真空断路器机械特性和电气性能

无可置疑真空断路器在本质上是典型的电气产品，但它又是通过复杂的机械传动来实现的，因而机械产品的第二特性在人们印象中更为突出。无怪很多开关企业在招聘人才时总是将“熟练掌握CAD技术”的机械工程师放在第一位。于是在我们行业中普遍存在一个电气产品由机械工程师来开发的非正常现象，他们理所当然的按灭弧室罗列的参数做机械设计。如果一切顺利，相安无事也就罢了，然而偏偏开断型式试验不争气，多年来一直存在12-15%的失败率。责任和原因就很难找，管子厂声称自己严格按照工艺，绝无偷工减料之嫌。整机厂也把责任推得一干二净，行程、超程、分合闸速度等都一点不差。最后往往怀疑到触头材料上，随便安上一个“罪名”，如存有气孔而不了了之。很少有人怀疑到管子厂提供的参数(尤其是分闸运动参数)是否正确。如果不正确，怎样才是正确的。这就是本文要述说的议题。
　　
　　真空开关的机械特性对电气性能影响最大的是分闸运动特性，本文就拿它说事。真空开关的分闸运动特性都是以“分闸速度”来表述的。我国第一代真空开关（70年代至80年代初）的分闸速度是以全程的平均速度来定义。第二代（80年代中期至今）改为前半程的平均值，即初始6mm的平均数。这一变动有其积极意义，开始有了初分速度的味道，但问题还没有完全解决。在上世纪九十年代中期少油改真空的过程中有一现象引起人们的注意：那种模仿少油开关结构的分体式真空开关在开断试验中，失败率明显高出其它真空开关许多。什么道理呢?分闸速度同样是初始半程1.2±0.2m/s。当我们分析机构的分闸弹簧力时就发现问题所在。当时10kV的真空开关分闸速度都基本相同，但分闸弹簧力相差甚巨。ZN12为1100N，ZN65为900N，而该分体式为1800N，高出同类开关许多。这说明后者的“等效质量”（折算到动导电杆上其它可动连杆的质量）大大高出前者，尽管6mm的平均速度相等，但起步速度却很慢。这种起步速度完全不利于首开相开断的条件。因此我们认为现在的分闸速度定义不够准确，满足它并不能保证其电气性能。6mm对首开相开断太远，而对后开相开断又太近。因此有必要对真空开关分闸运动进行科学的定义，要做到这一点就有必要对真空电弧，尤其是它的动态特性有初步的了解。
　　
　　我们在研究真空开关时都或多或少受传统断路器概念的影响，尤其是电弧特性。搞清楚两者区别是相当重要的。真空电弧和大气电弧有两大差别：其一，大气电弧的介质是绝缘体，电离后才成为导体。真空开关的介质是金属蒸汽，不论它是原子状态还是离子状态，它都不是绝缘体。因此，前者开断成功依赖离子的复合;而后者只能靠金属蒸汽的扩散。当金属蒸汽密度在电流过零瞬间衰减到金属粒子碰撞自由行程大于灭弧开距(λ>Ti0)时，断口的绝缘强度就建立起来了。(这就是真空间隙绝缘性能的基本属性)。其二，大气电弧的介质气体分子是客观存在，微观上作无序的热运动(布朗运动)，宏观上是静止的，且均匀分布。而真空电弧介质原先并不存在，它的产生是阴极斑点蒸发金属蒸汽的结果。它一旦生成，在真空状态下形成压力差，便具备了巨大势能并呈锥体形状快速扩散。此时的金属蒸汽密度分布梯度极大，在阴极斑点锥体尖端，金属蒸汽密度大的区域才有可能发生碰撞游离(阴极等离子区)。在电弧大部分区域碰撞游离基本不会发生。我们称它为“扩散型”电弧。它的各种物理属性示意图见图1。

　　图1a扩散型电弧示意图
　　
　　图1b扩散型电弧金属蒸汽密度分布图。N为密度，λ为自由程，X为开距。
　　
　　图1c扩散型电弧伏-安特性
线性的伏安特性赋予了它可以并联存在的特性（对触头的烧损甚微），又由于它大部分空间λ>T，因此电流过零成功开断的必要条件就一定是：在电流过零前电弧一定为扩散型。满足λ>Ti0不等式。
　　
　　有了对真空电弧的初步了解，断路器分闸运动特性如何设置就可以议论一番了。既然是开断三相交流电，又是过零开断。就必定会有首开相和后开相（中性点不接地系统），见图2。
　　
　　首开相开断和后开相要求的灭弧环境是各不相同的，我们必须营造不同的环境来满足它们的各自需要。首开相开断即有有利条件也有不利条件。有利的是:电流正处于下降阶段，它开断的实际电流要远远小于额定值(见图2)。不利的是:首开相的恢复电压高(1.5倍相电压).再是此刻触头刚刚分离，窄小空间金属蒸汽必定密度大而梯度小，电弧呈高气压，如同大气电弧，对触头烧损严重，此刻任何延误都会使开断失败。要想将金属蒸汽电弧由高气压快速衰减为低气压的最有效措施就是提高初分速度(0～2mm的速度)，扩大金属蒸汽存在的空间(密度与体积成反比)，扩大金属蒸汽向四周扩散的通道。因此，真空断路器的设计务必减小等效质量(ZN65就将触头压簧及其相关部件从分闸运动中剥离出来)，减少分闸弹簧力的传递环节，当然最理想的是学习非真空断路器做到V0>0。
　　
　　图2
　　
　　首开相成功开断后就轮到后开相开断了。它的有利条件是：由于中性点不接地，一相电流开断后，其他两相电流成为一个回路，一个断口电弧熄灭，另一断口电流自然也就终止。此刻每个断口的恢复电压为线电压的一半(0.866的相电压)，比1.5倍相电压的首开相恢复电压低多了。而且两个真空间隙的绝缘强度远远高于二倍长度间隙的单断口。不利条件是：后开相燃弧时间要比首开相多5ms，触头烧损自然严重一些。还有一不利条件：当首开相燃弧时间为4-6ms时(发生概率很高)，后开相灭弧将为9-11ms，这样一来后开相灭弧区便进入了分闸到底的机械震动区，灭弧环境极为恶劣。
　　
　　分析了后开相开断的有利和不利条件后，真空开关的分闸运动特性第二阶段设置就有理论根据了。为了营造后开相灭弧的有利环境，在首开相开断后应将分闸速度大幅度降下来，最理想的是在中途(5-6mm)熄弧。理由有：其一，后开相比首开相多跑5ms，实无快的必要。其二，成功开断的必要条件为λ>Ti0，Ti0短一些不等式更易成立。其三，短开距灭弧在开断小感性电流时可降低截流值。试验证明后开相的截流值为首开相的4.5倍。道理很简单：同样数量的金属蒸汽，小空间要比大空间的密度大，等效在触头材料中加了低熔点金属又不影响开断大电流的能力。其四，灭弧环境力求平静，应在匀速或近似匀速运动中来完成。至此电弧全熄灭了，但整个开断过程还没有结束，动导电杆还在运动，此刻开关设计师对机械运动特性处理不当（目前大都处理不理想），仍将留下开断失败的隐患。因此，开断的第三阶段分闸速度应更近一步降下来，达到两个目的：（1）减弱机械震动强度。（2）将机械震动区远离后开相灭弧区。这一重要指标往往被人忽视而使开断出现麻烦。
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