真空断路器的结构与原理

一、真空断路器的结构

真空断路器的结构主要由三部分组成：真空灭弧室、操动机构、支架及其他部件。

1、真空灭弧室

真空灭弧室又名真空开关管，是真空断路器的核心部件。其主要作用是通过管内真空优良的绝缘性能，使中高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流，避免事故和意外的发生。真空灭弧室按外壳分为玻璃真空灭弧室、陶瓷真空灭弧室。

真空灭弧室主要由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、触头、波纹管等部分组成。

1）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，不锈钢波纹管组成了气密绝缘系统。为了保证玻璃、陶瓷与金属之间有良好的气密性，除了封接时要有严格的操作工艺外，还要求材料本身的透气性尽量小、内部放气量限制到极小值。不锈钢波纹管不仅能将真空灭弧室内部的真空状态与外部的大气状态隔离开来，而且能使动触头连同动导电杆在规定的范围内运动，以完成真空开关的接通与分断操作。

2）导电系统

定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成了灭弧室的导电系统。其中定导电杆、定跑弧面、定触头合称定电极；动触头、动跑弧面、动导电杆合称动电极。由真空灭弧室组装成的真空断路器、真空负荷开关和真空接触器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。为了使两触头间的接触电阻尽可能小且保持稳定、灭弧室承受动稳定电流时有良好的机械强度，真空开关在动导电杆一端设置有导向套，并使用一组压缩弹簧，使两触头间保持有一个额定压力。真空开关分断电流时，灭弧室两触头分离并在其间产生电弧，直至电流自然过零时电弧熄灭，便完成了电路的分断。

3）屏蔽系统

真空灭弧室的屏蔽系统主要由屏蔽筒，屏蔽罩和其他零件组成。屏蔽系统的主要作用是：

（1）防止触头在燃弧过程中产生大量的金属蒸气和液滴喷溅，污染绝缘外壳的内壁，造成绝缘强度下降或产生闪络。

（2）改善真空灭弧室内部的电场分布，有利于真空灭弧室绝缘外壳的小型化，尤其是对于高电压的真空灭弧室小型化有显著效果。

（3）吸收一部分电弧能量，冷凝电弧生成物。特别是真空灭弧室在开断短路电流时，电弧所产生的热能大部分被屏蔽系统所吸收，有利于提高触头间的介质恢复强度。屏蔽系统吸收电弧生成物的量越大，说明它吸收的能量也越大，这对增加真空灭弧室的开断容量起良好作用。

4）触头系统

触头是产生电弧、熄灭电弧的部位，对材料和结构的要求都比较高。

（1）触头材料

对触头材料有以下要求：

a、高开断能力

要求材料本身的导电率大，热传导系数小，热容量大，热电子发射能力低。

b、高击穿电压

击穿电压高，介质恢复强度就高，对灭弧有利。

c、高的抗电腐蚀性

即经得起电弧的烧蚀，金属蒸发量少。

d、抗熔焊能力。

e、低截流电流值，要求在2.5A以下。

f、低含气量

低含气量是对所有真空灭弧室内部所使用材料的要求。特别是铜材，必须是低含气量的特殊工艺处理的无氧铜。而焊料等则要求采用白银、铜的合金。

g、断路器用真空灭弧室的触头材料大都采用铜铬合金，铜与铬各占 50%。在上、下触头的对接面上各焊上一块铜铬合金片，一般厚度各为3mm。其余部分称为触头座，用无氧铜制造即可。

（2）触头结构

触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同，常采用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，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。

5）波纹管

真空灭弧室的波纹管主要担负保证动电极在一定范围内运动和长期保持高真空的功能，并用来保证真空灭弧室具有很高的机械寿命。真空灭弧室的波纹管是由厚度为0.1~0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件。真空开关在分合过程中，灭弧室波纹管受伸缩作用，波纹管截面上受变应力作用，所以波纹管的寿命应根据反复伸缩量和使用压力来确定。波纹管的使用寿命和工作条件的受热温度有关，真空灭弧室在分断大的短路电流后，导电杆的余热传递到波纹管上，使波纹管的温度升高，当温升达到一定程度时，就会造成波纹管的疲劳，影响波纹管的使用寿命。

2、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，具有电动关合、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。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。

二、真空断路器的原理

真空断路器核心部件真空灭弧室是利用高真空度绝缘灭弧介质，用密封在真空中的一对触头来实现电力电路通断功能的一种电真空器件。当其断开一定数值的电流时，动静触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的某一点或某几点上，导致电极间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，导致剧烈的电场强发射和间隙击穿，产生真空电弧。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。由于触头的特殊构造，燃弧期间触头间隙会产适当的纵向磁场，这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面，维持低的电弧电压，从而使真空灭弧室具有较高的弧后介质强度恢复速度、小的电弧能量和小的腐蚀速率。这样，就提高了真空灭弧室开断电流的能力和使用寿命。

三、真空断路器的特点

1、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，合闸功率小，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）操动机构小，整体体积小，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。

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）在真空开关管的使用年限内，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。

11）具有多次重合闸功能，适合配电网中的应用要求。

2、缺点

1）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，主要取决于真空灭弧室的专业生产及机构可靠性的要求。