真空开关

工作原理

　1.真空的绝缘特性
　　实验表明．真空间隙击穿电压在初期随真空度的提高而增大．当真空度达到1O一1O托时，击穿电压即保持不变，这就是真空管真空度不能低于1O一1O托的原因。

　2.真空电孤的特点
    电弧特性主要决定于金属蒸气的性质。但大小不同的电流．其电弧的特点也不相同。电流在数千安以下的叫小电流真空电弧。目前矿井使用的真空开关一般都在数千安以下。故截流现象是普遍存在的。所谓截流现象就是小电流的真空电弧，当电流小到一定值时，由于弧柱扩散速度过快，使阴极班点附近的蒸气压降和温度骤降，电弧难以维持而突然熄灭的现象。

设备结构形式

　1.真空断路器的触头
　　(1)材质方面：用作触头的金属材料可分为两类：一类是耐弧，难熔的纯金属，如钨、钼等．另一类是由铜、钮为主体的合金材料，目前常用的无氧铜就是这类合金。
　　（2）结构方面：保持真空度的主要元件是波纹管。但真空管的体积尽可能小也是关键．为了减少体积，管内只安装了动、静触头而不设其它灭弧设施，提高灭弧能力仅通过对动、静触头的形状设计来实现。常见的外螺旋槽触头就是一种典型的形式。

　2.电路特点
　　(1)设置过电压吸收电路：由于截流现象产生操作过电压；在高压开关中f6kv1加装一组压敏电阻。在低压真空开关中加装一组阻容过电压吸收电路，使操作过电压能被限制在一定范围内(一般为2．5—3．5倍相电压值)。
　　(2)采用多种保护电路：脒80A开关(一般仅安装热断电器)外．120A 以上开关一般都安装电机综合保护器。

国外发展概况

     人类从事将真空作为灭弧和绝缘介质的应用研究，到现在已有一百多年的历史。早在1893 年，美国人里顿豪斯(Rittenhause)就设计出世界上第1 只真空灭弧室并以专利的形式发表；1920年，瑞典佛加（Birka）公司研制出世界上台真空开关；1926年，加里福尼亚工学院的索伦森(Sornsen)教授发表了真空开关的试验结果，并预言应用真空开关的时代不久就会到来。由于当时的真空技术还很落后，使得真空开关在工业上的实际应用被大大推迟了。
    到1950年前后，随着真空技术以及相关技术如冶金技术等的发展，真空灭弧室的制造技术得到了提高，又重新开始了真空开关在工业上应用的研究。1956年，罗斯(H．Cross)对杰宁无线电制造公司(Jenning)生产的用于高频回路的真空开关进行了改造，试制出了15kV、200A的真空开关。
    1961年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研制成功额定电压15kV、12.5kA的真空断路器，1966年相继研制成功额定电压为15kV、开断电流为25kA和31.5kA的真空断路器，从此真空开关正式进入电力开关的行列，美国也因此成为世界上最早批量生产和使用真空开关的国家，在其影响和推动下，欧洲和亚洲的部分国家也相继开始了研制工作，真空开关从此在全球范围内得到认同和发展。
    二十世纪70年代初，全球范围掀起的中压开关无油化浪潮给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借自身巨大的技术优势，真空开关仅用了不到20年的时间就取代少油开关而成为中压领域的主导产品。目前单断口真空断路器已达到145kV 电压等级，短路开断电流已达到200kA 。

我国发展概况

     我国真空开关的研制工作始于二十世纪50年代末，基本与美国同步，略早于日本。
    1958 年，由西安交通大学电器教研室和当时的西安高压开关整流器厂合作成立了一个厂校联合研制小组，由王季梅副教授和童永潮总工程师负责，正式开展真空开关的研制工作。小组成立后不到半年就成功研制出我国只真空灭弧室，并在西安交通大学电器实验室的合成回路上通过了50Hz、4kV、5kA的电流开断试验。
    此后，西安高压电器研究所于1960 年研制成功了电压为6.7kV、500A 的单相真空开关，西安交通大学于1964年开发成功10kV，1500A 的三相真空开关，当同年这台三相真空开关在北京全国高教展览会上展出时，受到来自全国各地专家的好评，并引起全国各省市开关制造厂的极大兴趣，是为推动我国真空开关生产和发展的起始点。
    1968年9月5日，国家重点国防工程(6895工程)在华光电子管厂实施，同年诞生了我国只商用真空灭弧室，从此华光电子管厂成为国内生产真空灭弧室的企业。
    此后由于受到“文革”的影响，我国在真空电弧理论研究和真空开关开发方面的工作暂时停顿，一直到1976年才开始恢复。当时国内从事真空电弧理论研究的主要单位有西安交通大学、西安高压电器研究所和上海电器科学研究所三家。1978年以后，国内有10多家工厂正式投入真空开关的生产，所需的真空灭弧室主要由宝光电工总厂和华光电子管厂生产。
    1984年，西安高压电器研究所、桂林电器科学研究所、宝光电工总厂和北京开关厂等四家联合引进了德国西门子公司3AF系列真空断路器的全套制造技术（含CuCr触头材料、真空灭弧室和真空断路器三大部分）。1986年，华光电子管厂引进了美国西屋公司全套真空灭弧室的制造技术（含CuCr触头材料）。这两次引进使我国真空开关行业的制造和设计水平均得到了极大的提高，为此后我国真空开关行业的发展和繁荣奠定了技术基础。
    1992年，两部（即当时机械电子工业部与能源部）召开了关于在电力系统广泛推广应用真空开关的“天津会议”，从此我国真空开关进入快速发展期，市场上先后出现了多种由我国自主开发、技术指标达到当时国外先进水平的真空断路器，其代表产品有ZN23、ZN28和ZN63A等。在此阶段，我国己能生产额定电压为35kV，开断能力为31.5kA 及10kV，50kA、63kA 的真空断路器。到2003年，我国已研制出72.5kV、110kV/31.5kA和18 kV/80kA的单断口真空断路器，全行业年产各类真空开关20万余台，在世界上真空开关从业厂家最多、产销量和品种系列最多，成为名符其实的“真空开关王国”。

真空灭弧室的发展趋势

    真空灭弧室自从问世以来，一直在不断的向小型化、高可靠性、低成本方面发展，随着真空开关应用范围的扩大，真空灭弧室也有了新的发展方向。
1、小型化
    真空电弧理论的发展和内部电场优化使真空灭弧室体积更小；
    复合绝缘技术的应用使真空灭弧室结构尺寸大大减小；
    真空断路器机械特性的改进、同步开断技术和高性能触头材料的应用使真空灭弧室“升级”，使用成为可能。
    真空灭弧室的小型化工作不论在国内还是在国外已经进行了很多年，并已取得了一定的成效。德国Calor-Emag公司新研制成的VC2型真空断路器，其12kV、20kA的真空灭弧室的触头直径仅为40mm，12kV、50kA真空灭弧室的触头直径为80mm。
    德国AEG公司推出的第三代真空灭弧室，其体积比缩小到原来产品的1／3。
    日本东芝公司研制成功SADE技术，使用该技术的真空灭弧室体积只有采用线圈式触头结构的产品的一半。
2、低成本
    真空灭弧室的小型化保证了低成本实现的可能。在近20年的时间里，国产真空灭弧室的体积减小了50[%]，价格降低了70[%]左右，其中有生产厂家提高工艺水平（如一次封排工艺的普遍采用），提高生产效率和降低生产成本的努力，也与触头、波纹管、陶瓷壳等零件成本的降低密切相关。
3、高电压
    随着真空开关制造技术和理论研究水平的不断提高，真空开关的发展已在尝试着向高电压大容量方向发展。美国通用电气公司1980年后生产出了168kV/40kA的双断口真空断路器，日本明电舍公司1980年开始生产145kV/31.5kA单断口真空断路器，日本东芝公司1987年研制成功了145kV/31.5kA单断口真空灭弧室及168kV双断口真空断路器。此外，日本三菱公司已研制成功270kV单断口真空灭弧室，并且准备发展500kV双断口真空断路器，一旦研制成功，估计其造价比同电压等级的六氟化硫断路器低。国内目前已有北京开关厂和西安高压开关厂研制的126kV真空断路器(均采用日本明电舍真空灭弧室)一次通过了全部型式试验并完成鉴定。
4、大电流
    发电机保护用断路器由于额定工作电流较大，对真空断路器来说温升要求较难达到，同时，由于其短路电流开断后瞬态恢复电压上升速率高，要求有更高的介质恢复速度，因此，这方面的使用一直受到限制。但近几年在发电机保护用的真空断路器、真空灭弧室方面都有了长足发展，目前国内已经可以生产6300A/80kA的真空型发电机保护用断路器。
5、低电压
    低压开关电器产品是量大面广的电器基础元件，由于真空开关具有防爆和寿命长的特点，只要价格限制在一定水平，是有十分巨大的市场前景的。德国西门子公司1994年推出了额定电压380V～1140V、额定电流630A～2500A、额定短路开断电流为20kA～65kA的真空断路器产品。目前国内已研制出了380V～1140V、额定电流1600A～3200A、额定短路开断电流30kA～80kA的低压真空断路器及其真空灭弧室。
6、固封极柱（固封式真空灭弧室）
    采用APG技术，将真空灭弧室及其它的连接组件固封成极柱，极大的提高了真空断路器的耐候性，减少了相间距，使真空断路器的结构更加紧凑，体积更小；固封技术的应用，使真空灭弧室的外绝缘水平得到了强化，真空灭弧室的高度尺寸尤其是绝缘外壳的尺寸可以尽量缩短，在内部绝缘优化的基础上，真空灭弧室的体积也相应减少。但固封技术要求在真空灭弧室与缓冲层、缓冲层与环氧树脂之间形成良好的结合，不能有空气隙，否则很容易产生绝缘击穿。
7、长寿命
    车载开关及电弧炉用频繁操作的断路器要求机械寿命长达10万次甚至25万次。随着新型的操动机构如永磁机构的研制开发、波纹管制造技术的改进、真空灭弧室装配工艺的优化，长寿命的机构和真空灭弧室相继开发出来，虽然l0万次机械寿命的真空灭弧室已经通过了型式试验，但在长寿命真空灭弧室方面还有许多工作要做，首先要保证一致性，其次要向更高的寿命要求进军，满足市场需求。
8、专用化
    在市场日益细分的今天，一些专用的开关应运而生。鉴于开合电容器组时真空开关重燃引起的过电压会对电力系统造成严重危害，有必要研制开合电容器组专用的真空开关。同样，在铁合金厂，用于电弧冶炼炉的开关由于操作过电压比较高、使用环境恶劣，要求真空开关极间和对地的绝缘水平要高、过电压要低、使用寿命要长，因此有必要研制针对铁合金厂的新型真空开关及真空灭弧室。