[小型化真空滅弧室設計制造的要點]:摘要：文章介紹了小型化真空滅弧室具有體積小、電性能及機械特性要求高和成本低的特點，文章圍繞這些特點詳細論述了小型化真空滅弧室設計及制造中需要考慮的要點，對小型化真空滅弧室的研發具有一定的借鑒作用。 0...
摘要：文章介紹了小型化真空滅弧室具有體積小、電性能及機械特性要求高和成本低的特點，文章圍繞這些特點詳細論述了小型化真空滅弧室設計及制造中需要考慮的要點，對小型化真空滅弧室的研發具有一定的借鑒作用。
0引言
隨著真空開關技術的發展，開關的設計制造水平日益提高，尤其是開關的機械特性參數的越來越科學和穩定，使得滅弧室設計不必給過多的裕度就可以滿足開關的性能要求，滅弧室在結構上也可以向小型化方向發展。同時，由于固封柱的出現，開關的體積在減小，那么滅弧室的小型化更是當務之急。另外隨著西門子，伊頓等合資企業的出現，使得滅弧室的市場競爭愈演愈烈，那么價格的競爭也是非常關鍵的，而材料成本通常占滅弧室總成本的50%～60%，小型化的產品可以大大降低滅弧室的材料成本，使其具有良好的市場競爭資格，因此小型化真空滅弧室是滅弧室發展的一種必然趨勢。
1 小型化真空滅弧室的特點
通常小型化的滅弧室用于固封斷路器中，所以與同等參數的普通滅弧室比較而言，小型化真空滅弧室具有以下特點。
(1)體積小。
(2)電性能及機械特性要求高
1) 電小，開斷電流大。
2) 絕緣間隙小，絕緣水平高。
3) 回路電阻低。
4) 機械壽命長。
(3)成本低
從以上特點可以看出，小型化真空滅弧室的設計和制造要充分考慮開斷過程中電對電弧的控制能力，電的導流導熱能力，電結構的設計，觸頭材料的選用，絕緣系統的設計，波紋管的設計以及零件和整管的制造工藝問題。同時，小型化真空滅弧室配用的斷路器體積相對較小，那么相間距離有限，相間的電動力對電弧的影響較大，因此在設計滅弧室時還要充分考慮屏蔽外磁場。另外小型化的滅弧室考慮其設計和制造成本，以保證其具有良好的市場競爭能力，為公司創造較高得經濟效益。
2 小型化真空滅弧室電設計要點
2.1 電結構的選用
目前使用過的電結構總體上有杯狀橫向磁場電，平板橫向磁場、杯狀縱向磁場、線圈縱向磁場，帶馬蹄鐵的縱向磁場電以及平板電。這些電結構各有優點，針對滅弧室使用的場合以及電參數的不同，我們可以選用不同的電結構。
(1)橫向磁場電結構的選用：有關研究資料認為12kV/31.5kA以下的參數的滅弧室，使用橫向磁場電開斷能力優于同尺寸的杯狀縱磁場電(見圖1)，而且回路電阻明顯優于杯狀或線圈的縱磁結構電，但是在開斷過程中電弧對觸頭和屏蔽筒的燒蝕比較大，加之目前滅弧室的短路開斷次數都比較多，多次短路開斷后,橫磁滅弧室的屏蔽筒就會被甩上的電弧嚴重燒損,從而破壞其絕緣系統,因此橫磁電結構可以應用在12kV/25kA以下的小型化產品中。
(2)縱磁場電結構的選用：縱磁電有杯狀縱向磁場、線圈縱向磁場，帶馬蹄鐵的縱向磁場電，縱磁電在開斷時電弧電壓低，電弧能量小，縱磁場控弧能力強，觸頭的燒蝕量小，在分合閘過程中機械參數相對穩定。其中杯狀縱磁電加工起來比較簡單，通過調節斜槽的傾角和轉角就可以有效的控制導流能力和短路開斷能力，使二者都達到較好的水平，因此在中壓大容量小型化滅弧室設計時杯狀縱磁結構。帶馬蹄鐵的縱向磁場電，它的開斷能力是有限用的，目前我們都用在低壓或12kV的負荷開關和接觸器用滅弧室上。線圈縱向磁場電，該結構難加工，電路徑長，雖然磁場強但電阻大不易用于小型化滅弧室中，對于低額定工作電流的滅弧室可以采用。
2.2 杯狀縱磁電的小型化設計
電直徑小，那么滅弧室的直徑就可以小，所以合理的優化電可以較好的實現滅弧室的小型化。下面主要討論杯狀縱磁電的小型化。
大量的磁場計算以及裝管實際試驗證明，在杯狀縱磁電中引進鐵磁物質使電間磁場得以重新分布，使盡可能大的觸頭表面在磁場的控制范圍內，從而提高觸頭開斷利用面積，有效減小觸頭直徑。然而鐵芯的引入會使縱向磁場滯后時間增加，對開斷產生負面影響，所以在引入鐵芯時不但要考慮增強縱向磁場，還要充分考慮減小縱向磁場滯后時間，盡量消除鐵芯引入的負面影響。鐵心的結構設計非常重要，我們公司目前普遍使用的鐵心結構就很好。為減小鐵芯的磁滯可以通過阻斷導磁回路的方法降低磁場滯后。合理結構的鐵芯即保證了磁場強度同時磁滯也很低。下表為使用鐵芯的縱磁場電與通常的縱磁場電的開斷能力比較。
上表的數據足以說明使用鐵芯可以有效減小觸頭直徑，有利于滅弧室的小型化設計。
2.3 觸頭材料的選用
小型化真空滅弧室開斷電流相對同參數的普通滅弧室苛刻的多而且電阻要求較低，因此我們CuCr觸頭材料，該種觸頭材料在開斷能力，導流能力，以及耐電壓強度上都表現的比較。目前，CuCr觸頭材料有多種工藝制造的，包括，真空熱碳還原熔浸法(溶滲法)生產、混粉燒結、真空感應熔煉快速凝固法(熔鑄法)以及西門子使用的真空電弧熔煉法，那么選那種工藝的好呢?
通過以往的使用經驗我們可以知道熔滲法制造的觸頭材料很難避免同材富集現象，這樣不利于開斷，容易產生容焊，不易用于小型化的真空滅弧室。
混粉燒結的觸頭材料金屬顆粒的晶間結合差，開斷時容易將觸頭表面的材料拉斷形成缺陷，所以也不利于開斷，其切電容的性能也相對差一些，因此不宜選用。
真空感應熔煉快[小型化真空滅弧室設計制造的要點]:摘要：文章介紹了小型化真空滅弧室具有體積小、電性能及機械特性要求高和成本低的特點，文章圍繞這些特點詳細論述了小型化真空滅弧室設計及制造中需要考慮的要點，對小型化真空滅弧室的研發具有一定的借鑒作用。 0...
真空電弧熔煉法的觸頭材料在有關資料上顯示性能非常好，這也是西門子大量使用的觸頭材料。
2.3 電場結構的考慮
小型化的真空滅弧室相對普通滅弧室來說，內部絕緣間隙要小的多，因此在設計時一定要設計合理，主要需要考慮以下幾點。
(1)各絕緣間隙要比較均勻，避免局部間隙小而形成場強強點，這里就容易發生擊穿。
(2)空氣，絕緣材料、真空三界交點的屏蔽設計。
(3)內部絕緣系統的零件的邊角盡量采用圓弧過渡，使得電場均勻過渡，避免電場畸變而破壞滅弧室的整體絕緣水平。
(4)零件的表面粗糙度要求要相對嚴格些，電、屏蔽筒，均壓罩等零件表面一定要光滑，可以避免場至發射，提高滅弧室的擊穿電壓。
3 屏蔽外磁場的考慮
小型化真空滅弧室配用的斷路器體積相對較小，那么相間距離有限，相間的電動力對電弧的影響較大，因此在設計滅弧室時還要充分考慮屏蔽外磁場。
我們目前主要是采用使用鐵磁的屏蔽筒來屏蔽外部橫向磁場，使得開斷時電弧不出現偏燒，充分利用觸頭整個面積，保證電的開斷能力。這種鐵磁屏蔽筒是針對較大容量的小型化真空滅弧室而談，對于電參數比較低的滅弧室可以不采用。當然鐵磁材料相對比較便宜，還未發現對滅弧室性能有負面作用，因此從成本的角度來說我們也可以考慮增加使用量。但是由于鐵屏蔽筒存在發熱問題，因此在采用鐵屏蔽筒時要考慮其結構和避免嚴重發熱。
4 低成本的考慮
4.1 設計上的低成本考慮
盡量設計結構簡單易于加工的零件，裝配結構也要盡可能簡單易于操作。材料上盡可能使用價格較低又能保證產品性能的材料。比如，屏蔽筒，保護罩、動靜蓋板都可以使用不銹鋼材料，避免使用價格高的無氧銅材料，動靜蓋板采用無氧銅過渡封接在瓷殼上。但是對于體積非常小的滅弧室來說就不是這樣的，滅弧室的動靜蓋板就可以考慮用無氧銅蓋板直接封在瓷殼上，雖然算起來材料成本增加了，實際上由于少一到氣密性焊縫，少了一個焊料環，總成本未必有增加。當零件比較小時核算它的成本就不是主要看材料費用而更多的看加工費用。比如將非常小的一個無氧銅零件做成一個不銹鋼蓋板和一個無氧銅封接環那么成本未必就會降低。
對于一些不能采用無氧銅，不銹鋼封接的滅弧室來說，比如排氣滅弧室除了將其改為一次封排管，我們還可以引進鎳銅材料或鐵鎳材料做為替代可伐材料與瓷件封接的零件，這樣成本也會降低很多。
4.2 降低制造成本
對于零件來說主要是根據滅弧室實際要求，對于一些不影響產品性能的尺寸盡量放寬要求，也就是降低加工難度，從而提高生產效率和成品率以降低零件的制造成本。
對于整管來說主要是通過完善的加工工藝提高生產效率及產品的成品率來降低制造成本。
5 總裝工藝的關鍵點
在零部件裝配過程中，零件表面肯定會有不同程度的污染，縫隙處還會隱藏粉塵顆粒，觸頭表面也會被氧化，這些都會影響滅弧室的性能，尤其對小型化滅弧室的負面作用更大，所以在整管加工時應注意以下事項：
5.1零部件的清潔
除了要保證裝配空間的真空衛生外，一定要嚴格執行清洗工藝并嚴格控制清洗溶劑的清潔。
5.2 形位公差的保證
由于小型化的滅弧室內部絕緣間隙相對較小，所以在裝配的過程中一定要保證其形位公差。形位公差大對滅弧室的絕緣性能非常不利，使得滅弧室的絕緣性能表現的很不穩定，有的表現的很好，有的就達不到額定值，所以保證小型化滅弧室的絕緣，更會大幅度提高我們產品的質量。
5.3 整管的老煉
整管老煉包括電壓老煉、電流老煉和電容老煉，其目的主要是通過各種老煉去處滅弧室內部的毛刺，氧化物，從而提高滅弧室的絕緣水平，保證可靠的開斷能力。
(1)電流老煉的作用：通過觸頭間燃弧而去除觸頭表面的氧化物，及表層氣體。在電流老煉過程中，觸頭表面形成熔融層，當電弧熄滅后，熔融的表層重新凝固，形成更加致密的5～10μm的金屬薄層，更有利于開斷。同時當維持電弧的金屬氣體擴散冷凝在其他零件表面，形成新鮮的鉻層具有吸氣作用，可以維持管內的真空狀態，因此通過電流老煉的管子真空度通常有所提高。
(2)電容老煉的作用：對于一些型式試驗的滅弧室來說，還需要做容性電流老煉，它容量不大，不會對觸頭表面造成損傷，也可以去除靜態老煉時觸頭上產生的毛刺，老煉的觸頭表面會布滿光亮的斑點，這是老煉的結果。
(3)電壓老煉的作用：通過老煉過程中不斷的放電去除動靜觸頭間，觸頭與屏蔽筒之間的微小毛刺，提高滅弧室絕緣水平。
以上各種老煉的作用和效果是不同的，老煉的順序不同對滅弧室的影響也就不同。通過長時間的實踐摸索我們認為以下老煉順序有利于提高滅弧室質量：電流老煉 電容老煉 電壓老煉。
作者簡介：畢冬麗，工程師，從事真空滅弧室設計工作
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