【正文】 氣吹變開(kāi)距式，其滅弧過(guò)程同示于圖。滅弧室內(nèi)由主動(dòng)、靜觸頭 7組成主導(dǎo)電回路，以及由輔助動(dòng)、靜觸頭 9組成的弧觸頭回路，前者僅通過(guò)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(dòng)、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(gè)滅弧室的額定電壓為 110kV)，開(kāi)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(shí)，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(jí)的斷路器。 此類斷路器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，用氣量少，金屬用量少，組合性強(qiáng)，價(jià)格也適宜，也適合我國(guó)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(diǎn)。 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(gè)大氣壓用以維持絕緣的需要。其開(kāi)斷過(guò)程由示意圖 。圖中 (a)為合閘狀態(tài)，這時(shí)工作電流由工作靜觸頭 1及工作動(dòng)觸頭 2導(dǎo)通。當(dāng)斷路器開(kāi)始分閘時(shí)，如 (b)所示，這時(shí)工作觸頭 1及 2首先分離，熄弧靜觸頭 3和動(dòng)觸頭 4還保持接通，電弧尚未發(fā)生，但由于連桿機(jī)構(gòu)的作用，壓氣活塞 6已開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，壓縮汽缸 5中的 SF6氣體。電弧產(chǎn)生后的熄弧過(guò)程如 (c)所示，這時(shí)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(wú)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(kāi)斷次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)，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(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)， SF6斷路器漏氣問(wèn)題一直沒(méi)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(lái)不斷發(fā)展對(duì)高中壓開(kāi)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(guó)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(gè)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(jī)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(jī)理是正在發(fā)展中的研究課題，有許多不同的說(shuō)法，比較普遍的有場(chǎng)發(fā)射引起擊穿和微粒引起擊穿兩種。 (1)場(chǎng)發(fā)射引起擊穿。這一學(xué)說(shuō)認(rèn)為，電極表面不可能是絕對(duì)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(shí)，這些凸起和尖端的頂部將產(chǎn)生很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而引起強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射，使間隙中流過(guò)一定數(shù)量的電子電流。此電子電流通過(guò)兩個(gè)途徑使間隙擊穿。一是強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射的電流流過(guò)電極表而的微小凸起和尖端時(shí)，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(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穿過(guò)金屬蒸氣時(shí)使金屑蒸氣游離，引起間隙擊穿。二是強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射的電子由電場(chǎng)加速后轟擊陽(yáng)極，使陽(yáng)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(shuō)認(rèn)為，電極表面存在金屬微粒。這些微粒可能是機(jī)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(qiáng)電場(chǎng)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(chǎng)作用時(shí)，在靜電力作用下可能被加速，從一電極向另一電極運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程巾．微粒不斷受列強(qiáng)場(chǎng)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(duì)的電極時(shí)，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(chǎng)很強(qiáng)而發(fā)射電子。另外，如間隙中電場(chǎng)足夠強(qiáng)，則因微粒此時(shí)已積有相當(dāng)大的動(dòng)能，在微粒和電極相撞后，此動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽部赡苁刮⒘１旧碚舭l(fā)。通過(guò)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(shí)際上，這兩種機(jī)理可能是同時(shí)存在而不一定是單獨(dú)地起作用。對(duì)于小間隙 (10mm以下 )，場(chǎng)發(fā)射說(shuō)的分析與實(shí)驗(yàn)比較接近；而較大間隙，微粒說(shuō)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(gè)新的真空間隙在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，最初的擊穿電壓值往往較低，隨著試驗(yàn)次數(shù)增多，擊穿電壓漸增，而且會(huì)最后穩(wěn)定在一定值上。這種絕緣強(qiáng)度因放電過(guò)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(guò)程，“老煉”對(duì)電極表層材料的純化作用是很重要的。如果在“老煉”過(guò)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(duì)提高間隙長(zhǎng)期穩(wěn)定的絕緣強(qiáng)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(wèn)題，弧柱中存在的載電粒子，主要來(lái)自金屬蒸氣分子的游離。因此真空電弧實(shí)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(kuò)散型與集聚型。一般地說(shuō)，擴(kuò)散型電弧的電弧電流小于幾千安 (小電流 )，當(dāng)電流超過(guò)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(shí)，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(chǎng)有關(guān)。 1．?dāng)U散型電弧 (小電流電弧 )的物理特性 擴(kuò)散型電弧一般存在于電弧電流小于幾千安時(shí)。對(duì)于銅電極，當(dāng)電弧電流小于 l00A時(shí)，通常陰極上只有一個(gè)陰極斑點(diǎn)，弧隙中只有一個(gè)電弧。電弧呈圓錐形．錐頂即陰極斑點(diǎn)，不存在陽(yáng)極斑點(diǎn)，此電弧在電極表面上隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)表明：陰極斑點(diǎn)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(diǎn)。它不僅向弧隙蒸發(fā)大量的金屬蒸氣、而且同時(shí)噴射大量的電子和正離子，形成一股噴射力很強(qiáng)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(shí)，擴(kuò)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(diǎn)和弧錐，相鄰的弧錐可以部分地重疊。這些支弧的陰極斑點(diǎn)大致均勻地散布在電極表面上，同時(shí)由電極中心沿半徑方向向電極邊緣運(yùn)動(dòng)。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(gè)支弧來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。 正因?yàn)檫@種形態(tài)的真空電弧具有如此的運(yùn)動(dòng)特性，所以被稱為擴(kuò)散型。當(dāng)電弧電流為交流時(shí)，由于電流隨時(shí)間變化，支弧數(shù)也隨時(shí)間變化。 擴(kuò)散型真空電弧的弧錐中氣壓很低，從陰極斑點(diǎn)噴射出來(lái)的正離子和電子幾乎可以不受碰撞地到達(dá)陽(yáng)極，所以弧錐中的電壓降很小，一般擴(kuò)散型真空電弧的電弧電壓僅為幾十伏。 擴(kuò)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(duì)擴(kuò)散型真空電弧加上一橫向磁場(chǎng) (即磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，而是向相反的方向運(yùn)動(dòng)。此現(xiàn)象稱為“反向運(yùn)動(dòng)”或“逆動(dòng)現(xiàn)象”。 擴(kuò)散型電弧的陽(yáng)極只起接收電子的作用，沒(méi)有陽(yáng)極斑點(diǎn)。 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(guò)一定值 (例如銅電極約為10000A)時(shí)．真空電弧的各個(gè)支弧將不再向電極四周擴(kuò)散，而是開(kāi)始向中心聚攏，最后成為只有一個(gè)陰極斑點(diǎn)的電弧，集聚后的陰極斑點(diǎn)以很小的速度隨機(jī)運(yùn)動(dòng)或者不運(yùn)動(dòng)。觸頭的電腐蝕速度迅速上升，陽(yáng)極出現(xiàn)斑點(diǎn)，它和陰極斑點(diǎn)此時(shí)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?，因而使弧隙中金屬蒸氣和等離子體密度大大增大，氣壓大大升高，電弧電壓也突然上升。此時(shí)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(guò)零后來(lái)不及擴(kuò)散，以及陰極斑點(diǎn)熔區(qū)厚度較深來(lái)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(qiáng)度上升慢而不能熄弧。 所以．對(duì)一般觸頭可以認(rèn)為，真空電弧由擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變?yōu)榧坌偷碾娏骶褪腔∠兜臉O限開(kāi)斷電流。 試驗(yàn)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(chǎng)后，如果選擇的磁通密度適當(dāng)，則弧隙的開(kāi)斷性能將在下列兩個(gè)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(kuò)散型轉(zhuǎn)變?yōu)榫奂偷碾娏髟龃?，致使弧隙的開(kāi)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(guò)零后的介質(zhì)強(qiáng)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(guò)零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)。真空電弧電流過(guò)零后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度與下列情況有關(guān)：①過(guò)零瞬間，弧隙中的蒸氣密度；②電流過(guò)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(kuò)散型電弧表面溫度很低，同時(shí)由于陰極斑點(diǎn)在電極表面上迅速擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，它所經(jīng)過(guò)的地點(diǎn)加熱時(shí)間短，熔區(qū)厚度不深，在交流電流過(guò)零時(shí)，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(kuò)散的作用，所以，真空弧隙在交流電流過(guò)零后，在極短的時(shí)間內(nèi)（ (us級(jí) )微秒級(jí)）就可以建立起很高的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)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(qiáng)度上升緩慢，不容易熄弧。 2．橫向磁場(chǎng)與縱向磁場(chǎng)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(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力也是有限的。例如銅電極的開(kāi)斷能力只能達(dá)到 8kA～15kA。為了提高真空開(kāi)關(guān)的開(kāi)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(chǎng)，使電弧弧根不斷地在電極上運(yùn)動(dòng)，而不停止在一處燃燒。這時(shí)，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(yáng)極斑點(diǎn)的冷卻時(shí)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(guò)零期間，由陽(yáng)極斑點(diǎn)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(chǎng)的作用不斷地運(yùn)動(dòng)，冷卻作用加強(qiáng)，也可以便電流由幅值降到零值時(shí)，電弧由集聚型向擴(kuò)散型的轉(zhuǎn)變加快，使在過(guò)零期間，電弧早已處于擴(kuò)散型狀態(tài)。 (2)順著弧柱的方向加一縱向磁場(chǎng)，提高產(chǎn)生陽(yáng)極斑點(diǎn)的臨界電流，降低電弧電壓，阻止陽(yáng)極斑點(diǎn)的出現(xiàn)。 縱向磁場(chǎng)可以使弧柱中運(yùn)動(dòng)的電子沿著 Larmor半徑R(由下式確定 )的螺旋軌跡向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。 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(shí)際上，由于密度差而引起的擴(kuò)散，不是所有的電子完全限制在這樣一個(gè)小范圍內(nèi)，而是加上縱向磁場(chǎng)后，原來(lái)在小電流時(shí)分散的，圓錐形的獨(dú)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(shí)，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(duì)離子的運(yùn)動(dòng)軌跡影響不大，但由于弧柱中心電子密度大，產(chǎn)生一個(gè)徑向磁場(chǎng)，吸收正離子到電子周圍 形成多個(gè)圓柱形弧柱的分支。這樣使陽(yáng)極附近的電子減少，陽(yáng)極壓降降低，阻止陽(yáng)極斑點(diǎn)的形成，提高陽(yáng)極斑點(diǎn)出現(xiàn)的臨界電流，提高了斷路器的開(kāi)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(gè)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(gè)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(dòng)觸頭 4焊在動(dòng)導(dǎo)電桿 1上，動(dòng)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)。