真空灭弧室是真空断路器中的核心部件,主要由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、触头及波纹管等精细部分构成。
气密绝缘系统由玻璃或陶瓷制成的气密绝缘外壳、动端盖板、定端盖板以及不锈钢波纹管组成。这一系统保证了真空灭弧室内部的真空状态与外部大气环境的隔离,同时要求材料本身具有良好的透气性及极低的内部放气量。不锈钢波纹管不仅维持了灭弧室的真空状态,还使得动触头连同动导电杆能够在规定的范围内流畅运动,完成真空开关的接通与分断操作。
导电系统由定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面及动导电杆构成。其中,定导电杆、定跑弧面及定触头统称为定电极;而动触头、动跑弧面及动导电杆则统称为动电极。在合闸过程中,操动机构通过动导电杆的运动使两触头闭合,完成电路的接通。为了保持两触头间的接触电阻稳定且尽可能小,以及确保灭弧室在承受动稳定电流时具备足够的机械强度,真空开关在动导电杆一端设置了导向套,并使用了压缩弹簧,使两触头间保持一定的额定压力。
屏蔽系统在真空灭弧室中扮演着重要角色,主要由屏蔽筒、屏蔽罩及其他零件组成。其主要功能包括:防止触头在燃弧过程中产生的金属蒸气和液滴污染绝缘外壳,改善真空灭弧室内部的电场分布,有利于实现真空灭弧室的小型化,尤其是在高电压环境下效果显著。屏蔽系统还能吸收一部分电弧能量,冷凝电弧生成物。在开断短路电流时,屏蔽系统吸收的大部分电弧热能有助于提高触头间的介质恢复强度。
触头系统是产生和熄灭电弧的关键部位,对材料和结构有着极高的要求。对于触头材料,需要具有高开断能力、高击穿电压、高的抗电腐蚀性、抗熔焊能力以及低截流电流值等特点。还要求材料具有低含气量,特别是铜材需要是无氧铜且经过特殊工艺处理。对于触头结构,常见的有螺旋糟型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种,其中纵磁场杯状结构触头是目前应用最广泛的。
波纹管在真空灭弧室中扮演着保证动电极运动和长期高真空状态的重要角色。它是由厚度为0.1\~0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件。在真空开关的分合过程中,波纹管受到伸缩作用,因此需要确保波纹管的使用寿命与反复伸缩量和使用压力相匹配。波纹管的使用寿命还受到工作温度的影响,过高的温度会导致波纹管的疲劳,进而影响其使用寿命。
至于操动结构,真空断路器采用了成熟的、性能可靠的电动储能弹簧操纵机构,具备电动关合、电动开断、手动储能、手动关合、手动开断和过电流(或短路)自动脱扣开断六种功能。这一机构由棘轮、凸轮、合闸弹簧、分闸弹簧、手动脱扣连杆、脱扣器和辅助开关等部分组成。
至于真空断路器的原理,其核心部件真空灭弧室利用高真空度绝缘灭弧介质,通过密封在真空中的触头来实现电力电路的通断功能。这一器件在电力系统中发挥着至关重要的作用,确保电路的安全、可靠运行。在电力系统中,真空断路器扮演着至关重要的角色。当其断开一定数值的电流时,动静触头在分离的瞬间,电流会集中在刚刚分离的触头处,电极间的电阻会急剧增大,温度也随之迅速攀升。随着电极金属的蒸发,电场强度达到极高水平,引发剧烈的电场发射和间隙击穿,产生真空电弧。当工作电流逐渐趋近于零时,触头间的距离逐渐增大,真空电弧的等离子体开始迅速向四周扩散。电流过零后,触头间隙的介质状态迅速转变,由导电体变为绝缘体,从而成功断开电流。
这种特殊的触头构造,在燃弧期间会在触头间隙产生适当的纵向磁场。这个磁场的作用是将电弧均匀分布在触头表面,维持较低的电弧电压。真空灭弧室表现出了较高的弧后介质强度恢复速度、较小的电弧能量和低的腐蚀速率。这些特性极大地提升了真空灭弧室在断开电流方面的能力,并延长了其使用寿命。
至于真空断路器的特点,其优势在于:
1. 安全性与环保性:真空断路器在密封的容器中完成熄弧操作,电弧和炽热气体不会外露。这不仅使得灭弧室作为独立元件,安装调试更为简便,还因为介质不使用油,从而消除了火灾和爆炸的隐患。
2. 性能稳定:真空断路器的触头间隙很小,通常在10mm左右,这使得合闸功率小,机构简单,使用寿命长。其熄弧时间短,弧压低,触头损耗小,开断次数多。
3. 适应频繁操作:动导杆的惯性小,使得真空断路器适合频繁操作。操动机构小,整体体积小,重量轻,控制功率小,开关动作时噪音低。
4. 维护成本低:真空断路器开断后,断口间介质恢复快,且在使用年限内(一般可达20年左右),触头部分几乎不需要维修检查。
5. 可靠的重合闸功能:具有多次重合闸能力,满足配电网的应用需求。
真空断路器也存在一些不足:
1. 开断感性小电流时,容易产生截流,引发过电压。需要采取相应的过电压保护措施。
2. 真空断路器的价格较高,这主要是由于真空灭弧室的专业生产和机构可靠性要求所致。
真空断路器凭借其独特的优势和特点,在电力系统中发挥着不可替代的作用。其高度的可靠性和稳定性,使得它在各种电力应用中都能表现出卓越的性能。