1 前言

真空灭弧实的绝缘水平是衡量真空断路器除短路开断能力之外的一个重要指标，因而也是制约真空断路器发展的一个关键因素。真空灭弧室的外部绝缘先后经历了空气绝缘、复合绝缘和固封绝缘，从而形成了绝缘方面的三代真空断路器。

真空灭弧室的第三代绝缘又称固封极柱式绝缘，它通过APG工艺，利用环氧树脂将真空灭弧室以及上下出线端全部包封，使真空灭弧室、上下出线端和连接件等成为真空断路器的一个整体部件。

固封极柱的优点是具有极高的绝缘性能和强大的抵御外界影响能力，适用于高温、高湿、高海拔等全环境使用场合。

固封极柱的另一优点是大大减少了真空断路器手工装配工作量，最大限度减少极柱装配过程中可能出现的误差，能很好的保证断路器的各种性能参数，从而使断路器的安全可靠性得到进一步的提高，实现了真正意义上的免维护。

固封极柱的出现也是推动真空断路器向小型化、高电压方向发展的行之有效的途径。因而成为真空断路器的更新换代产品。

正是固封极柱产品以上这些优点，固封极柱产品的出现，对真空灭弧室提出了更高的要求。这主要表现在：

（1）由于固封极柱的应用，使得真空灭弧室外部绝缘得以充分的保证，因而在同一电流等级和电压等级的前提下真空灭弧室可以做的更小，这即是降低产品成本的需要，也满足真空开关在某些使用场合占地面积的要求，更符合环保的理念。

由于真空灭弧室体积的缩小，对灭弧室的短路开断能力和内部绝缘的要求就更加苛刻，要满足相应的短路开断能力和绝缘水平，必须全面优化产品内部结构，通过均衡磁场分布和优化电场分布达到提高真空灭弧室短路开断能力和内部绝缘水平的目的。

（2）由于固封极柱的整体性特点，决定了其散热条件相对恶劣，温升便成了开发此类产品的重点，因而减少真空灭弧室的回路电阻也成了极柱式真空灭弧室的一大重点课题。

要想减少回路电阻，真空灭弧室的设计与制造极为关键，要从整体结构（尤其触头结构）的开发设计与工艺过程控制两方面综合考虑最大程度的降低真空灭弧室的接触电阻。

（3）为了满足固封极柱的免维护特点，灭弧室的设计必须考虑提高使用寿命，以降低断路器的使用与维护成本，常规1万次的机械寿命已无法满足固封极柱式真空断路器的要求，通常要达到3万次的机械寿命。

2 固封极柱用真空灭弧室的设计

为满足固封极柱用真空灭弧室的要求，我公司改变传统的设计理念，采用自主研制的纵磁均布式触头结构和零件自定位的设计思路，生产工艺上也改变了传统的装配焊接方式，采用“纯一次封排”工艺，研制出满足市场要求的固封极柱用真空灭弧室。

2.1 纵磁均布式触头结构的设计—提高短路开断能力

目前国内真空灭弧室多数采用的触头结构是杯状六槽纵磁结构，开断时触头实际有效利用面积仅为70%左右，主要是因为杯状六槽纵磁结构由于自身斜槽倾角及斜槽旋转角度的限制，产生的纵向磁场强度相对较弱，而且沿径向磁场强度迅速减弱，较大的边缘部分得不到利用。

为满足真空开关管小型化要求，我们自行研制设计出一种新型纵磁均布式触头结构，见图1。

该结构不仅能够产生较强的纵向磁场，而且结构简单，易于生产。其基本结构及工作原理见图2。

图2新型触头的基本结构工作原理

从图中可以看到，电流沿着导电杆流到触头中心A处，在A处被分成四路后流过触头的径向部分到达线圈扇形辐的B处，从B处再沿着线圈辐的圆周部分流过约180°到达线圈辐的末端C处，从C处再沿一定的方向进入触头内部，然后从触头内部流向触头表面的燃弧区域。

在此结构中引入了铁磁材料，采用特殊手段抑制了涡流。铁磁材料的引入，增加了触头边缘处的纵向磁场，从而使触头表面的纵向磁场更加均匀。在燃弧期间，真空电弧在均匀磁场的作用下，被有效地控制在一个较大的区域内燃烧，使电弧能量降低、开断能力提高。

为了防止触头随电流波形的变化而感应的涡流对纵向磁场分布和弧后恢复电压上升速度产生不良影响，在触头上开出与线圈匝数相对应的径向槽。开槽后电流在触头表面的无序流动转变为沿圆周方向的有序流动，从而进一步提高了纵向磁场在电流峰值时的强度，使涡流对纵向磁场分布与弧后恢复电压上升速度的影响减少到了较低的程度。

2.2 灭弧室内部电场分布设计—提高内部绝缘水平

由于产品的进一步小型化，电场的分布变得尤为重要。产品内部电气间隙缩小后仍需承受标准所规定的绝缘电压，这就需要对内部电场进行优化分析与测算，

借助计算机分析软件对开灭弧室部结构进行了多次电场计算，对内部各部件结构进行多次修改设计，优化后的内部电场分布均匀，降低了瓷壳内表面沿面的电场强度及三相界面的电场强度，消除了主屏蔽罩两端口处的尖峰电场，改善了屏蔽罩的均压作用。

另外还对主屏蔽罩与导电杆之间的间隙进行了改进。改进后触头间隙中的电场强度有了一定程度的降低，进一步缓解了主间隙间的电场应力，提高了介质恢复速度。

通过软件的分析不断的对内部各零部件尺寸、形状、位置等进行调整，最终的结果是使灭弧室内部各处电场强度尽量分布均匀，消除各处可能出现的尖端电场，以有效地降低瓷壳内表面沿面的电场强度及三相界面的电场强度，从而提高产品的绝缘强度及弧后介质恢复速度。辅助计算电场分布结果如图3示：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   图3  优化后的电场分布

 

优化设计后尽可能使得真空灭弧室内中间屏蔽罩上的电位为50％，动静端两端对称分布，从图中可见电场分布基本均匀，三相界面处的得到了有效的屏蔽，无电场集中现象，这就有效的保证了体积减小后对电压的耐受能力。

2.3 灭弧室接触电阻的减小

纵磁均布式触头结构已经较好的解决了开断电流所需的磁场问题，基本满足了固封极柱产品的需要，但结合降低接触电阻的要求，在空间允许的情况下，我们又从触头和杯座两个方面做了进一步的改进。

（1）在保证开断能力的前提下，将触头厚度由原来的5mm减薄至3mm，直径不变。同时，将触头表面的环形槽尺寸加大，这样有利于接触电阻的减小。

（2）将杯座外径增大、高度缩小。如果为了满足磁场的需要，按照原来的铣槽方式，必然削弱杯座每个杯指的强度，甚至有可能无法实现，借助于solidworks软件对其进行多方案的优化，通过调整铣槽的位置和斜槽的倾角，最终选定了较为理想的铣槽方式，即能满足磁场的要求，又有利于降低接触电阻。

2.4 灭弧室机械寿命的提高

机械寿命一般是由真空灭弧室的波纹管决定的。而波纹管的寿命既与设计有关，又与其使用状态有关。

从设计角度考虑，选用优质的波纹管材料、选择合适的波纹管波数、保持合理的开距以及在真空灭弧室的生产过程中避免波纹管多次进炉等都是增加波纹管使用寿命的行之有效的方法。

我们在选择固封极柱用真空灭弧室的波纹管时，首要考虑的是选用含碳量低的不锈钢材料，使得波纹管的耐腐蚀性有所提高。

其次，在真空灭弧室满足绝缘水平的前提下，设计开距不要过大，或适当增加波纹管的波数，让工作位移量不要超过波纹管自由长度20％。同时，波纹管在导电杆上固定的位置要保证在合闸时波纹管不是压缩状态，而应是稍稍拉申状态。

如果波纹管始终保持其加工后的状态，通常具有较长的机械寿命。如果经真空炉多次加温，寿命将显著降低。目前采用的“纯一次封排”工艺使得波纹管在真空灭弧室的整个制造过程中只进一次真空炉，也满足了波纹管对温度的要求。

3 生产工艺的保证

3.1 装配工艺

从设计方案初始拟定，就决定了整个装配工艺采用一次封排工艺。 装配过程只有一个触头组合是部件，其余全部在整管装配时组装，这种新型的装配焊接方式省去了原来的动静端管芯装配、屏蔽筒组合装配以及波纹管组合装配，突出的体现了如下的优点：

（1）装配过程操作简单、方便，装炉量也大大提高，因此提高了生产效率和生产能力。

（2）消除了人及环境对部件的二次污染，提高了真空灭弧室内部真空度及洁净度，有利于提高灭弧室的的开断性能及绝缘水平。

（3）减少零件进炉焊接次数，尤其导电杆、波纹管之类的零件，避免了多次焊接带来的零件使用性能的降低。

3.2 老炼工艺

3.2.1大电流老炼

大电流老炼就是真空灭弧室通以数百安培较大电流的同时拉开触头，使触头间产生扩散型电弧，燃烧的电弧剥除了触头表面覆盖着的脏物、氧化物和气体，使触头表面成为完全新鲜的活性表面，起到了净化触头表面的作用。

固封极柱用真空灭弧室采用新型纵磁均布式触头结构，这种触头结构在燃弧期间，在触头间隙中产生比目前通用的纵磁触头结构更强、更均匀的纵向磁场。在强磁场的作用下，电弧被有效地控制在一个更大的区域内燃烧，扩大了触头的有效利用面积，使电弧始终保持扩散型，在同一电流等级下，触头表面积减小20％以上。

因而，固封极柱用真空灭弧室在进行大电流老炼时需要注意的问题就是防止老炼规范过重，使得触头表面烧损严重，影响绝缘水平，尤其是影响冲击耐压水平。

3.2.2高压老炼

选择合适的老炼升压速度、老炼电压值和电压稳定时间、老炼开距，再配以合适的外绝缘保护措施，使固封极柱用真空灭弧室老炼效应进行得更彻底，可以改善触头和屏蔽罩的表面状况，提高了真空灭弧室的击穿电压和长期工作电压下的稳定性，同时也可以提高其短路开断能力和动态绝缘水平。

（1）高压老炼的外绝缘保护

真空灭弧室高电压和强电场的关键技术之一是沿面绝缘，为了实现高电压和强电场，必须使真空灭弧室内部真空绝缘和周围外部绝缘相配合。

用于固封极柱的真空灭弧室小型化后，外绝缘处于临界状态，我们在超高压老炼试验中使用轻质绝缘油作为外绝缘介质,其击穿强度50kV/mm，这样可以有效避免由于外绝缘和内部真空绝缘配合不好造成高压老炼试验中灭弧室外爬电，最后导致灭弧室绝缘外壳贯穿性击穿的后果。

（2）老炼升压速度

在进行老炼时，从一较低的电压开始，按一定步长逐级提高老炼电压，使灭弧室中流过的预放电电流逐渐增加，直至发生强烈的火花放电，设备自身回路中串联一定数值的限流电阻，防止由火花放电转变为强烈的电弧放电，烧损触头。

升压速度不能太快，老练试验过程中注意观察工频正弦示波图和火花放电的电流值，随着灭弧室内击穿打火的频繁发生，电压电流波形会变得越来越不规则，原来的工频正弦波失真，谐波增多，当老炼一段时间后，击穿打火渐少，电压趋于稳定波形渐渐正常，此时可以按一定步长提高老炼电压。如果加压太快，强烈的火花放电，放电电流很大，容易造成真空灭弧室两电极间永久性击穿或绝缘外壳贯穿性击穿。

（3）老炼电压值及电压稳定时间

老炼电压值升到规范值后，老炼一段时间，击穿打火渐少，电压趋于稳定波形渐渐正常，这时可在老炼电压值不变的情况下，稳定一段时间，通过试验摸索，高压老炼稳定10分钟可使老炼进行得更彻底。

（4）老炼开距

额定开距下进行老炼处理，比低于额定开距和较大开距下进行老炼所能达到的稳定击穿电压要高，其原因为额定开距下进行了老炼时，两电极间距离大于电极距屏蔽罩的距离，电极表面的有效作用面积（即电场等于最大电场90％所对应的面积）增加。

有效面积增加，使整个电极表面所能达到的老炼程度增加，同时，暴露在放电区的屏蔽罩面积也增加。这样，不仅触头间火花放电，触头边沿和屏蔽罩间的火花放电作用也加剧，电极、屏蔽罩表面的老炼进行得更完全，消除了触头和屏蔽罩表面的高发射点，使稳定击穿电压值提高。

4 结束语

近些年对真空灭弧室及其固封极柱产品的研究开发，其技术逐步成熟，成品率有了较大的提高，但仍存在很多问题和不足，如产品质量不稳定、固封极柱价格过高等。

固封极柱若能解决以上问题，其市场将会面临逐年以较大幅度递增的发展势头。因而，固封极柱市场的开发推广，需开关厂家和灭弧室厂家的联手和共同努力。我们已将固封极柱用真空灭弧室的研发作为新的工作重点，稳步跟进固封极柱市场，生产出适应固封极柱特点的真空灭弧室，推动真空开关市场的快速发展。

 

作者简介：女，高级工程师，现任职技术处，负责真空开关管的设计与工艺工作。