摘 要：真空開(kāi)關(guān)在中國(guó)大量使用已30年，由于產(chǎn)品一直在向小型化發(fā)展，特別是斷路器用真空開(kāi)關(guān)，帶來(lái)的溫升超標(biāo)問(wèn)題困擾了真空開(kāi)關(guān)行業(yè)多年，老結(jié)構(gòu)的真空滅弧室接觸電阻較大，急需研發(fā)一種低電阻的新結(jié)構(gòu)真空滅弧室解決溫升問(wèn)題，鐵心縱磁結(jié)構(gòu)真空滅弧室應(yīng)運(yùn)而生。

關(guān)鍵詞： 鐵心縱磁結(jié)構(gòu)；不開(kāi)槽觸頭；磁場(chǎng)；低電阻；低成本

真空開(kāi)關(guān)在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)溫升超標(biāo)的問(wèn)題，而真空開(kāi)關(guān)的核心部件是真空滅弧室，根據(jù)導(dǎo)體發(fā)熱公式，Q=I2RT，電阻越小產(chǎn)生的熱量越小，低電阻才能避免溫升超標(biāo)；而老結(jié)構(gòu)的真空滅弧室接觸電阻較大，為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需要，研發(fā)一種全新結(jié)構(gòu)的低電阻真空滅弧室以滿足市場(chǎng)需求。斷路器用真開(kāi)關(guān)的真空滅弧室常常采用縱磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)用的是杯狀線圈縱磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

真空滅弧室縱磁場(chǎng)的作用是把聚集型電弧變成擴(kuò)散型電弧并把電弧控制在兩觸頭之間燃燒，以免燒壞其他零件造成開(kāi)斷失敗。

現(xiàn)在就同等規(guī)格對(duì)新老兩種結(jié)構(gòu)的接觸電阻作計(jì)算比較，采用TD口-12/1250-31.5型號(hào)滅弧室為例進(jìn)行計(jì)算，即，額定電壓12kV，額定工作電流1250A，額定短路開(kāi)斷電流31.5kA，觸頭直徑都是φ60mm，。

1 傳統(tǒng)杯狀線圈縱磁結(jié)構(gòu)

如圖1，該結(jié)構(gòu)是用杯座的偏斜槽產(chǎn)生的磁場(chǎng)，有橫磁分量和縱磁分量，如果偏斜槽靠近觸頭處與端面的夾角小于450，則縱磁分量大于橫磁分量，起控弧作用的就是縱磁場(chǎng)。該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是接觸電阻較大，原因是電流路徑較長(zhǎng)，導(dǎo)電桿經(jīng)過(guò)觸頭座與觸頭連接，觸頭座開(kāi)偏斜槽，電流路徑較長(zhǎng)。

采用相同規(guī)格的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算電阻做比較

根據(jù)銅電阻計(jì)算公式：

以觸頭座高度H=30mm，座半徑30mm，偏斜槽與觸頭平面夾角200，延觸頭座外圓旋轉(zhuǎn)900計(jì)算；則該段電流電流路徑不再是30mm，而是變?yōu)橛|頭座偏斜槽的長(zhǎng)度加上導(dǎo)電桿外圓與觸頭座外圓的距離。把觸頭座偏斜槽長(zhǎng)度L1（近似為直線）、觸頭邊緣長(zhǎng)度L2（900傘形外圓近似為直線）、與觸頭座高度H一起看成一個(gè)直角三角形，粗略計(jì)算偏斜槽長(zhǎng)度L1為：

導(dǎo)電總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=L1+L3 L3= 觸頭座半徑-導(dǎo)桿半徑（導(dǎo)桿半徑取10mm）=0.03-0.01=0.02（m）

L=0.05584+0.02=0.07584（m）

觸頭座半徑30mm，厚度取5mm，則簡(jiǎn)要計(jì)算導(dǎo)電截面積

S=π×302-π×（30-5）2=863（mm2）

則該段路徑電阻為：

R=ρ*L/S=0.0175×0.07584/863Ω=0.000001537Ω=1.537μΩ

（ρ為銅的電阻率，在攝氏20度時(shí)，為0.0175Ωmm2/m。）

2 新型鐵心縱磁結(jié)構(gòu)

如圖2，鐵心結(jié)構(gòu)是用DT4電磁純鐵產(chǎn)生的感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)，并形成一個(gè)上下串聯(lián)的磁通回路，通過(guò)觸頭間隙的磁通呈縱向，呈上下交替的交變磁場(chǎng)。該結(jié)構(gòu)導(dǎo)電桿直接與觸頭連接，電流路徑較短，所以電阻小。

導(dǎo)電桿直接與觸頭連接，則導(dǎo)電路徑與線圈結(jié)構(gòu)觸頭座高度相同

L=30mm=0.03m

導(dǎo)電截面積取與線圈結(jié)構(gòu)觸頭座一樣，即

S=863（mm2）

則該路徑的電阻為

R=ρ*L/S=0.0175×0.03/863

=0.000000608Ω=0.608μΩ

可見(jiàn)，鐵心結(jié)構(gòu)比線圈結(jié)構(gòu)電阻小得多。

對(duì)比相同產(chǎn)品兩種結(jié)構(gòu)整個(gè)滅弧室電阻實(shí)測(cè)值（TD口-12/1250-31.5）

從表1可看出，鐵心結(jié)構(gòu)比線圈結(jié)構(gòu)電阻小很多。

另：為防止渦流的破壞，線圈結(jié)構(gòu)觸頭需開(kāi)槽，而鐵心結(jié)構(gòu)由于磁場(chǎng)方向上下交替，觸頭上產(chǎn)生的渦流大多能相互抵消，所以觸頭無(wú)需開(kāi)槽。

鐵心結(jié)構(gòu)不像線圈結(jié)構(gòu)可用于任何電流等級(jí)，鐵心結(jié)構(gòu)有局限性：由于鐵心觸頭結(jié)構(gòu)的縱磁場(chǎng)馬蹄形開(kāi)口寬度先隨著寬度的增大而增加，直至某一值后又開(kāi)始減小，如圖2、圖3；因此在一定條件下有一個(gè)最佳開(kāi)口寬度范圍，但變化幅度不顯著。開(kāi)口寬度過(guò)分減小容易遭致在開(kāi)斷大電流時(shí)的鐵心飽和，并且可能不能滿足導(dǎo)電桿給定尺寸的要求，對(duì)導(dǎo)電桿的直徑有局限性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，建議該結(jié)構(gòu)用在12kV電壓等級(jí)，額定工作電流2000A、額定短路開(kāi)斷電流31.5kA及以下產(chǎn)品比較合適，在這個(gè)范圍內(nèi)比傳統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)比線圈結(jié)構(gòu)，鐵心結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)：

1） 結(jié)構(gòu)比線圈簡(jiǎn)單，釬焊時(shí)，需焊料較少，比較經(jīng)濟(jì)，并且不存在堵槽的問(wèn)題；

2）接觸電阻低，解決一定額定電流的真空滅弧室溫升超標(biāo)的問(wèn)題，無(wú)需外加散熱器等措施；

3）觸頭上可以不開(kāi)槽，因?yàn)橛|頭間的縱向磁場(chǎng)為上、下交替，使在觸頭上產(chǎn)生的渦流大多相互抵消。

3 結(jié)束語(yǔ)：

該鐵心縱磁結(jié)構(gòu)真空滅弧室配套的真空開(kāi)關(guān)在西安高壓電器研究院試驗(yàn)檢測(cè)中心通過(guò)了全套型式試驗(yàn)，試驗(yàn)證明在額定電壓12kV、額定工作電流2000A、額定短路開(kāi)斷電流31.5kA及以下等級(jí)真空滅弧室，采用鐵心結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的線圈結(jié)構(gòu)，能達(dá)到解決真空開(kāi)關(guān)溫升超標(biāo)的目的。且造價(jià)比傳統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)低，工藝實(shí)施簡(jiǎn)單，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]（王季梅）教授著《真空電弧理論研究及其測(cè)試》 第一版 西安 西安交通大學(xué)出版社 1986年11月 P76-P82

[2]（王季梅）教授著《真空開(kāi)關(guān)理論及其應(yīng)用》 第一版 西安 西安交通大學(xué)出版社 1993年5月 P139-P147

[3] （波黑） 米爾薩德.卡普塔偌維克（Mirsad Kapetanovic）著《高壓斷路器—理論、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法》High VoLtage Circuit Breakers 譯著 西安 機(jī)械工業(yè)出版社 2014年11月 P108-P109

作者簡(jiǎn)介：

顧斌（1968-），男，工程師 ，1990年畢業(yè)于貴州師范大學(xué)物理專業(yè)，本科，同年分配到中國(guó)振華電子集團(tuán)宇光電工有限公司工作至今，長(zhǎng)期從事真空滅弧室產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)，獲得過(guò)四項(xiàng)轉(zhuǎn)利，專利編號(hào)：ZL2016 2 1273970.X ZL2012 2 0337672.8 ZL2012 2 033809.0 ZL2011 2 0179996.9