（机械电子工程专业论文）高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 本文首先简要回顾了国内外真空灭弧室的发展历史与现状，综述了真空灭弧室的基 本设计理论和工艺方法，以高电压等级真空灭弧室为对象，根据目前的发展水平与研究 现状、存在的几个主要问题，引出本文的研究内容与目标。 高电压等级真空灭弧室的设计关键是其结构电场的优化。本文以动态绝缘为设计目 标，提出高电压真空灭弧室的全程优化设计方法。根据击穿弱点理论，确定把主电场引 入均压屏蔽罩的多间隙高电压真空灭弧室结构，然后应用有限元法和最优化理论，对真 空灭弧室的电场进行数学建模和优化，即通过求解灭弧室内部的静电场定解问题，优化 其内部元件的几何参数，使灭弧室内部电场均匀化，并使静态电场强度的峰值出现在“第 二辅助间隙”中。 电真空陶瓷的封接强度是高电压等级真空灭弧室的结构与制造工艺中的关键问题 之一。本文首先分析了影响封接强度的主要原因，应用液体焊料的能量约束方程，确定 立封结构的焊料凝固轮廓线，得到立封焊缝的有限元模型；对比传统的平封焊缝结构下 的应力，并通过标准抗拉件试验证明，立封结构比平封结构的封接应力小，总拉断载荷 和单位面积上的抗拉强度都比平封的高。大直径的高压陶瓷真空灭弧室应选择立封结构 形式。 针对高电压等级真空灭弧室尺度大、结构可靠性受到威胁的问题，本文对封接过程 的工艺参数进行了理论分析、优化与实验研究。通过s u r f a c ee v o l v e r 软件得到焊缝的有 限元模型，进而用a n s y s 软件计算不同钎焊降温工艺条件下的封接应力。通过应力分 析，得到了一种新的降温工艺，在不增加封接应力、不降低封接强度的前提下，降温时 间比传统降温工艺缩短了3 小时。标准抗拉件试验验证了这种工艺的效果。在工艺方面， 作者还解决了实际生产中出现的中间屏蔽罩固定环断裂问题。 高电压等级真空灭弧室工作过程中的动态绝缘水平是我国目前高电压等级真空灭 弧室产品丌发的“瓶颈”问题，目前主要靠出厂前的各种老炼工艺来稳定绝缘水平。本 文根据中压真空灭弧室的老炼机理，建立了“击穿弱点”分布模型，提出老炼是针对击 穿弱点的电子逸出与离子轰击的复合过程，提出了高电压等级下保证动态绝缘水平的老 炼方法和老炼参数，用以指导高电压真空灭弧室绝缘的稳定化处理。在工艺方面，作者 还分析老炼后出现的瓷壳黄斑现象，并给出了解决的方法。 合成回路试验是检测开关开断性能重要的手段之一。本研究对用于高压真空灭弧室 试验的合成回路进行了改进性设计，包括硬件电路的参数计算、合成回路的p l c 控制 赵智忠：高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究 系统设计等。系统建成后，经测试完全能达到7 2 5 k v 电压等级真空开关电参数摸底试 验的目的。 本研究工作以7 2 5 k v 高压真空灭弧室的设计与实现为背景，作为国家自然科学基 金重点项目“金属蒸气电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用”的组成部 分之一，开展了高压真空灭弧室结构与工艺的相关理论与实验研究，完成了样机和部分 实验，并为进一步的产品化给出了指导性的结论。 关键词：高压真空灭弧室；全程优化设计；陶瓷一金属封接；钎焊降温工艺；老炼 大连理工大学博士学位论文 d e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h es t r u c t u r ea n dp r o c e s s e s o fh i g hv o l t a g e i n t e r r u p t e r s a b s t r a c t t h ed e v e l o p s n gh i s t o r ya n d a c t u a l i t yo f v a c u u mi n t e r r u p t e r s ( v i s ) a th o m ea n da b r o a di s p r e s e n t e di nt h i sp a p e rf i r s t t h eb a s i cd e s i g nt h e o r ya n dm a n u f a c t u r ep r o c e s s e sf o rv i sa r e s u m m a r i z e ds u b s e q u e n t l y t a k i n gh i g hv o l t a g ev i sa so b j e c t ，w ed r a ws o m ek e yq u e s t i o n s n e e d e dt ob es o l v e d ，b a s e do nt h ed e v e l o p i n gi e v e la n dr e s e a r c hs t a t ee x i s t e d ，t h a te d u c e st h e r e s e a r c hc o n t e n t sa n dt a r g e to f t h i sw o r k e l e c t r i cf i e l do p t i m i z a t i o ni sam a i nt a s ko fh i g hv o l t a g ev i sd e s i g n a i ma tt h eh i g h e r , l e v e lo fd y n a m i ci n s u l a t i o nd e s i g n ，aw h o l eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o df o rh i g hv o l t a g e v a c u u mi n t e r r u p t e r si sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ev u l n e r a b l eb r e a k d o w n s p o t s ( w e a kp o i n t s ) t h e o r y ，w ea d o p tt h em u l t i g a p ss t r u c t u r eo fh i g hv o l t a g ev i s ，i nw h i c ht h em a x i m a lf i e l di s d r a w ni n t ot h ea u x i l i a r yg a p sb ys y m m e t r i c a lp o t e n t i a ls h i e l d sw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r y ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fe l e c t r i c a lf i e l di n t e n s i t yi n v i sw a s g i v e n b yt h eo p t i m i z a t i o no ft h em o d e lw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，am o r es y m m e t r i c a l e l e c t r i cf i e l di nv a c u u l t li n t e r r u p t e r sw a so b t a i n e da n di t sp e a kv a l u ea p p e a r e di ns e c o n d a u x i l i a r yg a p o n eo ft h ek e yq u e s t i o n si nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r o c e s s e so fh i g hv o l t a g e v a c u u mi n t e r r u p t e r s ，i st h ej o i n t i n gs t r e n g t ho fc e r a m i ct om e t a l a n a l y s e sw e r eb em a d et o f i n dt h em a i nf a c t o r st oa f f e c tt h ej o i n t i n gs t r e n g t h t h es o l d e rb o u n dc o n t o u rl i n e so f s t a n d i n gs t r a i g h tw e l db e a d sh a db e e ng o t t e nb ys o l v e de n e r g yb o u n de q u a t i o n s ot h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo fs t a n d i n gs t r a i g h tw e l db e a d sc a nb es e tu p b yc o m p a r e dt h es t r e s sa n dt h e p u l l i n gt r i a l s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h es t r e s so fs t a n d i n gs t r a i g h tw e l db e a d si ss m a l l e rt h a nt h a t o fp l a n a rw e l db e a d s i t so v e r a l lt e n s i o na n dj o i n ts t r e n g t hp e r s q u a r em e t e ra r eg r e a t e rt h a n t h a to fp l a n a rw e l db e a d ss ot h es t a n d i n gs t r a i g h tw e l db e a d ss h o u l db ea p p l i e di nh i g h v o l t a g ev i sw i t hl a r g e rd i a m e t e rc e r a m i c s a st h ev o l u m eo fah i i g hv o l t a g ev a c u u mi n t e r r u p t e ri s b i g g e r i t ss t r u c t u r er e l i a b i l i t y b e c o m e sl o w e r t h ej o i n t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw a so p t i m i z e da n dr e s e a r c h e di nt h e o r ya n d e x p e r i m e n t s t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fw e l db e a d sw a ss e tu db ys u r f a c ee v o l v e rs o f t w a r e t h e nt h es t r e s si nt w od i f f e r e n tc o o l i n gt e c h n i q u e s ( n a t u r a lc o o l i n ga n df o r c ec o o l i n g ) w a s c a l c u l a t e dw i t ha n s y sc o d e b a s e dt h es t r e s sa n a l y s i s ，ab e t t e rc o o l i n g t e c h n i q u ew a sg o t t e n f o rh i g hv o l t a g ev i s i t sc o o l i n gt i m ei ss h o r t e n e db y3h o u r sw h i l et h ei o i n t i n gs t r e s sd o e s n ，t i n c r e a s ea n dt h ej o i n ts t r e n g t ho fc e r a m i ca n dm e t a li sn o td e c r e a s e d ，t h es t r e s s r u p t u r et e s t s 、，、 赵智忠：高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究 h a v ev a l i d a t e dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s i na d d i t i o n ，at e c h n i c sp r o b l e mt h a tt h ec r a n n i e s a p p e a r e da tf i x e ro f c e n t e rs h i e l dw a s f o u n da n dh a sb e e ns o l v e d t h ed y n a m i ci n s u l a t i o ni e v e io fah i g hv o l t a g ev a c u u mi n t e r r u p t e rr e l i e so nt h e c o n d i t i o n i n gt h i si st h e b o t t l e n e c kp r o b l e m i nt h ed e v e l o p m e n to fh i g hv o l t a g ev i s i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ew e a kp o i n t sd i s t r i b u t i o nm o d e lw a ss e tu pa c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n i n g p r i n c i p l e sf o rm i d d l ev o l t a g ev i s d u r i n gt h ec o n d i t i o n i n g ，t h e r ei sac o m b i n a t i o np r o c e s s b e t w e e ne l e c t r o n i ce s c a d ea n di o nb o m b a r d m e n ta tt h ew e a kp o i n t s t h ec o n d i t i o n i n g p r o c e d u r e sa n dp a r a m e t e r sf o rb e t t e rd y n a m i ci n s u l a t i o nl e v e li nh i 曲v o l t a g ed e g r e e sw a s p r e s e n t e d ，w h i c hc o u l dc o a c h t h es t a b i l i z i n gt r e a t m e n to fh i g hv o l t a g ev a c u u mi n t e r r u p t e r s i n a d d i t i o n ，a n o t h e rt e c h n i c sq u e s t i o n ，h o wt or e m o v et h ey e l l o ws p e c k si nc e r a m i c so fv a c u u m i n t e r r u p t e r sw h e nt h e yc o m i n go u ta f t e rh i g hv o l t a g ec o n d i t i o n i n g ，h a sb e e ns o l v e d s y n t h e t i cc i r c u i tt e s ti so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st oi d e n t i f yt h ec a p a b i l i t yo f h i g hv o l t a g es w i t c h e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es y n t h e t i c t e s tc i r c u i tf o rh i g hv o l t a g ev i s e x p e r i m e n t sw a sd e s i g n e da n db u i i t i nd e t a i l ，t h ep a r a m e t e r so fc i r c u i th a r d w a r ew e r e c a l c u l a t e da n dt h ec o n t r o ls y s t e mo fs y n t h e t i ct e s tc i r c u i tw a sd e s i g n e dw i t hp r o g r a m m a b l e l o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) i ti sa p p r o v e dt h a tt h ep a r a m e t e r so fs y n t h e t i ct e s tc i r c u i ti ss u i t a b l e f o rt h ee x p e r i m e n t a t i o no f7 2 5 k vv a c u u mi n t e r r u p t e r s t h i sw o r ki sb a s e do nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f7 2 5 k v l i g hv o l t a g ev a c u u m i n t e r r u p t e r s i ti so n ep a r to ft h ek e y p r o j e c to fn s f c ：“a r cp l a s m aa a j u s t i n ga n dc o n t r o l l i n g i nm e t a lv a p o ra n di t sa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fh i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r s ”t h er e l a t e d t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h es t r u c t u r ea n dp r o c e s s e so fh i g hv o l t a g e i n t e r r u p t e r sw e r et a k e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep r o t o t y p ea n ds o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e n f i n i s h e d s o m ev a l u a b l er e s u l t sf o rp r o d u c t - f o r m i n gh a v eb e e np u tf o r w a r d k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ev a c u u mi n t e r r u p t e r ；w h o l eo p t i m i z e dd e s i g n ；c e r a m i ct o m e t a ls e a l ；b r a z i n gc o o l i n gt e c h n i c s ：c o n d i t i o n i n g ， 。 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成臬。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理： 大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：垂鬯霎阻 导师签名： 大连理j i ：大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 目前真空开关己广泛用于电力、冶金、化工、煤炭、石油、矿山、高层建筑和电气 化铁道等领域。作为一种有触点型的电路故障分断元件，真空开关具有一般开关所具有 的普遍属性，即其导电回路主体能进行导体与绝缘体相互之间的迅速转换。它充分利用 了断路器在分断过程中出现的电弧等离子体吸收回路能量，利用真空介质的强熄弧能力 及高绝缘强度，来实现这种转换。目前，真空开关已经占领了世界上中低压领域丌关总 产量的7 0 8 0 。随着技术的进步和实施京都议定书对s f 6 的使用逐渐限制，真 空开关正向高电压等级、大开断容量的方向发展川。 真空开关向高电压等级发展，需要解决一系列设计理论和工艺问题。如真空间隙的 介质强度随间隙长度的增加趋于饱和的问题、动态绝缘问题、触头材料固有耐压问题、 老炼方法问题；工作在有机械振动环境下的大直径陶瓷件与金属的封接结构及强度问 题；还有由于单件工件体积增大，而导致一次封排工艺或真空钎焊工艺的降温时间明显 延长的问题，等等。 与中压真空灭弧室的设计不同，高电压真空灭弧室的设计，除了考虑开断能力，还 要重点解决耐压问题，尤其是动态绝缘的问题。与中压真空灭弧室相比，高电压真空灭 弧室的体积较大，高电压真空灭弧室的大直径瓷壳与金属封接强度问题显得非常突出。 随着真空灭弧室体积的增大，真空工艺处理时间，如一次封排工艺或钎焊的降温时间将 会明显延长。选择合适的工艺方法和降温工艺曲线，在不影响封接强度的前提下可大大 提高生产效率。 本研究工作以7 2 5 k v 高压真空灭弧室的设计与实现为背景，作为国家自然科学基 金重点项目“金属蒸气电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用”的组成部 分之一，通过对国内外真空灭弧室的发展历史与现状的研究，提出向高电压等级发展的 可能性以及存在的主要问题，进行结构与工艺中的相关理论与实验研究，旨在为进一步 的产品化给出指导性的结论。 1 2 真空灭弧室的发展历史与现状 1 21 真空灭弧室的发展历史 西安交通大学王季梅教授曾在3 c n 2 5 0 1 2 述t 真空灭弧室的发展历史。从1 9 世 纪初，就有人开始设想利用真空的一些特点来开断电流。到1 8 9 3 年，美国r i t t e n h a u s e 赵智忠：高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究 设计的第一个结构简单的真空灭弧室以专利发表后，就引起了教授和专家们的重视 5 l 。 1 9 2 0 年，瑞典b i r k a 公司又第一次制成了真空断路器，尽管其开断能力很小，尚无实用 价值，但却引起了各界的兴趣。1 9 2 3 年前后，s o r e n s o n 和m a n d e n h a l l 开始了真空中开 断电流的研究工作，并成功地在4 1 k v 下开断了9 2 6 a 的工频交流电流。此后，美国和 德国的一些电气公司便致力于真空断路器的研究。到5 0 年代初期，真空断路器的研究 工作有了较快的进展。1 9 5 5 年，h c r o s s 对美国j e n n i n g s 无线电制造公司，在多年来 生产几安培的高频真空转换开关的基础上，制成了1 5 k v ，2 0 0 a 的真空断路器。但在整 个5 0 年代，对真空断路器触头尚未找到适当的材料，使其开断能力一直停留在4 5 k a 的水平。直到6 0 年代，人们发现了铜铋二元合金以及后来，解决了触头熔焊问题，发 明了磁场控制电弧，基本解决了电弧集聚、影响过零分断能力的问题，开始生产额定电 压为1 5 k v ，丌断能力为1 25 k a 的真空断路器。1 9 6 6 年进一步试制成功1 5 k a 、2 5 k a 和 3 1 5 k a 的真空断路器。从此，真空断路器正式开始为电力工业服务。到目前为止，额定 电流已达到4 0 0 0 a ，如合理地采用风冷措施可提高到6 3 0 0 a 。现在单断口真空灭弧室的 额定电压已分别达到1 2 3 k v 、1 4 5 k v 和1 6 8 k v 的水平，开断电流能力最高可达1 0 0 k a 。 日本对纵向磁场结构真空灭弧室的研究已在实验室1 2 k v 条件下，开断了2 0 0 k a 。 我国是在1 9 5 8 年前后开始从事真空电弧理论研究和真空断路器的研制【5 j 。1 9 6 5 年， 研制成功第1 个真空灭孤室，不久研制成1 0 k v ，1 5 0 0 a 开断电力电容器的三相真空断 路器。1 9 6 7 年，研制成1 0 k v ，2 0 0 0 a 单相快速真空断路器。但由于历史的原因，直到 九十年代，我国才开始了众多开关厂研制真空断路器的高潮。 总之，真空开关自从6 0 年代初进入电力系统以来，已有4 0 多年的历史。目前中等 电压等级方面( 7 2 k v - - 4 0 5 k v ) 在我国已占领了该领域总产量的8 5 以上。在日本发展 较快，已达到9 5 ，在欧洲平均达到8 0 左右，在北美包括美国、加拿大等已达到了 8 0 8 5 e 6 1 。 1 2 2 真空灭弧室发展的现状及关键技术 综合各国的情况，目前主要有四项关键技术支撑着目前真空灭弧室、尤其是高电压 等级真空灭弧室的发展。 ( 1 ) 触头材料 在真空断路器中，触头材料基本决定了其开断性能，包括电弧特性，耐压性能、抗 熔焊性、截流性能以及焊接性能等等。近年来真空开关得以普及推广主要得益于二元铜 铬合金触头材料得到广泛的应用。第一个铬基触头材料是英格兰电气公司( c l r ) 的专 利，采用铬骨架在真空中渗铜的工艺。后来有西屋公司的粉末冶金法和英国通用电器公 大连理工大学博士学位论文 司( g e c ) 的真空断路器有限公司( v i l 公司) 的技术 w 。近年来，触头材料的微晶化 和其他新工艺都在推动着真空灭弧室参数发展，其绝缘性能的不断提高也支持着高电压 等级真空灭弧室的发展。 ( 2 ) 触头结构 在低于峰值7 k a 电流时，真空电弧是自然扩散的，均匀分布在触头表面。但要分断 更大的电流，就要利用外部磁场来使电弧扩散。1 9 8 3 年，v i l 公司推出了一种新型的纵 磁场“折叠花瓣触头”，比横磁场触头显著改善了分断能力，制成了当时世界最小的 1 2 k v 2 0 k a 触头( 直径3 2 m m ) 【7 】。目前有多种形式的纵磁场触头结构。对于高电压等 级真空灭弧室，长间隙下的电弧控制，对磁场的要求将更苛刻。 f 3 ) 真空灭弧室的结构 早期的真空断路器灭弧室由三十几个零件焊接而成。首先是部件装配、钎焊，然后 在真空炉中整管焊接。对于高电压真空灭弧室，中间屏蔽罩必须是悬浮电位，因此需要 两个绝缘的瓷壳来支撑固定，这样，整管的密封焊缝多，制造成本增加。 对于中压应用的灭弧室，目前的发展趋势是设法减少密封焊缝。如只用一个瓷壳， 就可以减少焊接中间屏蔽罩固定环的2 道密封焊缝。但这种瓷壳目前的生产成品率不高， 电弧产物溅射后电场分布也有问题。而对于高压应用，则在加强封接强度方面进行努力， 或采用高强度电工玻璃，牺牲整体强度来加强封接强度。 ( 4 ) 灭弧室制造工艺 制造工艺方面也有了可喜的进步。如，高电压真空灭弧室中，解决了导电杆的长度 增加时的强度问题。不锈钢屏蔽罩的抛光工艺得到显著改进。真空炉中“一次封排” 工艺，允许一次完成装配，不需要部件装配工序。因此，各零件可以设计成自定位结构， 整管一次装配完成。在大型真空炉中，一次可以排气焊接1 0 0 只或更多的真空灭弧室。 这种革新充分缩短了生产周期，提高了效率，降低了成本；更重要的是，“一次封排” 时零部件去气彻底，吸气剂激活温度高；产品的工艺致性好。 1 2 3 真空灭弧室的发展趋势 目前，真空灭弧室主要向以下几个方向发展o 】： ( 1 ) 小型化 世界各国对真空灭弧室的小型化已作了大量的研究工作，并取得了很大成绩。当前 所生产的各类真空灭弧室的外形尺寸已比最初的真空灭弧室的外形尺寸缩小了一倍以 上，而且还有进一步缩小外形尺寸的空间。 赵智忠：高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究 真空灭弧室管径的缩小，可使真空断路器的整体尺寸大大缩小，从而使开关柜的成 套设计尺寸亦趋于小型化。 ( 2 ) 向高电压、大容量方向发展 随着真空电弧理论研究工作的不断深入和技术的迅速发展，过去不能解决的难题现 在一个又一个地得到了解决，真空开关向高电压等级发展己具备条件。1 9 8 0 年美国通用 电气公司产生了1 6 8 k v 双断口真空开关，额定短路开断能力达到4 0 k a 。同年日本h i t a c h i 电气公司制造出1 2 3 k v 单断口真空开关，开断能力达到3 1 5 k a 。1 9 8 6 年日本t o s h i b a 电气公司研制成功1 4 5 k v 单断口真空开关，开断能力达到3 1 5 k a ，后来很快发展到 4 0 k a p 4 ho 俄罗斯于1 9 9 0 年生产出由4 个真空灭弧室串连组成的11 0 k v 的真空断路器， 美国通用电气公司后来又生产出由1 4 个真空灭弧室串连组成的8 0 0 k v 的真空断路器。 2 0 0 4 年，北京开关厂根据国内电力工业发展的需要，选用日本明电舍的真空灭弧室， 完成了1 2 6 k v 单断1 2 1 真空断路器的开发，其额定电流为2 0 0 0 a ，额定短路开断电流达到 4 0 k a ，真空灭弧室与陶瓷外绝缘子间的绝缘采用了硅油。目前，真空开关向高电压等级 发展的技术关键是高压真空灭弧室的开发。 在大电流分断方面，我国已实现8 0 k a 1 2 k v 产品化，额定电流己突破6 0 0 0 a 。 ( 3 ) 真空开关向低电压等级的渗透 低压开关电器产品是量大面广的电器基础元件，低压大容量断路器年产量就达几十 万台，塑壳低压断路器年产量约4 0 0 - 5 0 0 万台，中小型各类接触器年产量更大，估计在 1 0 0 0 多万台。由于真空接触器具有防爆和使用寿命长的特点，因此目前电压等级为 11 4 0 v 、5 0 0 v 和3 8 0 v 的低压真空接触器已被大量用于煤矿和化工企业，对低压真空断 路器、低压真空负荷开关以及低压真空接触器等还有大量的推广空间。 近年s i e m e n s 电气公司推出了额定电压为3 8 0 v 1 1 4 0 v ，额定电流为6 3 0 2 5 0 0 a ， 额定开断电流为2 0 5 0 k a 的低压真空断路器产品。该系列化产品具有智能化功能，内 容包括数字化显示各相运行电流的情况、过负荷预报、电子过负荷延时脱扣和短路瞬时 脱扣、触头磨损自动显示，还有各种故障电流和动作时间的自动记录等。我国在这方面 也作了不少工作，并已推出了具有一般功能的3 8 0 v 、1 0 0 0 a 、5 0 k a 的低压真空断路器。 ( 4 ) 低过电压真空开关 ， 真空开关熄弧能力强，在开断小感性电流时，易发生截流现象，引起过电压。特别 是在电动机堵转和启动时，真空开关开断会引起很高的过电压。在降低截流、限制过电 压方面，最新的做法是开发低过电压触头材料，如日本研制的c o a g s e 、a g w c 、c u c r b i o ( a 为一种添加剂) 等触头材料【1 。”j 。再如西门子公司研制的c u c r a 9 2 s e 、c u c r - 大连理：i ：大学博士学位论文 c u 3 c r 2 t e 4 等4 。”。他们的研究表明，这类触头的开断能力可达到2 0 2 5 k a ( 1 2 k v ) ，而 截流值l c h 一 、 d m m 图2 3 x 5 0 随电极间隙d 的变化 f i g 2 3t h er e l a t i o n so f x 5 0v i ag a ps p a c i n gd 击穿电压公式( 2 1 ) 也可以表征屏蔽罩电极边缘的局部放电特性，因此，屏蔽罩边 缘的形状是关键。通过下面的电磁场计算可知，无限薄直线电极边缘的等位线 ( i s o p o t e n t i a l ) 接近半园形，把该等位线( 绕轴旋转一周成等位面) 看成为实际屏蔽罩 电极的外形，而不应该是其它各种形状。 赵智忠：高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究 2 3 1 平板电极边缘的最高电场 平板电极内部放电起始电压巩，与极板间距d 2 _ n k b 线性关系， 压玑，与绝缘厚度d 的关系有k a p p e l e rh 所提出的经验公式 u 。，= k d 0 4 5 而局部放电起始电 ( 2 3 ) 为找出经验公式( 2 3 ) 与边缘放电的关系，首先对平板电极边缘最高电场强度进行 理论分析。 ， 设一个半无限大平面a b 对一个无限大平面( x 轴向) 的平板电极结构如图2 4 所 示，当极板间距离为d ，无限大平面( 其电位为零) 与x 轴重合，半无限大平面( 其电 位为u ) 的端点b 的坐标为( 一d ，d ) i j y j ，其许瓦兹变换( s c h w a r zt r a n s f o r m ) n 【8 2 】 丌 x ：生0 rc 。s 伊+ y ) 万 y ：旦( p ys i nr p + 。p ) 7 1 式中为电力线参数，妒为等位线参数。 工 一4 2 0 5 注1 ) b 点是边缘场强域犬处 图2 4 平板电极边缘处电场 f i g2 4t h ee l e c t r i cf i e l da tt h ee d g eo f a f l a tb o a r d ，。 经许瓦兹变换到z 平面上任意点的电场强度e 为 睁等丽丧面 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 大连理：l ：大学博士学位论文 如图2 5 所示，设p ( 目) 为贴近无限薄电极a b 的某一等位面，由于实际电极具有 定厚度，把该等位面妒( 口) 看成为实际电极外形，计算等位面妒( 口) 上的最大场强厶。 ( 发生点距b 点为，) 。 无限薄电极 高 b 等位面伊( 口)晶 ， 图2 5 无厚度电极边缘等位线及其最大电场 f i g 2 5t h ei s o p o t e n t i a | a n dt h ei i i b xe l e c t r i cf i e l d a tt h ee d g eo f at h i c k n e s s l e s sf l a tb o a r d 为求得厶。，将( 2 5 ) 式的丘对妒求导，并令施：a 少= 0 ，得 e ”= 一c o s ( o ( 2 6 ) 将上式在b 点( g o = 0 ，p = 石) 处级数展开可得 妒= 一( 矿妒) 2 2 ( 2 7 ) 把( 2 4 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式依次代入r 的表达式j ( x + 要) 2 + ( y d ) 2 中，并在妒= 万 处把s i n p 、c o s 妒展开得 ，：旦瓜i 万访石面五而而 ，z 丢( 石刊2 故有 ( 州) 2 孚 ( 2 8 ) “ 杷( 2 6 ) 、( 2 8 ) 式依次代入到( 2 5 ) 式中可得最大场强 赵智忠：高压真空灭弧室结构与：l ：艺的设计与实验研究 k ：等1 d i n 2 口 e 。_ u 兰：善 下1 ( 2 9 ) “2 了丽2 面面万 恤“ 2 3 2 平板电极边缘的形状 设等位面p ( 目) 与直线x = - d r c 相交于y l 、y 2 ( 对应于、y 2 ) ，由x = 一d i r e 及 ( 2 4 ) 式得 一d 兰 c o s 妒+ 少) 当扩符合收敛条件时，把p rz 1 + 矿+ 去y 2 代入上式中，并解y 可得 吵。( 或y ：) = 二! 生掣z k 一伊i 把妒( 或y ：) 代入( 2 4 ) 式中并应用( 2 8 ) 式可得 y l ( 或y 2 ) z d 2 r 实际平板电极具有一定厚度，可以认为极板边缘的电极形状与等位面p ( 臼) 相重 合，即极板厚度出zy ，一y ：= 4 r ，当x 呻。时上极板下方的均匀电场e o = u d ，那么 由( 2 9 ) 式可得厶。与疡的关系 k 划后岛括 弦1 0 ) 此时d 为实际电极间距，k 为等位面妒( 分) 电位为u 时对( 2 9 ) 式的校正系数。上式 即极板边缘的最大场强e 。与极板间绝缘厚度d 、极板厚度a t 之间的关系式。 极板边缘的最大场强e 一达到极板边缘介质的击穿场强e b 时就发生局部放电，根 据上式得 驴k 伽括 此时的极板平均场强e g ( e ，= 岛) 即为平板电极的局部放电起始场强，由上式得 e = k d o 5 ( 2 1 1 ) 式中k = 历既也五k 局部放电起始电压为 u ：k d o 5 ( 2 1 2 ) 大连理工大学博士学位论文 上两式与前面的经验公式( 2 2 ) 相一致，与由击穿弱点理论及微粒效应引发击穿的 公式( 2 3 ) 形式一致，指数项也相近。通过上面的理论分析说明经验公式( 2 3 ) 表征的局 部放电参数与边缘放电相似：边缘放电是由于极板边缘的最大场强达到了极板边缘介质 的击穿场强e b 而引起的，极板边缘最大场强和历决定着边缘放电。 从以上的计算过程中可见，屏蔽罩边缘的形状应该是沿着图2 5 无厚度电极边缘等 位线的形状，近似为半圆形。过去中压真空灭弧室常用的几种典型的中间屏蔽罩结构如 图2 6 所示，产生的电场畸变比较严重，直接应用于高电压真空灭弧室中有问题。例如 图2 6 ( d ) 所示的屏蔽罩，虽然两端对称，但缩口处会出现较大的电场峰值。 图2 6 过去常用的几种典型的中间屏蔽罩结构 f i g 2 6t h et y p i c a lm i d d l es h i e l d sw h i c hh a v eb e e nu s e d 2 4 均压屏蔽罩的圆角半径和材料 前面已经论述了增加均压屏蔽罩韵必要性，屏蔽罩边缘为半圆形，但其两端圆角的 参数未定。本节应用a n s y s 软件计算电场解决这一问题，并通过耐压试验给予验证【26 1 。 在a n s y s 软件中建立真空灭弧室模型计算电场，改变各屏蔽罩圆角半径而保持间 隙距离不变，圆角半径从2r f l r n 变化到5 m m 时，电场强度由2 3 6 3 1 0 3v m 下降到1 8 2 0 x1 0 3v m ，明显减弱；从5 m m 变化到8 m m 时，电场强度分别为1 8 2 0 1 0 3v m 、1 7 6 6 1 0 3 v m ，变化较小。 在屏蔽罩间的距离为5 2 0 m m 分别进行了多次耐压试验，结论相同：各屏蔽罩的 端部圆形卷角的半径分别取2 m m 、5 m m 和8 r a m ，发现当圆形卷角的半径从2 r a m 换成 回胁。回 赵智忠：高压真空灭弧室结构与工艺的设计与实验研究 5 m m 时，耐压强度增加；而圆形卷角的半径从5 r a m 换成8 m m 时，耐压强度增加不明 显。因此本研究设计的高压真空灭弧室各屏蔽罩圆角半径均取5 m m 。 改变材料，用铜和不锈钢分别试验，结论相同，同时发现在几何参数相同的条件下， 不锈钢零件的绝缘强度普遍比铜的高1 5 4 0 。图2 7 和图2 8 分别为铜和不锈钢屏蔽 罩的试验数据。 5t01 11 31 51 t n m t 0 屏蔽罩间距r n m 图27 铜电极击穿电压与圆角半径和电极间距的关系 f i g 2 7b r e a k d o w nv o l t a g eo f t h ec o p p e re l e c t r o d e s nr e l a t i o nt ot h er a d i u so f t h er i n ga n dt h ee l e c t r o d eg a p 一。二：二 t 二二； 一 d 彳簪一 ： r 一。一 57o”侣把”“m1 口 屏蔽罩问距m m 9 图28 不锈钢电极击穿电压与圆角半径和电极间距的关系 f i n2 8b r e a k d o w nv o l t a g eo f t h es t a i n l e s ss t e e le l e c t r o d e s i nr e l a t i o nt ot h er a d i u so f t h er i n ga n dt h ee l e c t r o d eg a p 中压真空灭弧室大多采用无氧铜屏蔽罩，这是由于铜所具有优良的热导率和热容 量。但对于高电压等级的真空灭弧室，则要优先考虑材料