真空斷路器機械特性和電氣性能

 無可置疑真空斷路器在本質上是典型的電氣產品，但它又是通過復雜的機械傳動來實現的，因而機械產品的第二特性在人們印象中更為突出。無怪很多開關企業在招聘人才時總是將“熟練掌握CAD技術”的機械工程師放在*位。于是在我們行業中普遍存在一個電氣產品由機械工程師來開發的非正常現象，他們理所當然的按滅弧室羅列的參數做機械設計。如果一切順利，相安無事也就罷了，然而偏偏開斷型式試驗不爭氣，多年來一直存在12-15%的失敗率。責任和原因就很難找，管子廠聲稱自己嚴格按照工藝，*偷工減料之嫌。整機廠也把責任推得一干二凈，行程、超程、分合閘速度等都一點不差。zui后往往懷疑到觸頭材料上，隨便安上一個“罪名”，如存有氣孔而不了了之。很少有人懷疑到管子廠提供的參數（尤其是分閘運動參數）是否正確。如果不正確，怎樣才是正確的。這就是本文要述說的議題。
　　
　　真空開關的機械特性對電氣性能影響zui大的是分閘運動特性，本文就拿它說事。真空開關的分閘運動特性都是以“分閘速度”來表述的。我國*代真空開關（70年代至80年代初）的分閘速度是以全程的平均速度來定義。第二代（80年代中期至今）改為前半程的平均值，即初始6mm的平均數。這一變動有其積極意義，開始有了初分速度的味道，但問題還沒有完*。在上世紀九十年代中期少油改真空的過程中有一現象引起人們的注意：那種模仿少油開關結構的分體式真空開關在開斷試驗中，失敗率明顯高出其它真空開關許多。什么道理呢?分閘速度同樣是初始半程1.2±0.2m/s。當我們分析機構的分閘彈簧力時就發現問題所在。當時10kV的真空開關分閘速度都基本相同，但分閘彈簧力相差甚巨。ZN12為1100N，ZN65為900N，而該分體式為1800N，高出同類開關許多。這說明后者的“等效質量”（折算到動導電桿上其它可動連桿的質量）大大高出前者，盡管6mm的平均速度相等，但起步速度卻很慢。這種起步速度*不利于首開相開斷的條件。因此我們認為現在的分閘速度定義不夠準確，滿足它并不能保證其電氣性能。6mm對首開相開斷太遠，而對后開相開斷又太近。因此有必要對真空開關分閘運動進行科學的定義，要做到這一點就有必要對真空電弧，尤其是它的動態特性有初步的了解。
　　
　　我們在研究真空開關時都或多或少受傳統斷路器概念的影響，尤其是電弧特性。搞清楚兩者區別是相當重要的。真空電弧和大氣電弧有兩大差別：其一，大氣電弧的介質是絕緣體，電離后才成為導體。真空開關的介質是金屬蒸汽，不論它是原子狀態還是離子狀態，它都不是絕緣體。因此，前者開斷成功依賴離子的復合;而后者只能靠金屬蒸汽的擴散。當金屬蒸汽密度在電流過零瞬間衰減到金屬粒子碰撞自由行程大于滅弧開距（λ>Ti0）時，斷口的絕緣強度就建立起來了。（這就是真空間隙絕緣性能的基本屬性）。其二，大氣電弧的介質氣體分子是客觀存在，微觀上作無序的熱運動（布朗運動），宏觀上是靜止的，且均勻分布。而真空電弧介質原先并不存在，它的產生是陰極斑點蒸發金屬蒸汽的結果。它一旦生成，在真空狀態下形成壓力差，便具備了巨大勢能并呈錐體形狀快速擴散。此時的金屬蒸汽密度分布梯度極大，在陰極斑點錐體，金屬蒸汽密度大的區域才有可能發生碰撞游離（陰極等離子區）。在電弧大部分區域碰撞游離基本不會發生。我們稱它為“擴散型”電弧。它的各種物理屬性示意圖見圖1。

　　圖1a擴散型電弧示意圖
　　
　　圖1b擴散型電弧金屬蒸汽密度分布圖。N為密度，λ為自由程，X為開距。
　　
　　圖1c擴散型電弧伏-安特性
線性的伏安特性賦予了它可以并聯存在的特性（對觸頭的燒損甚微），又由于它大部分空間λ>T，因此電流過零成功開斷的必要條件就一定是：在電流過零前電弧一定為擴散型。滿足λ>Ti0不等式。
　　
　　有了對真空電弧的初步了解，斷路器分閘運動特性如何設置就可以議論一番了。既然是開斷三相交流電，又是過零開斷。就必定會有首開相和后開相（中性點不接地系統），見圖2。
　　
　　首開相開斷和后開相要求的滅弧環境是各不相同的，我們必須營造不同的環境來滿足它們的各自需要。首開相開斷即有有利條件也有不利條件。有利的是:電流正處于下降階段，它開斷的實際電流要遠遠小于額定值（見圖2）。不利的是:首開相的恢復電壓高（1.5倍相電壓）.再是此刻觸頭剛剛分離，窄小空間金屬蒸汽必定密度大而梯度小，電弧呈高氣壓，如同大氣電弧，對觸頭燒損嚴重，此刻任何延誤都會使開斷失敗。要想將金屬蒸汽電弧由高氣壓快速衰減為低氣壓的zui有效措施就是提高初分速度（0～2mm的速度），擴大金屬蒸汽存在的空間（密度與體積成反比），擴大金屬蒸汽向四周擴散的通道。因此，真空斷路器的設計務必減小等效質量（ZN65就將觸頭壓簧及其相關部件從分閘運動中剝離出來），減少分閘彈簧力的傳遞環節，當然的是學習非真空斷路器做到V0>0。
　　
　　圖2
　　
　　首開相成功開斷后就輪到后開相開斷了。它的有利條件是：由于中性點不接地，一相電流開斷后，其他兩相電流成為一個回路，一個斷口電弧熄滅，另一斷口電流自然也就終止。此刻每個斷口的恢復電壓為線電壓的一半（0.866的相電壓），比1.5倍相電壓的首開相恢復電壓低多了。而且兩個真空間隙的絕緣強度遠遠高于二倍長度間隙的單斷口。不利條件是：后開相燃弧時間要比首開相多5ms，觸頭燒損自然嚴重一些。還有一不利條件：當首開相燃弧時間為4-6ms時（發生概率很高），后開相滅弧將為9-11ms，這樣一來后開相滅弧區便進入了分閘到底的機械震動區，滅弧環境極為惡劣。
　　
　　分析了后開相開斷的有利和不利條件后，真空開關的分閘運動特性第二階段設置就有理論根據了。為了營造后開相滅弧的有利環境，在首開相開斷后應將分閘速度大幅度降下來，的是在中途（5-6mm）熄弧。理由有：其一，后開相比首開相多跑5ms，實無快的必要。其二，成功開斷的必要條件為λ>Ti0，Ti0短一些不等式更易成立。其三，短開距滅弧在開斷小感性電流時可降低截流值。試驗證明后開相的截流值為首開相的4.5倍。道理很簡單：同樣數量的金屬蒸汽，小空間要比大空間的密度大，等效在觸頭材料中加了低熔點金屬又不影響開斷大電流的能力。其四，滅弧環境力求平靜，應在勻速或近似勻速運動中來完成。至此電弧全熄滅了，但整個開斷過程還沒有結束，動導電桿還在運動，此刻開關設計師對機械運動特性處理不當（目前大都處理不理想），仍將留下開斷失敗的隱患。因此，開斷的第三階段分閘速度應更近一步降下來，達到兩個目的：（1）減弱機械震動強度。（2）將機械震動區遠離后開相滅弧區。這一重要指標往往被人忽視而使開斷出現麻煩。
　　
　　世上所有的斷路器都是通過其機械特性來獲得電氣性能，真空開關自然不能例外。更由于它有別于傳統斷路器的一些特性:開距小，觸頭運動回旋余地少，絕緣強度高，對電場極為敏感，高低氣壓電弧的相互轉變，電弧伏安特性的不確定性等，因此它的機械特性設置就更為細膩，更為重要。不夸張的說，真空開關分閘過程每一毫米都有學問。因此要求設計師們必須對真空斷路器在開斷過程中機械運動，電弧運動，熱運動之間微觀世界關系有一初步認識，從而盡可能將表面上似乎對立的東西：開斷大電流和小電流；開斷電感電流和電容電流;高氣壓電弧和低氣壓電弧；過零開不斷（失敗）和沒過零就開斷（截流）；分閘運動的快和慢;動和靜等辯證的統一起來，設計出性能優異自主創新的新一代真空斷路器。