断路器熄弧原理与真空灭弧室基本要求

图1-10所示为计算断路器在开断短路电流过程中电压、电流变化绘制的单相等值电路。

图1-10　断路器开断短路电流的等值电路

图中u是电源电压，L为高压引线电感与电源内电感之和，r是回路导体的电阻，C代表断路器灭弧室断口的电容与其周围并联的杂散电容之总和。在灭弧室触头分离、短路电流被遮断的瞬间相当于K突然闭合将电容C接通电源，这时rLC串联回路中发生了过渡过程，电压、电流的变化可计算如下：

其中　

式中：u为电源电压；φ为K合闸时电压的相角。

将式（1-3）代入式（1-2）后解得uC为

其中　

式中：Z为回路阻抗；φ为串联回路中电流的相位角；δ为衰减系数；θ为与衰减有关的一个系数；ω0为暂态分量的自由振荡频率。

式（1-4）表明，uC由第一项稳态电压分量和第二项、第三项暂态电压分量构成。

根据回路参数的特点，现对式（1-4）简化如下：由于回路电阻r很小，大，因而又因断口电容和杂散电容一般仅几十至几百微微法，所以Zω′≈ω0，代入第一项得

分析：式（1-4）第二项中，因δ小，cosω0t，所以该项化简为(www.xing528.com)

对于式（1-4）第三项因为分母中ω′是高频角速度，数值大，使该项在uC中所占比例很少，可略去不计。最后得到的稳态分量u′和暂态分量u″组成的uC简化计算式为

图1-11　电容器电压uC的波形

uC的曲线如图1-11所示。

开关K关合时电源电压的相角φ是随机的，为便于观察合闸瞬间过渡过程中的电压变化，取φ为之间的一个电角，sin（ωt+φ）和sinφ均为负值，波形即成为图1-12所示曲线，这时式（1-5）则成为如下的形式

对断路器而言，uC即为灭弧室断口的恢复电压，其中的稳态电压分量u′就是系统电压，称工频恢复电压；而暂态分量u″称为瞬态恢复电压（TRV），它的频率、振幅与回路参数有关，一般持续时间在几十微秒到几毫秒之间。因此式（1-6）也是描述断路器恢复电压的近似计算式，其最大值的出现除了与回路参数、电源参数有关外，还和电弧电流过零时电源电压的相位角有关，如在电源电压接近峰值时断路器切断电弧，恢复电压将出现一个最高值。

图1-12　用uC说明恢复电压、介质恢复强度的图示

①—瞬态恢复电压（TRV）；②—工频恢复电压；③—介质恢复强度

分析图1-12曲线得知，断路器开断电流后灭弧室的介质必须具有大于TRV的绝缘强度，如虚线所示的曲线③，否则断口将被TRV击穿而重燃，开断失败。因此观察图1-3所示曲线可知，真空灭弧室必须具有一定的高真空度。根据经验，用气体压力表示的真空度在不高于10-3Pa时能确保灭弧室具有绝缘足够高的初始恢复强度与灭弧功能，因此高真空度是要求真空灭弧室必须具备的基本条件之一。在工程上，制造业有时仍习惯用bar表示灭弧室的压强，1bar=105Pa，10-3Pa即等于10-8bar。现行的真空灭弧室一般均达到这一标准，技术先进型的灭弧室该值在10-10bar甚至更低。虽然图1-3所示曲线描述了真空耐压饱和的特性，更高的真空度对提高耐受电压的效果不明显，但这意味着泄漏率为一定值的前提下，灭弧室保持高真空度的时间更长，对确保断路器长期运行的可靠性非常有利。这可用图1-13所示的几条曲线定性地来解释：灭弧室内压力的升高有两个因素：①外部空气通过密封部位的微观漏孔进入灭弧室，它引起的压力升高理论上是随时间的推移呈线性上升规律，如曲线a；②在最初的燃弧过程中，触头合金释放出一些残存的微量气体，使灭弧室压力在一段时间内逐渐升高，当这些微量气体排尽之后，这些气体的压力基本维持在一定的水平，如曲线b，这种压力升高的速度和最终达到的量值与触头合金成分和冶炼工艺相关。因此，灭弧室压力升高的变化趋势是①和②合成的结果，用曲线表示即c=a+b。灭弧室内真空度越高，表明曲线c可降低到临界值10-3Pa所必须经历的时间越长。

图1-13　真空灭弧室内压力变化规律的示意图

在断路器开断大电流电弧过程中，如触头合金表面出现大面积的熔区，电弧被切断后，这些熔区尚需毫秒级的时间才能冷却，因此它继续挥发的金属蒸气大大降低了真空介质的绝缘强度，使图1-12所示曲线③低垂而导致断口击穿、开断失败。为此，对灭弧室的另一基本要求是它的触头合金应耐烧蚀、在结构设计上能充分利用电磁力降低弧柱电流密度、避免出现积聚型电弧、减轻触头烧损以利于绝缘强度迅速恢复，延长触头的电寿命。