【正文】 氣吹變開距式，其滅弧過程同示于圖。滅弧室內(nèi)由主動、靜觸頭 7組成主導(dǎo)電回路，以及由輔助動、靜觸頭 9組成的弧觸頭回路，前者僅通過電流，而電弧的燃燒與熄滅是在輔助觸頭上，這樣可以提高主觸頭的載流能力和使用壽命。動、靜輔助觸頭均采用空心導(dǎo)管，頭部鑲有耐弧材料。噴口 10采用聚四氟乙烯材料制成。六氟化硫氣體密度繼電器 13用以監(jiān)視斷路器的工作壓力。 此類斷路器的額定電壓為 220kv(單個滅弧室的額定電壓為 110kV)，開斷電流為 40kA一 50kA、額定電流可達(dá)4000A。 SF6工作氣壓為 ，閉鎖壓力為 。在環(huán)境溫度抵達(dá)－ 50度使用時，可采用混合氣體為絕緣、滅弧介質(zhì)。其滅弧室能方便地串聯(lián)組合，構(gòu)成 110 kv、220kv和更高電壓等級的斷路器。 此類斷路器結(jié)構(gòu)較簡單，用氣量少，金屬用量少，組合性強，價格也適宜，也適合我國現(xiàn)行變電站的使用。該斷路器不能自帶電流互感器，抗震性能欠佳是其缺點。 2． LNI— SF6斷路器 LNI— SF6斷路器是在電氣化鐵路牽引變電所廣泛采用的斷路器之 — 其結(jié)構(gòu)如圖 。這是一種壓氣式 SF6斷路器，其中約 3~5個大氣壓用以維持絕緣的需要。其開斷過程由示意圖 。圖中 (a)為合閘狀態(tài)，這時工作電流由工作靜觸頭 1及工作動觸頭 2導(dǎo)通。當(dāng)斷路器開始分閘時，如 (b)所示，這時工作觸頭 1及 2首先分離，熄弧靜觸頭 3和動觸頭 4還保持接通，電弧尚未發(fā)生，但由于連桿機構(gòu)的作用，壓氣活塞 6已開始向上運動，壓縮汽缸 5中的 SF6氣體。電弧產(chǎn)生后的熄弧過程如 (c)所示，這時熄弧觸頭分離，在斷口間隙產(chǎn)生電弧，而壓氣活塞 6已將汽缸中的 SF6氣體大量壓縮，高壓的 SF6氣體從斷口的噴口處大量噴出，從而使電弧迅速熄滅。 當(dāng)車架 6退出后 (圖 )，隔離觸指和電路分離，斷路器本體完全處于無電狀態(tài)，所以檢修比較方便。 由于牽引變電所接觸網(wǎng)故障頻繁，而 SF6斷路器具有允許開斷次數(shù)多的優(yōu)點，所以，牽引變電所饋線側(cè)斷路器曾廣泛采用 SF6斷路器。但是根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗， SF6斷路器漏氣問題一直沒有很好解決，加之真空斷路器的發(fā)展，牽引側(cè)的 SF6斷路器大都被真空斷路器所取代。 四、真空斷路器 利用真空作為絕緣及滅弧手段的斷路器，稱為真空斷路器。真空斷路器近年來不斷發(fā)展對高中壓開關(guān)行業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊，在 3kv～ 35kv電網(wǎng)中占據(jù)了舉足輕重的地位。目前許多國家都在致力于真空斷路器用于高壓和超高壓電網(wǎng)中的研究。 (一 )真空間隙的擊穿特性 真空斷路器的觸頭置于 10－ 2Pa以上的真空中，其中每立方厘米內(nèi)只有 l012個氣體分子，電子的自由行程達(dá) 26m以上，它比一般真空斷路器觸頭間隙 (幾到幾十毫米 )大得多，因此，即使真空間隙中存在自由電子也不可能由于電子和分子發(fā)生碰撞游離導(dǎo)致間隙擊穿。所以，真空間隙的擊穿機理必然只同電極情況有關(guān)。目前，關(guān)于真空間隙的擊穿機理是正在發(fā)展中的研究課題，有許多不同的說法，比較普遍的有場發(fā)射引起擊穿和微粒引起擊穿兩種。 (1)場發(fā)射引起擊穿。這一學(xué)說認(rèn)為，電極表面不可能是絕對光滑的，總是存在著大量的微小凸起和尖端。當(dāng)電極加上電壓時，這些凸起和尖端的頂部將產(chǎn)生很高的電場強度，從而引起強場發(fā)射，使間隙中流過一定數(shù)量的電子電流。此電子電流通過兩個途徑使間隙擊穿。一是強場發(fā)射的電流流過電極表而的微小凸起和尖端時，由于電流密度高，使得它們?nèi)刍驼舭l(fā)，在間隙中產(chǎn)生大量的金屬蒸氣，電子在向陽極運動過程中穿過金屬蒸氣時使金屑蒸氣游離，引起間隙擊穿。二是強場發(fā)射的電子由電場加速后轟擊陽極，使陽極表而釋放氣體、熔化和蒸發(fā)，電子再將這些氣體和金屬蒸氣游離，引起擊穿。 (2)微粒引起擊穿。這一學(xué)說認(rèn)為，電極表面存在金屬微粒。這些微粒可能是機械加工留下的金屬屑、電弧熔化或金屬汽化后生成的金屬微粒，也可能是強電場從金屬內(nèi)部拉出的金屬絲狀物。它們通常與電極本體結(jié)合得不太牢固，在電場作用時，在靜電力作用下可能被加速，從一電極向另一電極運動。在運動過程巾．微粒不斷受列強場發(fā)射的電子流的轟擊、溫度不斷升高，所帶的電荷量也不斷增大，因此，當(dāng)微粒飛近相對的電極時，有可能因溫度很高而蒸發(fā)成金屬蒸氣，以及由于微粒和電極之間電場很強而發(fā)射電子。另外，如間隙中電場足夠強，則因微粒此時已積有相當(dāng)大的動能，在微粒和電極相撞后，此動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽部赡苁刮⒘１旧碚舭l(fā)。通過這些方式產(chǎn)生的蒸氣若被電子所游離，則將引起間隙擊穿。 實際上，這兩種機理可能是同時存在而不一定是單獨地起作用。對于小間隙 (10mm以下 )，場發(fā)射說的分析與實驗比較接近；而較大間隙，微粒說比較適合。 真空間隙的擊穿主要與真空間隙距離、真空度、觸頭(電極 )材料、觸頭表面狀況等因素有關(guān)。 2．真空絕緣的“老煉”作用 一個新的真空間隙在進行試驗時，最初的擊穿電壓值往往較低，隨著試驗次數(shù)增多，擊穿電壓漸增，而且會最后穩(wěn)定在一定值上。這種絕緣強度因放電過程而增大的現(xiàn)象就是“老煉”作用。 “老煉”就是消除電極表面的微觀凸起、雜質(zhì)的缺陷的過程，“老煉”對電極表層材料的純化作用是很重要的。如果在“老煉”過程中保持抽氣，把蒸發(fā)的氣態(tài)產(chǎn)物抽走、則可以獲得更純凈的真空間隙及電極表面，這對提高間隙長期穩(wěn)定的絕緣強度是很有效的。 (二 )真空電弧的特性 真空中的電弧與氣體中的電弧有本質(zhì)的不同。在氣體電弧中，是氣體被游離產(chǎn)生載電粒子，在真空中，電極間氣體非常稀薄，不存在氣體游離的問題，弧柱中存在的載電粒子，主要來自金屬蒸氣分子的游離。因此真空電弧實質(zhì)上是金屬蒸氣中的電弧，它的性質(zhì)視電極材料的不同而有差異。 真空電弧有兩種類型，即擴散型與集聚型。一般地說，擴散型電弧的電弧電流小于幾千安 (小電流 )，當(dāng)電流超過幾千安 (大電流 )，即發(fā)展為集聚型電弧。在同一真空間隙中，電弧電流變化時，這兩種類型電弧的轉(zhuǎn)換與電極材料、電極大小及形狀有關(guān)，也與電流變化率及外界磁場有關(guān)。 1．?dāng)U散型電弧 (小電流電弧 )的物理特性 擴散型電弧一般存在于電弧電流小于幾千安時。對于銅電極，當(dāng)電弧電流小于 l00A時，通常陰極上只有一個陰極斑點，弧隙中只有一個電弧。電弧呈圓錐形．錐頂即陰極斑點，不存在陽極斑點，此電弧在電極表面上隨機運動。試驗表明：陰極斑點由于面積很小，電流密度很大，其溫度可達(dá)電極材料的沸點。它不僅向弧隙蒸發(fā)大量的金屬蒸氣、而且同時噴射大量的電子和正離子，形成一股噴射力很強的等離子流。真空電弧即是依靠這些金屬蒸氣和等離子流而存在的。 當(dāng)電弧電流增大時，擴散型電弧分裂成許多并聯(lián)的支弧。每一支弧都有自己的陰極斑點和弧錐，相鄰的弧錐可以部分地重疊。這些支弧的陰極斑點大致均勻地散布在電極表面上，同時由電極中心沿半徑方向向電極邊緣運動。當(dāng)某一支弧到達(dá)電極邊緣后，它便熄滅，隨之電極中心部分的某一支弧又分裂出一個支弧來進行補充。 正因為這種形態(tài)的真空電弧具有如此的運動特性，所以被稱為擴散型。當(dāng)電弧電流為交流時，由于電流隨時間變化，支弧數(shù)也隨時間變化。 擴散型真空電弧的弧錐中氣壓很低，從陰極斑點噴射出來的正離子和電子幾乎可以不受碰撞地到達(dá)陽極，所以弧錐中的電壓降很小，一般擴散型真空電弧的電弧電壓僅為幾十伏。 擴散型真空電弧的伏－安特性表現(xiàn)為正特性，即隨著電流的增大，電弧電壓緩慢上升。 如果對擴散型真空電弧加上一橫向磁場 (即磁場方向與電弧軸線垂直 )，可以看到一奇特現(xiàn)象，即電弧不是按通常的“左手定則”運動，而是向相反的方向運動。此現(xiàn)象稱為“反向運動”或“逆動現(xiàn)象”。 擴散型電弧的陽極只起接收電子的作用，沒有陽極斑點。 2．集聚型電弧 (大電流電弧 )的物理特性 當(dāng)電弧電流增大到超過一定值 (例如銅電極約為10000A)時．真空電弧的各個支弧將不再向電極四周擴散，而是開始向中心聚攏，最后成為只有一個陰極斑點的電弧，集聚后的陰極斑點以很小的速度隨機運動或者不運動。觸頭的電腐蝕速度迅速上升，陽極出現(xiàn)斑點，它和陰極斑點此時不僅同樣蒸發(fā)金屬蒸氣和噴射等離子流，甚至可能直接向弧隙噴射金屬顆?；蛞旱危蚨够∠吨薪饘僬魵夂偷入x子體密度大大增大，氣壓大大升高，電弧電壓也突然上升。此時電弧的外形和特性基本上已和高氣壓下的電弧相同，這通常稱為集聚型電弧。真空電弧一旦變成集聚型，如果不采取其他特殊措施，則因弧隙中帶電粒子密度很高，在電流過零后來不及擴散，以及陰極斑點熔區(qū)厚度較深來不及冷卻，還可能發(fā)射金屬蒸氣和帶電粒子，造成弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度上升慢而不能熄弧。 所以．對一般觸頭可以認(rèn)為，真空電弧由擴散型轉(zhuǎn)變?yōu)榧坌偷碾娏骶褪腔∠兜臉O限開斷電流。 試驗表明，當(dāng)在真空弧隙中加上與電流軸線方向一致的縱向磁場后，如果選擇的磁通密度適當(dāng)，則弧隙的開斷性能將在下列兩個方面有很大改善。即①電弧電壓大為降低，從而使觸頭的電腐蝕速率大大減小。②電弧由擴散型轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂偷碾娏髟龃?，致使弧隙的開斷電流增大。 (三 )真空滅弧的基本原理與滅弧空結(jié)構(gòu) 1．真空交流電弧過零后的介質(zhì)強度恢復(fù) 真空交流電弧的熄滅與其他交流電弧一樣，主要決定于電流過零后弧隙介質(zhì)強度的恢復(fù)。真空電弧電流過零后介質(zhì)強度的恢復(fù)速度與下列情況有關(guān)：①過零瞬間，弧隙中的蒸氣密度；②電流過零后，電弧的熱狀態(tài)，也即繼續(xù)發(fā)射蒸氣及帶電粒子的能力。 擴散型電弧表面溫度很低，同時由于陰極斑點在電極表面上迅速擴散運動，它所經(jīng)過的地點加熱時間短，熔區(qū)厚度不深，在交流電流過零時，這些區(qū)域基本上已不再噴射金屬蒸氣和帶電粒子，加上滅弧室中真空本身具有使弧隙中金屬蒸氣和帶電粒子迅速擴散的作用，所以，真空弧隙在交流電流過零后，在極短的時間內(nèi)（ (us級 )微秒級）就可以建立起很高的介質(zhì)恢復(fù)強度，使電弧不致重燃。 集聚型電弧特造成弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強度上升緩慢，不容易熄弧。 2．橫向磁場與縱向磁場中真空電弧的熄滅特性 如果不采取提高滅弧能力的措施，真空開關(guān)的開斷能力也是有限的。例如銅電極的開斷能力只能達(dá)到 8kA～15kA。為了提高真空開關(guān)的開斷能力，目前在真空斷路器中采用的滅弧原理有： （ 1）垂直于電弧弧柱方向加一橫向磁場，使電弧弧根不斷地在電極上運動，而不停止在一處燃燒。這時，即使出現(xiàn)集聚型電弧，它的溫度以及在電極上燒熔的面積和深度都將大大地降低。使陽極斑點的冷卻時間常數(shù)由幾毫秒甚至幾十毫秒降至十分之幾毫秒。這樣，在電流過零期間，由陽極斑點發(fā)射的金屬蒸氣和帶電粒子大為減少，而且冷卻快，可以提高弧后介質(zhì)恢復(fù)速度，阻止零后電弧重燃。 電弧受橫向磁場的作用不斷地運動，冷卻作用加強，也可以便電流由幅值降到零值時，電弧由集聚型向擴散型的轉(zhuǎn)變加快，使在過零期間，電弧早已處于擴散型狀態(tài)。 (2)順著弧柱的方向加一縱向磁場，提高產(chǎn)生陽極斑點的臨界電流，降低電弧電壓，阻止陽極斑點的出現(xiàn)。 縱向磁場可以使弧柱中運動的電子沿著 Larmor半徑R(由下式確定 )的螺旋軌跡向陽極運動。 qBmvR ?sin0?其中 m為電子的質(zhì)量； q為電子的電荷； B為磁通密度；v0為電子的初速度； φ為發(fā)射角。 實際上，由于密度差而引起的擴散，不是所有的電子完全限制在這樣一個小范圍內(nèi)，而是加上縱向磁場后，原來在小電流時分散的，圓錐形的獨立弧柱各自都被收縮為圓柱形的細(xì)弧柱，而且這些弧柱中心電子密度大。同時，由于離子的質(zhì)量較大。在同樣的磁通密度下， Larmor半徑較大，亦即對離子的運動軌跡影響不大，但由于弧柱中心電子密度大，產(chǎn)生一個徑向磁場，吸收正離子到電子周圍 形成多個圓柱形弧柱的分支。這樣使陽極附近的電子減少，陽極壓降降低，阻止陽極斑點的形成，提高陽極斑點出現(xiàn)的臨界電流，提高了斷路器的開斷能力。 3．真空滅弧室的基本結(jié)構(gòu) 圖 ，滅弧室的主體是一個抽真空而密封的玻璃或陶瓷外殼 3，外殼的中間部分與可閥環(huán) 7焊接成一個整體，滅弧室的氣體壓力在 10－ 2Pa以下。 屏蔽罩 5焊在可閥環(huán)上，靜觸頭 6焊在導(dǎo)電桿上，靜導(dǎo)電桿焊在右端蓋上，端蓋又與外殼焊在一起。動觸頭 4焊在動導(dǎo)電桿 1上，動導(dǎo)電桿與波紋管 2一端焊牢，波紋管的另一端與左端蓋焊接，左端蓋又與外殼焊在一起。為了不使金屬蒸汽凝結(jié)到紋管上，波紋管外也套有屏蔽罩，左端蓋上裝有均壓環(huán)。