真空熔断器：利用高介质绝缘恢复强度的熔丝技术

真空熔断器是利用真空介质优异的熄弧性能和弧后高介质绝缘恢复强度拓展的一种“熔丝”。它最早由美国研制成功，其结构如图7-10所示。这是一种较简单的设计，电极基本与同期出现的真空断路器平板触头相似，如本书第一章图1-17（a）所示。两个电极之间固定一根金属丝作为熔丝，它的直径可根据额定电流大小选取。在熔丝熔断、电弧电流过零后，由于弧隙的真空介质极高的绝缘恢复强度和快速的恢复速度，电源电压不会将弧隙击穿，于是故障电流或短路电流自行熄灭。

真空熔断器这种早期的电极无磁场作用，使它的表面因弧根滞留不动而烧蚀。电流越大烧蚀越严重，由此导致电极表面严重烧蚀点的附近电场严重畸变，使弧隙的绝缘强度降低，一旦低于电源的恢复电压TRV即发生击穿，电路再度接通，熔断失败。因此这一早期结构的电极开断能力不大，图7-10所示的真空熔断器最大仅能熔断电流12kA（对称分量）。

在20世纪80年代中期，随着真空断路器技术的不断进步，国外参照磁控触头的设计将真空熔断器的平板电极改为磁控结构，这样熔丝熔断后电弧在电极表面进行旋转运动或呈扩散状，大大减轻了电极的烧蚀程度，使更大的电流熔断后弧隙仍能保持较高的介质恢复强度，因而有效地提高了真空熔断器的开断能力。原则上，真空断路器的磁控触头结构形式均可用于真空熔断器的电极，如本书第一章图1-17所示，其真空熔断器触头合金的材料为铜。

图7-11所示为日本在1985年公布的有磁控电极真空熔断器的研制成果，其熔断电流可提高到7.2kV、21kA（短路电流非对称分量46.8kA）。

图7-10　早期结构的真空熔断器

1—导电杆；2—瓷套管；3—铜电极；4—熔丝；5—导电杆；6—排气管；7—钢壳；8—屏蔽罩

图7-11　有纵磁场的真空熔断器结构简图（单位：mm）

1—导电杆；2—瓷套管；3—磁控电极（有线圈）；4—熔体；5—屏蔽罩；6—导电杆；7—不锈钢底板

在图7-11所示结构中，磁场由位于电极背部的线圈产生，线圈两端与熔体并联。正常运行时线圈被熔体短接，电流不经过线圈；熔体熔断后电流流经线圈产生磁场。在磁力线作用下，弧柱成扩散状散布在电极表面，因而电流密度小，减轻了电极表面的烧蚀程度。图7-12所示为有、无磁场作用时熔断后电极表面的烧蚀情况对比照片。图7-12（a）所示为无磁场的电极，在电压7.2kV时仅能熔断电流10.3kA（短路电流非对称分量25.7kA）。图7-12（b）所示为有纵磁场的电极，它在同样电压7.2kV时可熔断电流21.0kA（短路电流非对称分量46.8kA）。

该型真空熔断器的研究者继而对电流自身产生纵磁场的熔断能力做了分析，曲线如图7-13所示，从中可观察到对应不同的电极直径存在着熔断最大电流的一个最佳磁通量[55]。(www.xing528.com)

图7-12　有、无磁场的电极在熔断电流后的对比

（a）无磁场；（b）有纵磁场

图7-13　有纵磁场、直径不同的电极对应的最大熔断能力曲线

国内对真空熔断器的产品设计、试验和理论研究等工作多年来一直是由王季梅教授大力倡导和引领开展的。概括真空熔断器的主要优点可有以下几项：

（1）高压限流熔断器（HRC）依靠石英砂高值弧压降的限流功能突然将电弧电流遮断，这一在峰值前后被遮断的电流瞬时值可能产生有危害的截流过电压。而在真空熔断器中，电弧电流被遮断的时刻是在其自然过零点的瞬间，没有截流现象因而不会产生截流过电压。

（2）由于真空熔断器的熄弧能力主要与磁控电极结构以及灭弧室真空度有关，它不像高压限流熔断器（HRC）那样，提高熔断电流的能力必须加粗熔管的直径和长度，以便充填更多的石英砂，所以真空熔断器的体积相对的小，这有利于制造小体积开关装置。

（3）真空熔断器遮断短路电流时不会像高压限流熔断器（HRC）那样可能发生熔管炸裂、电弧外喷的危险，因此真空熔断器可适用于有粉尘、可燃气体的场所。

（4）鉴于真空熔断器在伏-安特性的小电流区段曲线非常陡峭，可准确地与被保护电器的过载电流特性配合；而高压限流熔断器（HRC）在这一区段因电流小，它熔断后产生的压力也小，所以开断较困难，但可利用其在大电流的限流遮断作用和真空熔断器串联组合，则成为性能非常优良的一种全范围限流熔断器[56]。

与高压限流熔断器（HRC）相比，虽然真空熔断器有诸多的优点，但由于制造成本较高和工艺复杂等原因，国、内外都是自样机试制成功后迄今一直未见商用产品问世。随着今后工艺的改进和新技术不断发展，如成本得以降低，真空熔断器极有可能大量投产并获得实际应用。