不足以维持带电粒子扩散时，真空电弧才熄灭。故集聚型电弧难以熄灭，应设法避免。一般在触头结构上采取措施，防止触头表面发生过分严重的局部熔化和烧损。

总之，真空电弧的熄灭，主要取决于触头的阴极现象、电极发热程度及离子向弧柱外迅速扩散的作用。

二、真空断路器的分类

按照不同的分类方法，真空断路器可分为以下几种。

①按真空灭弧室的布置方式分为落地式、悬挂式、综合式和接地箱式等。

②按真空灭弧室的外壳分为玻璃外壳式、陶瓷外壳式两种。

③按触头形状分为横磁吹式、纵磁吹式两种。

真空断路器由真空灭弧室、绝缘支撑、传动机构、操作机构、机座（框架）等组成。目前的城市轨道交通供电系统中，一般在35kV（或者35kV）、10kV电压等级采用真空断路器，并且与其他电器组合后被封装在SF6组合电器（GIS）或者在空气组合电器（AIS）中。

三、真空灭弧室

真空灭弧室是真空断路器中的核心部件，其结构如图2-20所示。真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，分别焊接在各自的导电杆上，波纹管的另一个端口与动端盖的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。由于波纹管可以在轴向上自由伸缩，所以这种结构既能实现在灭弧室外带动动触点作分合运动，又能保证真空外壳的密封性。

下面简要地介绍灭弧室中主要部件及各部分的作用。

①外壳。外壳是真空灭弧室的密封容器，它不仅要容纳和支持灭弧室内的各种部件，而且当动、静触头在断开位置时起绝缘作用。因此，整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。对外壳的要求首先是气密封要好；其次是要有一定的机械强度和绝缘性能。

②波纹管。波纹管既要保证灭弧室完全密封，又要在灭弧室外部操动时使触头作分合运动。常用的波纹管有液压成形和膜片焊接两种形式，所用材料以不锈钢为最好。波纹管的侧壁可在轴向上伸缩，其允许伸缩量决定了灭弧室所能获得的触头最大开距。一般情况下，波纹管的疲劳寿命也决定了灭弧室的机械寿命。

③屏蔽罩。触头周围的屏蔽罩主要是用来吸附燃弧时触头上蒸发的金属蒸气，防止绝缘外壳因金属蒸气的污染而引起绝缘强度降低和绝缘破坏，同时，也有利于熄弧后弧隙介质强度的迅速恢复。屏蔽罩还能起到使灭弧室内部电压均匀分布的作用。在波纹管外面用屏蔽罩，可使波纹管免遭金属蒸气的烧损。

屏蔽罩的导热性能越好，其表面冷却电弧的能力也就越好。因此，制造屏蔽罩常用材料为无氧铜。

④触头。触头是真空灭弧室内最为重要的元件，灭弧室的开断能力和电气寿命主要由触头状况来决定。目前真空灭弧室的触头系统，就接触方式而言，都是对接式的。根据触头开断时灭弧的基本原理的不同，可分为非磁吹触头和磁吹触头两大类。

非磁吹型圆柱状触头最简单，机械强度好，易加工，但开断电流小。

磁吹触头又分为横向磁吹触头和纵向磁吹触头两类，如图2-21、图2-22所示。对横向磁吹触头，当断路器分闸时，触头间产生电弧，由于触头的特殊结构，电弧电流产生横向磁场，对电弧进行横向吹弧，提高了灭弧能力。对纵向磁吹触头，当开断电流时，由于流过线圈的电流在弧区产生一定的纵向磁场，使电弧电压降低和集聚电流值提高，极大地提高了触头的开断能力和电气寿命。

四、真空断路器的使用

1.操作过电压及其抑制

用真空断路器断开电路时，可能会出现操作过电压，主要形式如下。

①截流过电压　所谓截流就是强制交流电流在自然过零前突然过零的现象，由于电路中存在电感，因此会发生过电压。

②切断电容性负载时的过电压　这是因熄弧后间隙发生重击穿而引起的。所以，真空断路器的重击穿概率越小越好。

③高频多次重燃过电压　是因为断路器开断感性电流时，当间隙被击穿后电弧重燃，因电路参数影响，击穿后电流中含有高频分量，当高频分量的幅值很大时，受其影响，间隙被反复击穿，使负载侧的电压不断升高，从而产生较高的过电压。

操作过电压对其电气设备尤其是电机绕组绝缘危害很大，因此，必须采取抑制方法。常用的方法如下。

①采用低电涌真空灭弧室。这种灭弧室既可降低截流过电压，又可提高开断能力。

②在负载端并联电容。既可以降低，也可减缓恢复电压的上升陡度。

③在负载端并联电阻和电容。它不仅能降低截流过电压及其上升速度，而且在高频重燃时可使振荡过程强烈衰减，对抑制多次重燃过电压有较好的效果，电阻一般选100～200Ω，电容选0.1～0.2μF。

④串联电感。可降低过电压的上升陡度和幅值。

⑤安装避雷器。用它限制过电压的幅值。

2.真空断路器优缺点

根据断路器的机构特点和适用范围，断路器的优缺点有：触头开距小，动作快；燃弧时间短，触头烧损轻；寿命长，适于频繁操作；体积小，结构紧凑，真空灭弧室不需检修，维修工作量小；防火、防爆性能好；制造工艺复杂，造价高；监视真空度变化的简易装置尚未解决；开断小电流时，有可能产生较高的过电压，需采取降低过电压的措施。

3.真空断路器真空度检查

①测量动、静触头两端的绝缘电阻。用1000V兆欧表，绝缘电阻>500MΩ，说明真空度良好。

②耐压试验。动、静触头间施加交流工频电压，耐压1min，无击穿为真空度良好。

③用真空度检测仪检查。用真空度检测仪可直接测出真空度值。

这样通过定期的检查、测量，就可以掌握真空度变化的状况及趋势，防患于未然，确保断路器安全可靠地运行。