真空滅弧室的小型化依賴于電極在小型化方面的進(jìn)步。本文立足于目前主流參數(shù)最小直徑尺寸，設(shè)計橫磁和縱磁各兩種電極進(jìn)行實驗論證，并提出進(jìn)一步的改進(jìn)研究方案。

　　真空滅弧室的小型化依賴于電極的小型化，滅弧室直徑的縮小將會直接影響產(chǎn)品的開斷能力、通流能力以及絕緣性能，不利于產(chǎn)品的性能的提高，而且過小的產(chǎn)品尺寸還會導(dǎo)致制造成本的增加。作為使用于小型化高參數(shù)結(jié)構(gòu)中的電極，除了應(yīng)具有小的體積外，還應(yīng)具備如下兩個主要特點：①具有較強(qiáng)的短路電流開斷和多次開斷能力，且性能穩(wěn)定;②具有很好的導(dǎo)流能力，同時還具有諸如易加工、易裝配、焊接后不變形、成本低等特性。

　　12kV下開斷31.5kA是目前通用性最強(qiáng)的真空滅弧室電氣參數(shù)，各滅弧室制造廠采用的尺寸較小的是直徑58mm的滅弧室，有單級縱磁場和兩級縱磁場兩種。前者的優(yōu)點是磁場均勻，具有穩(wěn)定開斷31.5kA 的能力，缺點是導(dǎo)流能力不是很好，而且觸頭座的加工性能較差，零件成本高，與常規(guī)的大電極相比并沒有達(dá)到小型化后降低成本的作用，而且觸頭座無法實現(xiàn)與導(dǎo)電桿的整體成型。后者的優(yōu)點是電阻小，滅弧室的溫升特性較好，缺點是磁場分布很不均勻，強(qiáng)磁場的區(qū)域很小，使得短路電流開斷穩(wěn)定性較差。

　　本文針對真空滅弧室小型化的需要，設(shè)計不同的電極結(jié)構(gòu)，分析其磁場分布，并通過實驗對其性能進(jìn)行初步的研究分析。

1、實驗電極結(jié)構(gòu)及其磁場分析

　　實驗中滅弧室直徑為58mm，設(shè)計了兩種電極結(jié)構(gòu)對比分析其性能。一種是高度為18mm 的杯狀橫磁電極結(jié)構(gòu)，另一種是高度為22mm的杯狀縱磁電極結(jié)構(gòu)。

　　采用杯狀橫磁的主要原因是這種電極的電阻值很小，而且與螺旋槽橫磁結(jié)構(gòu)相比觸頭表面有效利用面積大且更易加工。比較80年代產(chǎn)品與現(xiàn)在產(chǎn)品的橫磁電極的差別，可以發(fā)現(xiàn)開斷31.5kA電流的電極直徑從最初的76mm縮小到現(xiàn)在的55mm，不變的是開槽數(shù)都是16個以及開槽沿軸向的分量尺寸都是12.5mm。分析認(rèn)為16個槽數(shù)是保證所謂“半集聚弧”減少觸頭面燒損的重要因素，而軸向的分量尺寸12.5mm 則為了保證提供足夠的橫向磁場。最終確定實驗的電極結(jié)構(gòu)參數(shù)為16槽，開槽切入角35°，沿軸向的分量尺寸為14mm。針對杯狀橫磁電極在承受壓力后會變形從而影響其使用這一缺陷，在環(huán)型觸頭內(nèi)孔中設(shè)置了支撐環(huán)，真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.mp99x.cn/）認(rèn)為該零件的引入不但徹底增強(qiáng)了該電極的強(qiáng)度，使上述軸向的分量尺寸14mm甚至更高成為可能，并且實現(xiàn)了觸頭焊接的自定位。

　　實驗中的縱磁電極是杯狀四槽結(jié)構(gòu)，開槽切入角22°，旋轉(zhuǎn)角123°，通過銑去開槽觸指30°來達(dá)到延長轉(zhuǎn)角的目的。對于四槽結(jié)構(gòu)觸頭邊緣磁場較弱的缺陷，用鐵質(zhì)的聚磁環(huán)來加強(qiáng)。采用Ansoft.Maxwell電磁場仿真分析工具，對采用加長電流路徑和邊緣磁場加強(qiáng)后的電極進(jìn)行了磁場分析，結(jié)果如圖1所示。不同電流路徑得到不同的磁場分布曲線分布，顯然僅是磁場數(shù)值有變化，分布方式并沒有變化。磁場邊緣加強(qiáng)后電極的磁場分析結(jié)果如圖中曲線6所示，呈現(xiàn)出邊緣高中間低的磁場分布。這種磁場有助于提高短路開斷能力，提升電弧分?jǐn)嗪蠼^緣的恢復(fù)速率，從而達(dá)到減小電極尺寸，實現(xiàn)真空滅弧室小型化的目的。

圖1　軸向磁場在電極中心平面的分布

2、實驗方法及結(jié)果分析

　　2.1、實驗方法

　　對實驗的兩種電極裝管后，進(jìn)行回路電阻和開斷能力測試，開斷能力測試在如圖2所示的大功率電流合成回路實驗線路上進(jìn)行�？紤]到所用實驗回路與國家實驗站的具體實驗回路存在幾方面差別，如額定開距下電弧點燃、燃弧時間固定為10ms，合閘不帶電也沒有觸頭壓力，試驗中選擇同參數(shù)的市售滅弧室(代號A)作為對比依據(jù)。選擇該滅弧室主要是因為其電極經(jīng)過較多的驗證，表明具有可靠開斷31.5kA 短路電流的能力，且開斷能力裕量不是很大。具體實驗方式從22kA開始逐步測試開斷能力的上限值，然后解剖觀察內(nèi)部的燒損情況，確定電極多次開斷的可靠性。

圖2　大功率合成回路實驗線路

　　2.2、實驗結(jié)果及分析

　　實驗測試結(jié)果如表1所示。

表1　實驗測試結(jié)果

　　由表1可以看出，橫磁結(jié)構(gòu)電極電阻較優(yōu)良，也具有足夠的開斷能力，主要存在兩個問題：①如果出現(xiàn)偏燒，其開斷能力就會下降。②對觸頭的燒損相對較重，尤其是對屏蔽筒的燒損非常嚴(yán)重，這將嚴(yán)重影響弧后絕緣，并難以保證多次開斷。而縱磁結(jié)構(gòu)電極的控弧能力較強(qiáng)，對觸頭的燒損較輕微，屏蔽筒上僅僅存在輕微噴濺，能夠保證足夠的開斷次數(shù)，同樣也存在兩個問題：電阻值較高，難以適應(yīng)大電流的需求;開斷能力相對較弱。

　　分析認(rèn)為偏燒主要是因為實驗管導(dǎo)向較差而且實驗安裝機(jī)構(gòu)又沒有任何導(dǎo)向裝置，導(dǎo)致觸頭合閘時存在錯位與夾角，開斷極限結(jié)果表現(xiàn)不穩(wěn)定也主要由此引起，如果在標(biāo)準(zhǔn)斷路器上試驗將有助于消除這種不穩(wěn)定。實驗中采用的是CuCr30觸頭材料，對于橫磁結(jié)構(gòu)來講其抗電弧燒損的能力不夠。另外，合成回路實驗室每一次開斷實驗的燃弧時間均為10ms，對觸頭的燒損要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家實驗站，對于橫磁結(jié)構(gòu)的電極來講更為不利�？v磁結(jié)構(gòu)電極開斷能力偏弱反映出電極直徑過小，同時四槽結(jié)構(gòu)的縱磁場在觸頭表面分布不均勻也是一個原因。

3、結(jié)論

　　從實驗結(jié)果來看，兩種電極都有待繼續(xù)改進(jìn)。對于橫磁結(jié)構(gòu)，可以將觸頭材料更換為更耐燒損的CuCr50材質(zhì)，增強(qiáng)橫磁分量，并放大電極與屏蔽筒的距離。我們有充分的理由相信，這種改進(jìn)的杯狀橫磁電極完全可以適合12kV、31.5kA 及以下參數(shù)等級的場合，它將會帶來縱磁電極不具有的優(yōu)點，即低阻值、低成本。采用橫磁電極后，滅弧室整管電阻必將降低，這也將促進(jìn)滅弧室應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，比如更有利于額定電流增容、更加適用于固封極柱等對電阻有嚴(yán)格的要求的場合。

　　對于縱磁結(jié)構(gòu)，則計劃將四槽改為六槽形式，仍采用銑去部分開槽觸指來延長旋轉(zhuǎn)角的方式，保證足夠的縱向磁場，對于電阻問題則可考慮增加觸頭托來改變電流路徑，并采取一定措施保證得到一個良好的電極接觸面，將電阻控制在較低的水平。