...00 31.5真空灭弧室
摘 要：额定触头压力是真空灭弧室的关键参数之一，不同的触头压力将对真空断路器的性能产生不同的影响，包括积极因素和消极因素，更小的触头压力有利于真空断路器的小型化。文中分析了在真空灭弧室上施加额定触头压力的原因，给出了最小额定触头压力的计算公式，得到了影响真空灭弧室额定触头压力的因素。当峰值耐受电流值确定后，调整触头直径和触头材料可以影响真空灭弧室的最小额定触头压力，通过合理选择触头直径和触头材料，能够有效的降低额定触头压力。
关键词：真空灭弧室；额定触头压力；降低
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.19.004
0 引言
真空灭弧室是真空断路器的核心组件，施加在真空灭弧室上的触头压力的大小将直接影响真空灭弧室和真空断路器的性能。触头压力不足时，将不能保证真空灭弧室的触头接触良好，会使真空灭弧室的电阻增大，进而影响真空灭弧室的温升性能。此外，触头压力不足还会使真空灭弧室在进行额定峰值耐受电流试验时触头分离，严重时会导致触头熔焊，试验失败。另一个方面，如果触头压力足够，那么将不会出现由于触头接触不好导致的电阻大和额定峰值耐受试验时的触头分离和熔焊。
由于开关和断路器的结构和尺寸限制，真空灭弧室的触头压力不能无限增大，所以合理的选择触头压力使真空灭弧室一方面能够满足回路电阻和峰值耐受电流的要求，同时又有利于真空断路器和开关的结构设计成为了必然的选择。
当前，真空灭弧室生产厂家在产品样本中给出了各自的额定触头压力要求。然而，随着绝缘水平的提高和环境的限制，对于真空断路器和真空灭弧室外形尺寸的限制越来越多，体积减小将影响断路器向真空灭弧室提供的额定触头压力，断路器能够提供的触头压力将减小。研究分析真空灭弧室额定触头压力和降低额定触头压力成为应对该问题的有效措施。
1 额定触头压力的计算
在进行动热稳定试验时，断路器提供给真空灭弧室的额定触头压力至少能够抵抗两个触头之间产生的电动斥力，避免触头在电动斥力的作用下分离，避免出现触头熔焊问题。
1.1 触头间电动斥力的产生
假定真空灭弧室的两个触头接触面都是理想状态，则触头表面的电流将沿图1中箭头所示方向流动。此时，电流流过两个触头表面将不产生使两个触头分离的电动斥力。
然而，实际触头的表面状态不可能是理想状态，两个触头接触时将会是数个凸起的点接触，假定两个触头的实际的接触点是位于触头中心的微小圆柱体，则此时极限条件下触头中的电流路径如图2所示。
可以看出，此時触头中的电流方向发生变化，先沿触头边沿向中心接触点运动，之后通过接触点到下一片触头，再从中心接触点运动到触头边沿。通过左手定则可以判断出，当两个导体中的电流方向相反时，两个导体之间产生的电动力为斥力。
当电流流过真空灭弧室时，两片触头之间产生的电动力为斥力。产生电动斥力的原因是真空灭弧室触头表面存在“微凸起”，两片触头不能完全解除，触头中的电流路径发生变化。由于真空灭弧室中触头表面受多种因素的影响，包括机械加工，机械碰撞、电弧烧蚀等，真空灭弧室的触头表面始终达不到理想状态，触头表面的“微凸起”将始终存在。当电流流过真空灭弧室时，两个触头之间总是会产生电动斥力。
1.2 触头间电动斥力的计算
通过之前的分析可知，触头之间的电动斥力是由于电流沿着特殊路径流过触头时产生的磁场作用于流过触头的电流产生的。为了简化计算，假定接触点位于触头中心部位，电流路径如图3所示。
将每一个电流路径近似为一条载流导线，通过电磁学方法可以计算出每一条载流导线附近的磁场强度，进而计算出该导线流过电流时所受到的磁场力大小，其中极坐标点（r，α）处的磁场强度可以表示为：
通过积分可以算出整个触头所受到的垂直方向的电动斥力的综合为：
式（1-2）中I表示流过触头的总电流，D表示触头半径，d表示接触点的半径。通过式（1-2）即可计算出电流流过两个触头时，两个触头之间的电动斥力。但是，实际上，由于接触点半径d未知，只能通过估算得到。
通常情况下，真空灭弧室的触头材料是提前选定的，其硬度值也是确定的。考虑两个触头接触过程，接触时触头之间的“微凸起”首先接触，在触头压力作用下“微凸起”将顶在另一个触头平面并发生变形，变形后的“微凸起”部分就是两个触头中间的接触点，变形后“微凸起”的等效半径可以代替接触点的半径。近似认为触头之间之发生塑性形变，不发生弹性形变时，“微凸起”的半径和材料硬度及所受力之间的关系可以表示为：
式（1-3）中B表示材料的布氏硬度，d表示“微凸起”半径，F表示施加在“微凸起”上的力。
在触头接触过程中，触头表面“微凸起”接触到另一个触头后所受到的压力就是额定触头压力减去触头之间的电动斥力，所以式（1-2）和（1-3）中的力F的表示相同的值。将式（1-3）带入式（1-2），可以得到触头之间电动斥力的计算公式：
额定触头压力是触头簧施加在触头上的力，该力值在抵挡电动斥力的条件下，保证触头接触，即额定触头压力应该不小于触头之间的电动斥力，可以认为最小触头压力等于电动斥力。通过式（1-4）可以计算真空灭弧室的最小触头压力。
2 降低额定触头压力的措施
从第一部分的分析可知，在真空灭弧室上施加额定触头压力的原因是抵挡大电流流过真空灭弧室时产生的电动斥力，避免电动斥力的作用使真空灭弧室的触头分离。故而降低额定触头压力可以通过降低大电流流过真空灭弧室时产生的电动斥力来实现。
2.1 合理的选择触头材料
式（1-4）中，触头的布氏硬度值和触头之间的电动斥力成正比，通过减小触头的布氏硬度值可以适当的减小真空灭弧室的最小额定触头压力。常用铜铬材料的硬度值如下表1所示。
可以看出，不同触头材料的硬度值有较大的差异，CuCr触头材料的硬度值只有CuW触头材料硬度值的三分之一。通过式（1-4）可以计算得出，只考虑触头材料硬度的影响时，使用CuCr触头材料的真空灭弧室的最小额定触头压力可以比使用CuW触头材料的真空灭弧室减小约20%。
通过添加其他金属材料可以改善CuCr触头材料的性能，包括开断能力、绝缘能力以及材料硬度等。新添加材料对于触头性能有可能出现互相干涉的情况，故通常需要进行大量的试验来确认新添加材料对于触头性能的影响。
2.2 容性关合涌流对场致发射电流的影响
触头直径大小也和触头直径的电动斥力成反比，故减小触头的直径可以实现降低最小额定触头压力的目标。当触头半径从30mm减小到15mm时，使用式（1-4）可以简化的计算出电动斥力的变化，电动斥力降低20.6%，对应的最小额定触头压力也能够降低20.6%，降低效果明显。
然而，由于触头直径与真空灭弧室的额定短路电流开断能力有关，很难大幅度的降低真空灭弧室的触头直径。降低触头直径时需要对真空灭弧室的开断能力进行计算和试验，确保不影响额定短路电流开断。
3 结论
额定触头压力时真空灭弧室的关键参数之一，降低额定触头压力有助于实现开关设备的小型化。文中通过分析在真空灭弧室上施加触头压力的原因，给出了电流流过触头表面时产生的电动斥力的计算方法，并提出通过合理选择触头材料和触头直径来实现降低真空灭弧室额定触头压力的目标。
参考文献：
[1]P.G.Slade，“The Vacuum Interrupter Theory，Design and Application”，Boca Raton， London，New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2008：177-190.
[2]张冠生.电器理论基础[J].145-167.
作者简介：冯卫刚（1983-），男，工程师，从事真空灭弧室设计和工艺工作。endprint
