降低真空灭弧室回路电阻的有效方法

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇降低真空灭弧室回路电阻的有效方法范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】 随着真空开关、尤其是真空断路器的额定电流越做越大，及真空开关的小型化，减小真空灭弧室的回路电阻显得越来越重要，本文通过对真空灭弧室的回路电阻的分析，对真空灭弧室导电回路的固有电阻和触头之间的接触电阻提出了降低措施，并在实际应用中取得实效。

【关键词】 真空灭弧室 R触头 回路电阻 固有电阻 接触电阻

真空开关、尤其是真空断路器的回路电阻是一项重要的技术参数，回路电阻对真空断路器在长期工作下的温升有着直接影响。据统计，真空断路器在运行中出现的事故约有1／3左右是绝缘事故，而绝缘事故又主要由绝缘件的绝缘能力下降引起。绝缘件的绝缘能力的劣化又与其长期在较高温度下工作有很大关系。因此，如何降低真空断路器在长期工作下的温升，保证其运行可靠性已越来越受到人们的重视。

本文主要阐述真空灭弧室的回路电阻的产生及构成，影响回路电阻的因素，和减小回路电阻方法等。

1 真空灭弧室的回路电阻

真空灭弧室的回路电阻，通常占真空断路器回路电阻的40％～60％。表1是部分真空断路器的回路电阻。真空灭弧室是真空断路器长期工作时的主要发热源。真空灭弧室的触头接触电阻是真空灭弧室回路电阻的主要组成部分。而触头系统密封在真空内，所产生热量绝大部分由灭弧室动静导电杆导出，通过外部散热装置散掉。因此，降低真空灭弧室的回路电阻是减少真空断路器温升的重要课题。

真空灭弧室的回路电阻可有下面公式表示

1．1 收缩电阻

接触元件，无论加工多么精致，从微观上看其表面总是凸凹不平的。因此，当两个接触元件彼此接触时，其表面不可能完整地接触。真正接触的是个别区域，其他区域并没有直接接触。即实际接触面积要比“视在”的接触面积小。在真正接触的区域中，一些是金属对金属的接触，称为“金属接触”；另一些是靠覆盖在接触处的单分子薄膜通过孔道效应和穿透薄膜的金属桥导电的，称为“半导体”接触或“膜”接触；还有一些接触点覆盖着完全不导电的绝缘膜，如氧化膜和硫化膜，不能导电，可称为“绝缘接触”。剩下的其它点因为表面不平，完全没有接触，不导电，可称为“非接触点”。

我们想象电流象磁力线一样也有电流线。当电流流过“金属接触”点时，由于电流象水一样通过筛孔时受到收缩而产生阻力，这种阻力称为收缩电阻。

1．2 膜电阻

接触元件表面因污染、化学腐蚀等原因而形成的一层导电性很差的物质(包含尘埃膜、吸附膜、无机膜、有机膜等)，由此而形成的接触电阻称为膜电阻。在真空灭弧室中，由于触头在装配前进行清洗处理，表面导电性能很好，以后在真空中其表面不会受到污染和化学腐蚀等破坏，因此膜电阻几乎可以不考虑。

动、静触头之间的接触电阻Rj由有下面经验公式表示式中kj――与接触材料，表面情况，接触方式有关的系数： F――触头压力； m――与接触型式有关的系数。

由上分析，我们可以从以下方面来改善真空灭弧室的回路电阻：

(1)电阻率：接触电阻与接触材料的电阻率有密切关系，相同条件下电阻率高的材料其接触电阻也高。

(2)硬度：接触电阻与材料的硬度有关，同一种材料，硬度高的触点比硬度低的触点接触电阻高。

(3)接触面积：接触电阻随接触面积的增加而减小。

(4)几何形状：触点的几何形状、尺寸大小和表面光洁度也会影响触点的接触电阻。在一定的接触压力下，接触点的曲率半径越大，接触电阻越小。触点越光洁，接触电阻越小。

(5)接触电流和通过电流的时间：在一定的接触负荷下，通过触点的电流增加时，接触电阻逐渐下降并趋于稳定。随着接触时间的延长，接触电阻下降并趋于稳定。

(6)其他因素：主导电回路的合理设计，尽可能缩短回路长度和减少连接焊接点。

2 京东方真空灭弧室降低回路电阻的主要方法

目前，国内外厂家的真空灭弧室大多采用杯状纵磁触头，下面介绍的降低真空灭弧室的方法主要与这种灭弧室进行比较。

2．1 减小导电回路导体的固有电阻

(1)减短导电回路的导电路径

京东方牌真空灭弧室采用R触头系统。图1为使用R触头及杯状触头的真空灭弧室导电回路的导电路径示意图。使用R触头和杯状触头的真空灭弧室在通过短路电流时均能在触头间隙产生很强的纵磁场。R触头是利用特殊形状的软磁材料，使磁力线按规定的路线闭合成磁力回路，在垂直于触头的分断面上产生纵向的磁力线：杯状触头是利用改变电流的流向，使电流的流向中有横向电流，该电流产生垂直于触头的分断面上纵向的磁力线。由此可见，R触头中电流以最短的路径通过触头；而杯状触头为了产生纵向磁场电流必须横向绕行，因此电流路线加长，导体电阻加大。

其它型式的触头，如线圈结构的触头、杯状横磁触头等都与杯状纵磁触头类似，它们导电回路的固有电阻都比R触头大。

以12kV／1250A―31．5kA真空灭弧室为例：经计算，由于结构的原因，杯状触头的触头处导电长度比R触头的触头处要增加2．7倍，相当于使真空灭弧室的总导电长度增加30％，增多了4条钎焊焊缝。这将使杯状触头真空灭弧室的回路电阻比R触头真空灭弧室增大约20％。

经计算，杯状纵磁触头12kV／1250A一31．5kA真空灭弧室导电回路的固有电阻为6．6μΩ，而R纵磁触头12kV／1250A―31．5kA真空灭弧室导电回路的固有电阻为5．5μΩ。

(2)减小R触头触头材料的导通部分的厚度

真空断路器的触头材料大多选用CuCr25～50材料，其导电率仅为无氧铜的1／3左右，因此其厚度大小对灭弧室的回路电阻也有一定影响。杯状触头的触头材料因要加工成单独的零件，考虑到强度因素不可能做得太薄，一般为3～4mm：R触头的触头材料与磁场系统为集成式制造，因而主导电部分可做薄，一般可做到2mm。因而可适当降低灭弧室的回路电阻。R触头外形见图2。

2．2减小动、静触头间的接触电阻

在真空灭弧室内动、静触头间的接触电阻约占真空灭弧室回路电阻的2／3左右，因此减小动、静触头间的接触电阻对降低真空灭弧室的回路电阻有极重要的作用。

(1)改进触头表面形状的设计，不增加额外的回路电阻

真空断路器在合闸状态时，真空灭弧室的动静触头面很难吻合得非常完好，总有一定程度的夹角。杯状触头的触头面均为一带槽的大平面，因而只要动静触头有夹角，电流要流到触头杯杯壁上时，总有几个分支电流要流过较长的导电率较小的CuCr触头面，因而会适当增加回路电阻：

R触头的触头面中心处有一凸台，面积较小，因而动静触头触头面会吻合得很好，电流穿过触头层即可流入导电杆，从而不会增加额外的接触 电阻。

(2)触头的桡性设计，减小收缩电阻

在真空灭弧室的制造中由于零件的制造误差及装配误差等原因，不能保证真空灭弧室的动、静触头端面之间严密接触，两触头端面之间有夹角α。在杯状触头的真空灭弧室中，α角的存在使电流不能均匀流过触指，即减小了接触面积，增大了收缩电阻，即增大了接触电阻。京东方真空灭弧室中导电杆与触头的连接为挠性连接，经数百次机械开合操作后，真空灭弧室的动、静触头的端面会自动微调，使动、静触头的端面之间严密接触，α角几乎为零。最大限度地保证动、静触头的端面之间的接触面积，使收缩电阻最小，即减小了接触电阻。

(3)触头表面经过SPS技术处理，减小接触电阻

触头表面经过SPS技术处理后，触头材料的晶粒细化，触头表面光洁度更好，从而可降低动、静触头的接触电阻。

通过上述减小动、静导电杆的固有电阻和减小动、静触头间的接触电阻的措施后，真空灭弧室的回路电阻有明显的改善。京东方真空灭弧室的回路电阻比其他同类真空灭弧室的回路电阻下降25％左右。

目前，常规类京东方真空灭弧室的回路电阻可达到，IN=1250A R=12±1μΩ；IN=3150A R=10±1μΩ。固封极柱用真空灭弧室的回路电阻可达到，IN=1250AR=9±1μΩ；IN=3150A R=7±μΩ。

3低温升真空灭弧室的应用举例

真空灭弧室的回路电阻对真空开关的温升起决定性的作用。额定电流在1600A以下的真空开关，真空灭弧室的回路电阻占真空开关的回路电阻的60％左右，额定电流在2500A以上的真空开关，真空灭弧室的回路电阻占真空开关的回路电阻的70％～80％。

以往，在真空开关中为了降低温升往往采取加大散热面积，增加散热通路，甚至于在开关柜内采用强迫风冷等办法，这些方法都是被动的办法。而在开关中降低回路电阻，减小发热源这才是降低温升最有效的办法。

下面介绍使用京东方低温升真空灭弧室在两个真空断路器型式试验温升试验的例子。

3．1 3AS4―12／T3150―40真空断路器温升试验3AS4―12／T3150―40真空断路器是固封极柱产品，使用61052B(12kV／3150―40kA)低温升的陶瓷真空灭弧室。该灭弧室的回路电阻只有7±1μΩ，比国内同类产品的回路电阻低25％，因此它的发热量比同类产品低25％。试验结果表明3AS4―12／T3150―40真空断路器的温升试验顺利完成，并在灭弧室的动、静端的稳升还有较大余度。温升测量点示意图见图3。(2)温升试验

3．2 ZN108―12／T4000―40真空断路器温升试验

ZN108―12／T4000―40真空断路器是为KGN8―12户内铠装固定式开关柜而设计的，开关柜体积为840x1400x2300mm。在国内很少见在这样小尺寸的开关柜中在不加冷却风机的条件下能完成额定电流4000A的温升试验。该真空断路器采用京东方61039B(12kV／4000―40kA)低温升的陶瓷真空灭弧室。该灭弧室的回路电阻只有≤10μΩ，比国内同类产品的回路电阻低25％。试验结果表明ZN108―12／T4000―40真空断路器的温升试验顺利完成。测量温升示意图见图4。(1)主回路电阻(2)温升试验

4 结束语

真空灭弧室的回路电阻主要由导电回路的固有电阻和动、静触头的接触电阻组成。研究表明，使用R触头的真空灭弧室导电回路的固有电阻可通过导电回路的结构、材料等合理设计，比常规真空灭弧室导电回路的固有电阻小20％左右。动、静触头的接触电阻可通过触头表面的优化设计和触头表面的特殊处理得以降低。近几年，低温升(低回路电阻)真空灭弧室在固封极柱真空断路器、小型化真空开关柜中得到广泛使用，取得了良好的效果。得到广大用户的认可和欢迎。

今后拟在真空灭弧室自身的导热结构方面做一些结构设计方面的探讨，以进一步降低同等条件下的灭弧室的温升。

5 参考文献

1 刘先曙．电接触材料的研究和应用．北京：国防工业出版社．1979．

2荣命哲．电接触理论．北京：机械工业出版社，2004．

3姚文华．电接触材料接触电阻分析．电工材料，2005(3)