真空接触器：优化性能的关键技术

1.真空接触器工作原理

真空接触器触头密封在真空容器中，以真空为灭弧介质。其触头灭弧系统通常称为真空灭弧室，电真空行业一般称其为真空开关管。真空接触器的动作与空气接触器相似，通过电磁系统带动动触头运动，与空气接触器不同，动触头的运动需借助于波纹管来实现。

真空接触器分断电流时，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，使电极间电阻剧烈增大和温度迅速升高，直至发生电极金属的蒸发。同时形成极高的电场强度，导致剧烈的场强发射和间隙击穿，产生了真空电弧。当工作电流接近零时，随着触头间距的增大，真空电弧的等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，开断结束。

由于真空介质绝缘强度恢复速度极快，一般可达25kV/μs以上，所以真空灭弧室产生的电弧通常在电流第一次过零时便被熄灭。

2.真空接触器操作过电压

由于真空介质良好的熄弧性能使真空接触器较其他接触器存在较明显的操作过电压。真空接触器操作过电压主要有截流过电压、重燃过电压、预击穿过电压。实际使用与试验结果表明，低压真空接触器不存在预击穿过电压，重燃过电压也基本不存在。这两类过电压主要存在于高压真空电器。对低压真空接触器来说，主要是截流过电压。

真空电弧是触头蒸发的金属蒸气电离形成的电弧，当电流过零前金属蒸气明显减少，金属蒸气向四周迅速扩散，使电弧电流提前过零。这种现象称为截流，见图14-35，并产生截流过电压。

图14-35 真空电弧截流波形

截止电流I₀主要取决于触头材料，也与分断电流有关。理论分析与试验结果表明，当分断电流大于数百（大约为250A）以上时，基本上不存在截流过电压。另外，试验结果表明，当触头材料截止电流小于1A时，不会对负载形成危险的操作过电压，此时，不需要加装过电压吸收装置。

3.（低压）真空接触器结构与性能特点

1）真空接触器触头密封在真空开关管中，其分断性能不受外部环境和气候条件的影响。同时，由于真空电弧不外露，不会污染环境，是一种理想的环保电器。

2）真空接触器触头在正常工作中不存在氧化问题，其触头一般不用银，是理想的节银电器。但是，真空接触器触头除了具有较好的分断性能、抗熔焊能力和导电性能外，应具有良好的耐电磨损性，同时应有低截止电流（小于1A）和低含气量。

3）真空接触器反力特性十分陡峭，一般采用直流电磁系统。由于真空灭弧室内外大气压差，使动触头在闭合方向受到轴向力（通常称为自闭力），当触头处于断开位置时，自闭力是吸力的一部分。设真空接触器反力弹簧的反力曲线为曲线1（见图14-36），由于三相灭弧室自闭力的存在，使其反力下降到曲线2。当触头闭合后，自闭力不抵消反力，只是触头压力的一部分，此时反力曲线仍为曲线3。所以真空接触器的实际反力特性由图14-36中曲线2、3组成。由于灭弧室自闭力的存在，真空接触器反力弹簧的反力通常比空气接触器的要大得多。

图14-36 真空接触器反力特性

真空灭弧室自闭力

式中 r——波纹管内半径；

R——波纹管外半径。

除了自闭力因素外，真空接触器触头开距很小，因此真空接触器反力特性十分陡峭，如图14-36所示。电流等级越大，波纹管外半径越大，自闭力也大，反力特性更陡峭，一般交流电磁系统很难与其匹配。通常大容量（250A以上）真空接触器采用直流电磁系统。小容量真空接触器可以用直流电磁系统，也可以用交流电磁系统。

4）海拔对真空接触器性能的影响。当海拔超过1000m时，随着高度继续增加，大气压力的变化将给低压电器的许多性能带来影响。从影响外绝缘耐压水平看，真空接触器和空气接触器相似。而触头间的耐压水平、分断能力、电气寿命等性能由于真空接触器主触头密封在真空中，因此海拔的变化不会对上述性能产生影响。但是，真空灭弧室自闭力却随外界大气压的变化而变化，它将直接影响真空接触器吸力-反力特性配合，从而产生有影响的变化。海拔升至2500m时，自闭力将减少22%左右，如发现最低吸合电压过高，可适当减小反力弹簧的反力。当然，自闭力的减少也会引起触头压力减小，从而影响温升。

5）真空接触器电弧电压一般在20V左右，其电弧能量远小于空气接触器。另外，低压真空接触器触头开距很小（一般为1.5～2mm），分断电流时，触头发射的金属蒸气在电流过零时向四周扩散，大部分沉积在触头表面上。这些金属蒸气在真空中没有被氧化，像真空喷镀一样重新成为触头一部分，减小了触头磨损。因此，真空接触器具有很长电气寿命，特别是AC-4使用类别时的电气寿命。

6）真空接触器最大分断电流一般为8000A以下，此时的电弧为扩散状电弧，弧根在触头表面快速移动。所以，真空接触器的触头结构比较简单，一般为圆形平面触头即能满足要求，而不需要采用横向磁场和纵向磁场触头结构。

另外，低压真空接触器耐压要求不高，真空灭弧室内屏蔽罩一般不需要考虑电场分布，也不需要悬浮电位，可以直接与静上端盖板连接，与静触头保持同电位。因此，低压真空接触器真空灭弧室结构相对简单。(www.xing528.com)

7）真空灭弧室的真空度是低压真空接触器能否正常工作的必备条件。高压真空断路器真空灭弧室的真空度一般要求在1.3×10^-4Pa（约10^-6mmHg）以上。而低压真空接触器考虑到分断电流与耐压要求相对较低，根据理论分析和试验结果表明，其真空度只要在0.13Pa（约10^-3mmHg）以上就能正常工作。对真空度判别，一般可采用以下方法：

①真空灭弧室制造厂商出厂检查和真空接触器制造厂商进货验收，建议采用真空灭弧室真空度测试仪检查，检验真空灭弧室真空度应在1.3×10^-2Pa（约10^-4mmHg）以上。如不具备条件，可以用工频耐压（电路放电原理）法代替。

②真空接触器经长期存放，出厂以前和用户安装使用前建议用工频耐压仪进行工频耐压试验，要求工频耐压在10kV以上，如因触头表面产生闪络击穿，一般不允许超过三次。如发现外绝缘闪络，可适当降低试验电压。

③对现场使用，建议定期用工频耐压法或用5000V绝缘电阻表检查。工频耐压一般应在6000V以上，绝缘电阻一般应为50～100MΩ。如能排除外绝缘影响，当绝缘电阻低于20MΩ时，建议更换真空灭弧室。

4.真空灭弧室结构

低压真空接触器真空灭弧室典型结构如图14-37所示。

图14-37 真空灭弧室结构

1—上端盖板 2—静导电杆 3—静触头 4—动触头 5—波纹管 6—屏蔽罩 7—动导电杆 8—绝缘外壳 9—封接圈 10—导向套 11—下端盖板

真空灭弧室主要由以下功能部件组成：

（1）气密绝缘系统 由绝缘外壳（陶瓷或玻璃）、封接圈和上、下端盖板组成，起密封、绝缘的作用。

（2）导电回路 由动、静触头，动、静导电杆组成。目前低压真空接触器触头一般采用低截流铜碳化钨材料。

（3）屏蔽系统 图14-37显示的屏蔽罩与上封接圈为一个整体，也可以分成两个零件。其作用主要是防止金属蒸气喷溅到绝缘外壳内壁，防止破坏内绝缘。

（4）波纹管 它使动触头在真空状态下运动成为可能，是保证真空灭弧室机械寿命的重要零件。在触头闭合位置应使波纹管处于微量压缩状态。在安装、调整、使用过程中，应避免波纹管过量压缩。波纹管拉开和过量压缩都会影响波纹管寿命，其材料大多采用不锈钢。

5.真空接触器的优点和应用

（1）真空接触器的优点 真空具有很高的耐压强度，且在电弧过零后，其绝缘强度恢复极快。因此，利用真空来熄灭交流电弧是一种十分理想的方法。由于真空电弧不外露、电弧压降小，且与回路电压基本无关，因此，与其他开关电器相比，电弧能量最小，触头烧损小。为此，真空接触器容易做到高分断能力、长寿命，并具有节能、节材、防火、防爆、体积小、维护费用低、运行可靠和无污染等优点。

（2）真空接触器的应用 早在19世纪，人们就想利用真空这种耐压强度高，绝缘强度恢复极快的介质来制造接通和分断电流的真空开关，但由于受到真空技术和触头材料提纯等因素的制约，直到20世纪60年代初才正式公布了英国AEI公司的世界第一个真空灭弧室专利。1965年，真空接触器开始批量生产，该接触器的电压为3000V，工作电流为300A；以后又发展1100/1400V电压等级。英国是最早将真空接触器用于煤矿井下，控制起动频繁的大功率采煤机械的国家（1968年），用以取代空气接触器。由于真空电弧能量小，特别适合重负载的频繁操作，所以在使用中取得了明显的效果。

日本从20世纪60年代中期才开始研制真空接触器，但日本吸取了英国的经验，在70年代初期和中期分别研制出系列真空接触器，其最大优点是采用低截流触头材料，截流值低于1A时不用镶嵌低熔点合金，且不需要过电压保护，又能满足可逆运行的要求，是低压真空接触器的一次新发展，这种接触器可用于除煤矿以外的其他恶劣环境或重负载频繁操作等条件，如轧钢、采矿、化工、起重设备等。

1985年我国成功研制250A、400A、600A全国统一设计、规格较为齐全的第一代CKJ5低压真空接触器系列产品，并在煤矿、石油、冶金、化工、铁路、工业高频加热等行业获得了广泛应用。国内真空开关厂于20世纪80年代中、后期引进了德国AEG公司的EVS系列真空接触器和真空灭弧室制造技术。目前，从德国引进的系列产品已投入批量生产，全部技术指标达到引进产品的水平，额定工作电压和AC-4条件下的电气寿命等参数还超过了引进产品。

目前，国外如西门子、默勒、施耐德、罗克韦尔（A-B）公司都有了新一代的系列化真空接触器产品，体积小且性能优越，尤其是默勒公司，正在研发AC-1-3100A双台并联型真空接触器以应对风电市场；施耐德公司针对北美市场推出LC1V系列产品，并且推出了AC-1-2100A双台并联型空气接触器，目标同样是风电市场。各大公司真空接触器产品见表14-14。

表14-14 各大公司真空接触器产品

与传统的空气接触器相比，真空接触器分断时间短，故障率低，拥有更长的AC-2、AC-4使用寿命和更高的可靠性。因此，它可以替代传统的CJ12、CJ24系列转动式接触器。它适合在矿山、冶金、起重机械、化工、铁路牵引变电所、电力牵引机车、港口、风力发电等重要场合使用，特别在操作频繁、使用条件恶劣、难以维护的场合替代其他空气接触器，更能显示出它的优越性。