第四章 真空断路器检修

第一节 真空断路器的基本结构

一、真空断路器的优、缺点1.真空断路器的优点

（1）在密封的容器中熄弧，电弧和炽热气体不外露。灭弧室作为独立的元件，安装调试简单、方便。

（2）触头间隙很小，一般在10mm左右，合闸功小，机构简单，使用寿命长。（3）熄弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小，开断次数多。

（4）动导杆的惯性小，适用于频繁操作。（5）操作机构小，整机体积小，重量轻。（6）控制功率小，开关操作时动作噪音小。

（7）灭弧介质或绝缘介质不用油，没有火灾和爆炸的危险，安全。

（8）触头部分为完全密封结构，不会因潮气、灰尘、有害气体等影响而降低其性能。工作可靠，通断性能稳定。

（9）真空断路器开断后断口间介质恢复快，介质不需要更换。

（10）在真空断路器的使用年限内，触头部分不需要维修、检查，一般可达20年左右不需检修。维护工作量小，维护成本低，仅为少油断路器的1/20左右。

（11）具有多次重合闸功能，适合配电网中应用要求。2.真空断路器的缺点

（1）对开断感性小电流时，断路器灭弧能力较强的触头材料容易产生截流，引起过电压，应采取相应的过电压保护。

（2）价格较高，主要决定于真空灭弧室的专业生产及机构可靠性的要求，如果综合考虑运行维护费用，价格并不高。

二、提高高压真空断路器动作的可靠性

（1）掌握真空断路器的基本结构，熟悉其技术性能指标，合理选择使用条件。（2）认真做好高压真空断路器机械参数调试工作。

（3）规范备品备件管理和储存，保证备品备件的技术性能指标和质量的一致性、通用性和可靠性。

（4）做好高压真空断路器的运行记录和事故分析，总结经验，和制造部门通力合作，不断提高真空断路器的先进性、可靠性和经济性。

真空断路器电气寿命、机械寿命、不检修周期均优于SF₆ 断路器。由于高真空度的

熄弧特性，在动作暂态过程中易产生较高的内部过电压，引起真空断路器的重燃或者重击穿。所以，在使用中对于设备之间的绝缘配合及限制操作过电压的技术措施应给以重视。在SF₆断路器或真空断路器的选择中，应根据具体情况而定，不能盲目图其所好。

三、真空断路器灭弧室

真空断路器的基本结构如图4 1所示。型号不同的真空灭弧室按用途、参数、开断容量可分为断路器用真空灭弧室、负荷开关用真空灭弧室、接触器用真空灭弧室、重合器用真空灭弧室和分段器用真空灭弧室。其结构形式均由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、波纹管等部分组成。

1.真空灭弧室的基本结构

（1）气密绝缘系统。由玻壳（或陶瓷壳）及动、定端盖板、不锈钢波纹管组成气密绝缘系统，起气密绝缘作用。

（2）导电回路。主要由一对触头（电极），动、定触头座，动、定导电杆组成，起接通与断开回路的作用。

图4 1 真空断路器的基本结构

（3）屏蔽系统。该部分通常由环绕触

头四周的金属屏蔽筒构成，主要作用是防止触头在燃弧过程中产生的大量金属蒸气和液滴喷溅、污染绝缘外壳的内壁，造成管内绝缘强度下降。其次还可以改善管内电场分布，并吸收电弧能量，冷凝电弧生成物，提高真空灭弧室开断电流的能力。

（4）波纹管。波纹管是由厚度为0.1～0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件，是真空灭弧室的一个重要的结构零件，它使动触头在真空状态下运动成为可能，是保证真空灭弧室机械寿命的重要零件。真空灭弧室在安装、调整及使用过程中，应避免波纹管受过量的压缩，过量的拉开，以确保波纹管的使用寿命。

真空断路器的真空处理是通过专门的抽气方式进行的，真空度一般达到1.33×10^-3～1.33×10^-7Pa。

2.真空灭弧室的基本工作原理

真空灭弧室是用密封在真空中的一对触头来实现电力电路的接通与分断功能的一种电真空器件，是利用高真空度绝缘介质。当其断开一定数值的电流时，动、定触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的某一点或某几点上，表现电极间的电阻剧烈增大和温度迅速提高，直至发生电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，导致剧烈的场强发射和间隙的击穿，产生了真空电弧，当工作电流接近零时，同时触头间距的增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断，开断结束。

真空开关管触头的结构根据开断电流的大小有所不同，图4 1所示的触头，可以开断电流的大小与触头的直径大体上成正比。因此，对于开断小电流的负荷开关和接触器时，可以采用图4 1的简单对接触头结构；当用于开断大电流的断路器时，为了提高开断能力，增强灭弧的效果和灭弧能力，在触头上的周围装上旋弧盘或在电极上开以旋弧槽。

四、触头的结构

触头的结构对真空断路器的开断能力有很大的影响，上述的对接盘式触头，极限开断电流的能力仅能达到数千安，受阳极斑点的限制不能开断过大的电流。为了提高开断电流，推出了横向磁场及纵向磁场的结构型式，开断电流可达到40～50kA。

1.横向磁场

螺旋槽形横向磁场触头结构如图4 2所示。横向磁场就是与弧柱轴线相垂直的磁场，它与电流的相互作用产生电动力使弧柱运动；避免电极表面局部过热；抑制或推迟阳极斑点的产生，这对提高极限开断能力有明显效果。磁场是靠触头中的电流流线产生的，上、下两触头具有对称的螺旋线。当触头间形成电弧时，电流流经上、下螺旋线，在触头间（弧柱上）产生的磁场为半径方向，在弧柱中的电流作用力作用下驱使电弧沿圆周方向运动，在触头表面不断地旋转，因此电弧产生的热量能均匀地分散在较大范围的面积上，减轻局部过热现象。这类触头在20世纪60年代的真空开关产品中使用取得较好效果，使当时的产品开断电流提高到30～40kA。

图4 2 螺旋槽形横向磁场触头结构（a）触头；（b）电流路径；（c）磁场力方向

1—铜合金基弧触头；2—铜基触头；i—电弧电流；i，i₂—电弧电流分量；

F—横向磁场力；B—横向磁场

横向磁场有阿基米德螺旋槽形和斜槽形两种，如图42和图43所示。当电弧电流流经横向磁场触头时，由磁场B产生横向作用力F来驱使真空电弧不断在触头表面运动，使电弧扩散直至灭弧。

2.纵向磁场

当电弧电流流经纵向磁场触头时，产生的真空电弧具有扩散型电弧的基本特性，然后再由扩散型电弧转变到集聚型电弧直至灭弧。

（1）单极型纵向磁场（图4 4）的动、静触头上的线圈完全相同，当电流流过触头及线圈时，其方向一致，电流在弧区内产生纵向磁场，在纵向磁场作用力的作用下进行灭弧，可以大大提高分断能力。

（2）多极型纵向磁场触头电弧电流的途径、大小、方向以及纵向磁场极性表示在图4 5上。

可见4个磁力线的极性在对角的1/2区域是相同的，同时在轴中心上由于A、B或者C、D磁场相互抵消而没有磁场，并不产生涡流效应，而在电弧电流到达峰值时能产生较大的纵向合力磁场，在电流为零时剩余磁场相当低。由此，纵向磁场对提高真空断路器的

图4 4 单极型纵向

图4 3 斜槽形横向磁场触头

磁场触头

1—铜合金基弧触头；2—铜基

i—电弧路径；F—纵向

触头；i—电弧电流

磁场力

图4 5 多极型纵向磁场触头

（a）触头；（b）磁力线极性图

i—电弧电流；F₁，F₂—纵向磁场力；A，B，C，D—磁场

区域；a，b，c，d—电弧电流路径

分断能力是十分有效的。

五、真空断路器的材料

真空断路器上使用的材料必须能长期地保证其原有的特性，在多次或长期的使用条件下不产生变化及损坏，为此必须很好地加以考虑，即应能耐受并符合真空断路器制造上的加工条件及组装条件；气体的渗透量要小，确保真空开关管的真空度不应降低；放气量小，特别是燃弧区的触头，必须经过充分地脱气处理。下面介绍主要零部件的材料。

1.触头材料

对触头材料的主要性能要求：①抗熔性好；②绝缘强度高；③电流遮断能力大；④截断电流低；⑤接触电阻小，容易导电的材料；⑥含气量少的材料。

选用的材料还涉及到其加工方法。铜之类的材料可在真空条件下熔炼，而钨类材料由于不用粉末冶金无法加工，因而易残留气体。所以，钨类材料作为开断大电流触头是不合适的。

真空断路器对触头材料所要求的主要要求为抗熔性、绝缘强度、开断性能、截流值与材料的机械强度、蒸气压、热传导率。从表41～表43中可以看出，所要求的特性相互是有矛盾的。特别是要提高开断能力与降低截流值这两种特性完全相抵触。因此，用一种材料是不可能满足真空断路器所有特性的要求，即使纯金属也是不可能的。目前，都是根据真空断路器的具体规格来选用合适的触头材料。比如在用于接触器时，以考虑截流值小为主；用于负荷开关时，以绝缘强度为主；用于断路器时，以开断能力为主。

表4 1

两 类 材 料 比 较

表4 2

触头材料与绝缘强度（触头开距为1mm时）

表4 3

触头性能要求与材料物理特性的关系

2.绝缘外壳

目前，一般都用玻璃或陶瓷做真空灭弧室的绝缘外壳。如采用玻璃，要在硬质玻璃圆筒的两端，用热膨胀系数与这相似的合金材料作为密封材料。用陶瓷作为外壳时，则把高纯度的氧化铝瓷件与特别的合金封焊。采用玻璃材料时，加工比较方便，造价低，但主要用于电流较小的场合。对陶瓷材料，技术性能好，但加工工艺要求高，相应的价格也较贵。

3.波纹管

金属波纹管使用的材料主要有磷青铜和不锈钢。由于真空断路器在制造过程中要热加工，使磷青铜的操作寿命明显降低。因此，现在都采用不锈钢来制作。

按波纹管的结构种类，可分为模压波纹管和焊接波纹管。制作模压波纹管时，先将薄

的金属板做成细长的管子，再用液压成型机把它压成所需的形状。制造焊接波纹管时，先

将波纹管冲压成环形，叠合好再把内外壁焊上。与模压波纹管相比，焊接波纹管的节距

小，波节多，且耐压力也大。如果尺寸相同，焊接波纹管的寿命要长得多。但是由于它的

成本高，实际上很少使用。真空断路器的寿命，主要考虑在频繁的重复运动下，保证完好

的密封、弹性效果。