真空断路器基本知识

1、真空

真空是指在给定的空间内，远低于一个环境大气压的气体状态。真空状态下气体的稀薄程度通常用真空度来描述，以压强值来表示。

2、真空灭弧室

真空灭弧室也叫真空开关管或真空泡，是真空开关的核心器件。它是用一对密封在真空中的电极（触头）和其它零件，借助真空优良的绝缘和熄弧性能，实现电路中电流的关合或开断。

3、真空灭弧室的灭弧原理

真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧须将电弧电流减小到一定程度，不足以维持电弧的时候才有可能将其熄灭。

在交流情况下，真空电弧电流有很多个过零的时刻，这就给出了熄弧的条件。

在直流情况下，须设置一个电力转向装置，使直流真空电弧电流有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。

4、真空断路器的主要机械特性对真空灭弧室性能的影响

真空灭弧室的性能对衡量真空开关的性能十分重要，同时开关本身的机械特性也同样影响真空灭弧室的使用性能。要保证真空开关的性能，其机械特性须满足真空灭弧室的要求。主要机械特性参数与真空灭弧室产品性能的关系如下：

4.1 开距

触头开距指分闸状态时, 真空灭弧室两触头之间的距离。触头的开距主要取决于真空开关的额定电压，开距太小会影响分断能力和绝缘水平。开距太大会使真空灭弧室的波纹管寿命下降，也会影响短路开断能力。一般在满足运行的绝缘要求下尽量把开距选得小一些。12kV真空断路器的开距通常在8～10mm之间，40.5kV真空断路器的则在18～24mm之间。

4.2 触头接触压力

在无外力作用时，动触头在大气压作用下，对真空灭弧室内腔产生一个闭合力，使其与静触头闭合，这个力称之为自闭力，其大小主要取决于波纹管的端口直径。自闭力本身太小，不能保证动静触头间良好的电接触，须施加一个外加压力。外加压力和自闭力之和称为触头的接触压力。接触压力有以下四个作用：

保证动、静触头的良好接触，在范围内减小其接触电阻值。

满足额定短路状态时的动稳定要求。应使触头压力大于额定短路状态时的触头间的斥力，以保证在该状态下动静触头的完全闭合且不受损坏。

抑制合闸弹跳。使触头在闭合碰撞时得到缓冲，将碰撞的动能转为弹性势能，抑制触头的弹跳。

可以预防短路关合时由于过大的触头斥力而产生的触头熔焊。型式试验中短路关合时触头间的熔焊大多数是由于触头终压力不足造成的。

触头接触压力是一个很重要的参数，在产品初始设计中要经过多次验证、试验才能取得比较合适的压力值。如果触头压力选得太小，则满足不了上述各方面的要求；但触头压力太大，一方面需要增大合闸操作功，另外灭弧室和整机的机械强度要求也需要提高，影响技术经济性。

4.3 接触行程

目前真空开关都采用对接式接触方式，动触头碰上静触头之后就不能再前进了。触头接触压力是由触头的压缩弹簧（触头簧）提供的，在开关触头碰触开始，触头压簧施力端仍会继续运动，其继续运动的距离，即为触头弹簧的压缩行程，也称为接触行程。超行程的作用体现在以下三个方面：

保证触头在电磨损后仍能保持足够的触头终压力。

借助触头弹簧力为合闸提供缓冲，抑制合闸弹跳。

在分闸时使动触头获得初始加速度，提高刚分速度，拉断轻微熔焊点。

和触头压力一样，超行程也不是越大越好。超行程太大，在同样的触头弹簧刚度的情况下会增加操动机构的合闸功，容易造成合闸不到位而使合闸变得极不可靠。一般接触行程可取开距的20%～40%左右，10kV的真空断路器约为3～4mm。

在真空断路器具体设计时，触头压缩弹簧在分闸位置就设计了预压缩量，因而在触头对接前就有了预压力。这是为了在合闸过程中，使动触头有足够的力抵抗因预击穿而产生的电动力。并在触头碰接瞬间，接触压力陡然跃增至预压力数值，减小合闸弹跳，抵抗电动斥力，使动静触头保持良好的接触状态；随着触头压簧的进一步压缩，触头间的接触压力逐步增大，接触行程走完时，接触压力达到设计值。接触行程不包括合闸弹簧的预压缩量程，它实际上是触头压簧的第二次受压行程。

4.4 合闸弹跳时间

断路器在合闸时，触头在刚接触后可能会产生弹跳的震荡过程，从触头刚接触开始计起，到稳定接触的时间间隔，称为合闸弹跳时间。

真空断路器合闸弹跳时间一般小于2ms。这主要是考虑合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生L.C高频振荡，振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成损坏。当合闸弹跳小于2ms时，不会使电力系统产生较大的过电压，设备绝缘不会受损，同时在合闸时动静触头之间不易产生熔焊。

4.5 合、分闸不同期性

理想状态下真空断路器的三相开距应该是完全一致的，三相同时关合，同时开断，平均分配能量，但实际调试中是很难达到的。合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳，因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受。此外，分闸的不同期性太大可能使后开相燃弧时间加长，降低开断能力。

分闸与合闸的不同期性一般是同时存在的，所以调好了合闸的不同期性，分闸的不同期性也就有了保证。一般要求合分闸不同期性小于2ms。

4.6 合、分闸时间

合闸时间是指从开关接到合闸指令时刻起到所有极的触头接触时刻的时间间隔。

分闸时间是指从开关接到分闸指令时刻起到所有极的触头分离时刻的时间间隔。

当断路器用在发电机系统并在电源近端短路时，故障电流直流分量衰减较慢。若分闸时间很短，断路器分断的故障电流可能含有较大的直流分量，开断条件更为恶劣，这对断路器的开断是很不利的。所以用于发电机系统的真空断路器，其分闸时间的设计适当长些为宜。

4.7 合闸速度

合闸速度是指真空断路器在合闸过程中动触头向静触头运动的平均速度。由于真空灭弧室在额定开距时的静态耐压水平比较高，因而真空断路器的合闸速度可以比分闸速度低很多。不同电压等级的真空灭弧室要求的合闸速度略有不同，在相同电压等级下，合闸速度在比较大的范围内对关合能力影响不大。

合闸速度主要影响触头的电磨蚀。如合闸速度太低，则在合闸时预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘住，降低灭弧室的电寿命。但速度太快，容易产生合闸弹跳，操动机构输出功也要增大，对灭弧室和整机的机械冲击大，影响产品的使用可靠性与机械寿命。

合闸速度的确定主要考虑两个因素，一个是刚合前的预击穿，另一个是合闸弹跳。因合闸速度较慢而导致预击穿时间过长，及因合闸速度较快而导致弹跳时间过长都易产生合闸时触头熔焊。

4.8 合闸弹跳

影响合闸弹跳的因素较多，除合闸速度外，真空灭弧室的触头材料、触头结构和真空断路器的触头压力、超行程、动端的质量、机构的传动间隙等对弹跳都有很大的影响。有些影响因素需要在真空断路器的设计过程中就要考虑。为抑制合闸弹跳，真空断路器厂家需要采取的措施有：

选择刚性好的触头弹簧。

合闸速度要适宜。

保证足够的超行程。

尽量减小动端质量。

减小机构传动环节的装配间隙。

保证动端对静端运动过程中的同轴度及垂直度。

保证真空断路器各支撑部件的强度及相关部分的螺栓紧固不松动等。

各真空灭弧室生产厂家一般要求合闸弹跳时间不大于2 ms，实际调整时越小越好。

4.9 分闸行程特性曲线

由分闸行程特性曲线可判定真空断路器分闸速度、分闸反弹、分闸过行程（分闸过冲）。

真空灭弧室厂家一般规定0～75％开距内的速度为平均分闸速度。动静触头刚分离时刻的速度称为刚分速度。

一般而言，断路器的分闸速度越快越好，这样当首开相触头在电流过零前2～3ms分离时，可以在电流第 一个过零点开断故障电流；否则首开相不能开断而延续至下一相，原首开相变为后开相，燃弧时间延长了，加重了触头烧损使开断的难度增加，甚至使开断失败。但分闸速度太快，分闸的反 弹也大，反 弹太大震动过剧，容易引起触头间重燃，所以分闸速度亦应考虑这方面因素。分闸速度的快慢，主要取决于合闸时动触头弹簧和分闸弹簧的储能大小。为了提高分闸速度，可以增加分闸弹簧的贮能量，也可以增加触头弹簧的压缩量，这都必然需要提高操动机构的输出功和整机的机械强度，降低了技术经济性。

分闸速度的指标主要是由额定电压和开距决定的,也与短路开断电流有一定的关系。真空断路器在短路开断试验中，随着开断电流的逐渐增大，其平均燃弧时间也随之增长，分散性也增大，重燃和重击穿的概率增大。因此，对于同一电压等级的真空断路器，开断电流越大，所要求的分闸速度也就越高。

对于真空断路器，影响开断能力最大的不是平均分闸速度，而是刚分速度。若刚分速度不高，电弧在第一个过零点触头间隙很小，此时金属蒸汽尚处于高密度状态。由于动静触头没有达到足够的开距，很容易导致电弧的重燃。因此，从提高开断性能这个角度，刚分速度越大越好。提高刚分速度的另一好处是短路开断时很容易拉断动静触头间轻微的熔焊点。

5、结语

“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名。其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中得到了广泛的应用。制造厂要做好真空断路器，需从设计、制造、测试、安装到维护全流程管控，精细化管理。