第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
真空滅弧室的發(fā)展主要取決四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)．它們分別是觸頭材料、電弧控制系統(tǒng)、滅弧室的結(jié)構(gòu)以及滅弧室制造工藝。
1、觸頭材料
真空滅弧室的觸頭材料是決定滅弧室特性的重要因素之一．同時(shí)觸頭材料還決定了真空開關(guān)的應(yīng)用范圍和新產(chǎn)品的開發(fā)方向．因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極致力于觸頭材料的 研究 真空滅弧室的觸頭材料要求含氣量低、抗熔焊性能優(yōu)良且截流水平低，同時(shí)又要求具有大的分?jǐn)嚯娏鞯哪芰?、高的耐壓值、高的?dǎo)電和導(dǎo)熱能力以及耐電弧燒蝕能力181由于這些性能的矛盾性．很難有一種觸頭材料能同時(shí)滿足這些要求．通?？偸菭奚我阅軄肀ＷC對(duì)主要性能的要求．分?jǐn)嗄芰湍碗妷褐低ǔＪ亲钕瓤紤]的因素日前占統(tǒng)治地位的觸頭材料是CuCr50和CuCr25．它有許多其他材料不具備的優(yōu)點(diǎn)它們的耐強(qiáng)度高．分?jǐn)嗄芰Υ?，截流水平低，抗熔焊性能較好．綜合性能指標(biāo)比較優(yōu)越同時(shí)Cr在冷凝時(shí)也有很好的吸氣能力特別是CuCr50的耐電弧燒蝕能力非常好．冷凝后的觸頭表而很光滑．弧后絕緣性能很好。
2、電弧控制系統(tǒng)
電弧控制系統(tǒng)是通過對(duì)真空滅弧室內(nèi)觸頭結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)．使高壓大電流下的集聚性電弧轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散性電弧．或使集聚弧快速運(yùn)動(dòng)以避免觸頭局部過度熔化．達(dá)到提高開斷能力的目的目前有4種常用的真空滅弧室的觸頭結(jié)構(gòu)．分別是①平板對(duì)接式觸頭；②螺旋型橫磁觸頭；③線圈式縱磁觸頭；④杯狀縱向磁場(chǎng)觸頭。
3、滅弧室結(jié)構(gòu)
真空滅弧室主要由絕緣外殼．屏蔽罩．波紋管和動(dòng)、靜觸頭等組成J。按絕緣外殼的材料不同，可分為玻璃外殼、陶瓷外殼和微晶玻璃外殼；目前，主要使片j的是玻璃外殼和陶瓷外殼．這兩種技術(shù)已經(jīng)成熟．相比較而言．陶瓷外殼的真空滅弧室的產(chǎn)品質(zhì)量要比玻璃外殼的好．但相對(duì)而言價(jià)格也高微晶玻璃的機(jī)械強(qiáng)度比氧化鋁陶瓷還高．且價(jià)格低于氧化鋁陶瓷．將是制造真空滅弧室的理想材料真空滅弧室內(nèi)常用的屏蔽罩有主屏蔽罩、波紋管屏蔽罩和均壓屏蔽罩合理地布置滅弧室的屏蔽罩．可優(yōu)化內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)．使電場(chǎng)分布均勻，電場(chǎng)強(qiáng)度峰值減小。且使峰值出現(xiàn)在遠(yuǎn)離觸頭的部位以往的高壓真空滅弧室設(shè)計(jì)大多以解決主間隙的電場(chǎng)均勻性為目的．或?qū)ΜF(xiàn)有真空滅弧室進(jìn)行仿真 分析 ．對(duì)個(gè)別結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)按這種思路進(jìn)行電場(chǎng) 分析 難以得到所希望的優(yōu)化結(jié)構(gòu)文『16]借鑒已有的成果，提出一種真空滅弧室設(shè)計(jì)的新方法：利用有限元法和最優(yōu)化理論．推導(dǎo)出真空滅弧室的電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型．對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化．從而得到滅弧室內(nèi)各屏蔽罩間最佳的電場(chǎng)配置．提高了滅弧室的耐壓能力波紋管能在動(dòng)觸頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)中保證真空滅弧室外殼的完全密封從機(jī)械上講．它是真空滅弧室中最薄弱的元件．真空滅弧室的機(jī)械壽命主要取決于波紋管目前主要有液壓成形的波紋管和薄片焊接波紋管液壓成形的波紋管的加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單．價(jià)格也比較便宜．所以使用較廣：薄片焊接波紋管通常用于機(jī)械壽命要求長(zhǎng)、額定電壓等級(jí)高、觸頭行程大的滅弧室中另外．在調(diào)試真空開關(guān)時(shí)．要防止波紋管受到過量的壓縮．開關(guān)過沖行程不宜過大．從而保護(hù)波紋管．延長(zhǎng)其使用壽命。
第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程
真空滅弧室的制造工藝歷來是最難的．其對(duì)生產(chǎn)條件的要求非常高。產(chǎn)20世紀(jì)20年代．Millikan和ScrensenRW教授在 研究 金屬電子的場(chǎng)致發(fā)射過程中．觀察到真空間隙有很高的介質(zhì)強(qiáng)度．并利用此現(xiàn)象發(fā)明了真空開關(guān)。
目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的是一次封排工藝，這也是目前最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝．是真空工藝突破性的進(jìn)展。所謂一次封排．就是真空滅弧室的封口和排氣同時(shí)進(jìn)行一次完成。20世紀(jì)80年代初，美、英等同已將一次封排工藝用于真空滅弧室的隹產(chǎn)。日本東芝公司的真空滅弧室也廣泛采用一次封排工藝。我國(guó)的滅弧室生產(chǎn)廠家也在20世紀(jì)90年代普遍引進(jìn)了此制造工藝采用一次封排新工藝,使真空滅弧室因漏氣或真空度下降造成的失效率從原來的0.3%下降到0．1％，甚而降至0．03％。一次封排工藝與常規(guī)的排氣工藝相比,大大簡(jiǎn)化了工藝流程，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本：大大促進(jìn)了真空滅弧室的發(fā)展。
第三節(jié) 國(guó)內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì) 分析
1、小型化
真空電弧理論的發(fā)展和內(nèi)部電場(chǎng)優(yōu)化使真空滅弧室體積更??；復(fù)合絕緣技術(shù)的應(yīng)用使真空滅弧室結(jié)構(gòu)尺寸大大減??；真空斷路器機(jī)械特性的改進(jìn)、同步開斷技術(shù)和高性能觸頭材料的應(yīng)用使真空滅弧室“升級(jí)”，使用成為可能。
真空滅弧室的小型化工作不論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了很多年，并已取得了一定的成效。德國(guó)Calor-Emag公司新研制成的VC2型真空斷路器，其12kV、20kA的真空滅弧室的觸頭直徑僅為40mm，12kV、50kA真空滅弧室的觸頭直徑為80mm。
德國(guó)AEG公司最新推出的第三代真空滅弧室，其體積比縮小到原來產(chǎn)品的1／3。日本東芝公司研制成功SADE技術(shù)，使用該技術(shù)的真空滅弧室體積只有采用線圈式觸頭結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的一半。
2、低成本
真空滅弧室的小型化保證了低成本實(shí)現(xiàn)的可能。在近20年的時(shí)間里，國(guó)產(chǎn)真空滅弧室的體積減小了50%，價(jià)格降低了70%左右，其中有生產(chǎn)廠家提高工藝水平（如一次封排工藝的普遍采用），提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本的努力，也與觸頭、波紋管、陶瓷殼等零件成本的降低密切相關(guān)。
3、高電壓
隨著真空開關(guān)制造技術(shù)和理論 研究 水平的不斷提高，真空開關(guān)的發(fā)展已在嘗試著向高電壓大容量方向發(fā)展。美國(guó)通用電氣公司1980年后生產(chǎn)出了168kV/40kA的雙斷口真空斷路器，日本明電舍公司1980年開始生產(chǎn)145kV/31.5kA單斷口真空斷路器，日本東芝公司1987年研制成功了145kV/31.5kA單斷口真空滅弧室及168kV雙斷口真空斷路器。此外，日本三菱公司已研制成功270kV單斷口真空滅弧室，并且準(zhǔn)備發(fā)展500kV雙斷口真空斷路器，一旦研制成功，估計(jì)其造價(jià)比同電壓等級(jí)的六氟化硫斷路器低。國(guó)內(nèi)目前已有北京開關(guān)廠和西安高壓開關(guān)廠研制的126kV真空斷路器(均采用日本明電舍真空滅弧室)一次通過了全部型式試驗(yàn)并完成鑒定。
4、大電流
發(fā)電機(jī)保護(hù)用斷路器由于額定工作電流較大，對(duì)真空斷路器來說溫升要求較難達(dá)到，同時(shí)，由于其短路電流開斷后瞬態(tài)恢復(fù)電壓上升速率高，要求有更高的介質(zhì)恢復(fù)速度，因此，這方面的使用一直受到限制。但近幾年在發(fā)電機(jī)保護(hù)用的真空斷路器、真空滅弧室方面都有了長(zhǎng)足發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)6300A/80kA的真空型發(fā)電機(jī)保護(hù)用斷路器。
5、低電壓
低壓開關(guān)電器產(chǎn)品是量大面廣的電器基礎(chǔ)元件，由于真空開關(guān)具有防爆和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，只要價(jià)格限制在一定水平，是有十分巨大的市場(chǎng)前景的。德國(guó)西門子公司1994年推出了額定電壓380V～1140V、額定電流630A～2500A、額定短路開斷電流為20kA～65kA的真空斷路器產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)已研制出了380V～1140V、額定電流1600A～3200A、額定短路開斷電流30kA～80kA的低壓真空斷路器及其真空滅弧室。
6、固封極柱（固封式真空滅弧室）
采用APG技術(shù)，將真空滅弧室及其它的連接組件固封成極柱，極大的提高了真空斷路器的耐候性，減少了相間距，使真空斷路器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更?。还谭饧夹g(shù)的應(yīng)用，使真空滅弧室的外絕緣水平得到了強(qiáng)化，真空滅弧室的高度尺寸尤其是絕緣外殼的尺寸可以盡量縮短，在內(nèi)部絕緣優(yōu)化的基礎(chǔ)上，真空滅弧室的體積也相應(yīng)減少。但固封技術(shù)要求在真空滅弧室與緩沖層、緩沖層與環(huán)氧樹脂之間形成良好的結(jié)合，不能有空氣隙，否則很容易產(chǎn)生絕緣擊穿。
7、長(zhǎng)壽命
車載開關(guān)及電弧爐用頻繁操作的斷路器要求機(jī)械壽命長(zhǎng)達(dá)10萬次甚至25萬次。隨著新型的操動(dòng)機(jī)構(gòu)如永磁機(jī)構(gòu)的研制開發(fā)、波紋管制造技術(shù)的改進(jìn)、真空滅弧室裝配工藝的優(yōu)化，長(zhǎng)壽命的機(jī)構(gòu)和真空滅弧室相繼開發(fā)出來，雖然l0萬次機(jī)械壽命的真空滅弧室已經(jīng)通過了型式試驗(yàn)，但在長(zhǎng)壽命真空滅弧室方面還有許多工作要做，首先要保證一致性，其次要向更高的壽命要求進(jìn)軍，滿足市場(chǎng)需求。
8、專用化
在市場(chǎng)日益細(xì)分的今天，一些專用的開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。鑒于開合電容器組時(shí)真空開關(guān)重燃引起的過電壓會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，有必要研制開合電容器組專用的真空開關(guān)。同樣，在鐵合金廠，用于電弧冶煉爐的開關(guān)由于操作過電壓比較高、使用環(huán)境惡劣，要求真空開關(guān)極間和對(duì)地的絕緣水平要高、過電壓要低、使用壽命要長(zhǎng)，因此有必要研制針對(duì)鐵合金廠的新型真空開關(guān)及真空滅弧室。
第四節(jié) 概述
人類從事將真空作為滅弧和絕緣介質(zhì)的應(yīng)用 研究 ，到現(xiàn)在已有一百多年的歷史。早在1893年，美國(guó)人里頓豪斯(Rittenhause)就設(shè)計(jì)出世界上第1 只真空滅弧室并以專利的形式發(fā)表；1920年，瑞典佛加（Birka）公司研制出世界上第一臺(tái)真空開關(guān)。
到1950年前后，隨著真空技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)如冶金技術(shù)等的發(fā)展，真空滅弧室的制造技術(shù)得到了提高，又重新開始了真空開關(guān)在工業(yè)上應(yīng)用的 研究 。1956年，羅斯(H．Cross)對(duì)杰寧無線電制造公司(Jenning)生產(chǎn)的用于高頻回路的真空開關(guān)進(jìn)行了改造，試制出了15kV、200A的真空開關(guān)。
1961年美國(guó)通用電氣公司在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上首先研制成功額定電壓15kV、12.5kA的真空斷路器，1966年相繼研制成功額定電壓為15kV、開斷電流為25kA和31.5kA的真空斷路器，從此真空開關(guān)正式進(jìn)入電力開關(guān)的行列，美國(guó)也因此成為世界上最早批量生產(chǎn)和使用真空開關(guān)的國(guó)家，在其影響和推動(dòng)下，歐洲和亞洲的部分國(guó)家也相繼開始了研制工作，真空開關(guān)從此在全球范圍內(nèi)得到認(rèn)同和發(fā)展。
二十世紀(jì)70年代初，全球范圍掀起的中壓開關(guān)無油化浪潮給真空開關(guān)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。憑借自身巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，真空開關(guān)僅用了不到20年的時(shí)間就取代少油開關(guān)而成為中壓領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品。目前單斷口真空斷路器已達(dá)到145kV 電壓等級(jí)，短路開斷電流已達(dá)到200kA 。
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