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小型化真空灭弧室设计制造的要点

来源:浙江伊德智能科技有限公司 浏览次数:

[小型化真空灭弧室设计制造的要点]:摘要:文章介绍了小型化真空灭弧室具有体积小、电性能及机械特性要求高和成本低的特点,文章围绕这些特点详细论述了小型化真空灭弧室设计及制造中需要考虑的要点,对小型化真空灭弧室的研发具有一定的借鉴作用。 0...

  摘要:文章介绍了小型化真空灭弧室具有体积小、电性能及机械特性要求高和成本低的特点,文章围绕这些特点详细论述了小型化真空灭弧室设计及制造中需要考虑的要点,对小型化真空灭弧室的研发具有一定的借鉴作用。

  0引言

  随着真空开关技术的发展,开关的设计制造水平日益提高,尤其是开关的机械特性参数的越来越科学和稳定,使得灭弧室设计不必给过多的裕度就可以满足开关的性能要求,灭弧室在结构上也可以向小型化方向发展。同时,由于固封极柱的出现,开关的体积在减小,那么灭弧室的小型化更是当务之急。另外随着西门子,伊顿等合资企业的出现,使得灭弧室的市场竞争愈演愈烈,那么价格的竞争也是非常关键的,而材料成本通常占灭弧室总成本的50%~60%,小型化的产品可以大大降低灭弧室的材料成本,使其具有良好的市场竞争资格,因此小型化真空灭弧室是灭弧室发展的一种必然趋势。

  1 小型化真空灭弧室的特点

  通常小型化的灭弧室用于固封断路器中,所以与同等参数的普通灭弧室比较而言,小型化真空灭弧室具有以下特点。

  (1)体积小。

  (2)电性能及机械特性要求高

  1) 电极小,开断电流大。


  2) 绝缘间隙小,绝缘水平高。

  3) 回路电阻低。

  4) 机械寿命长。

  (3)成本低

  从以上特点可以看出,小型化真空灭弧室的设计和制造要充分考虑开断过程中电极对电弧的控制能力,电极的导流导热能力,电极结构的设计,触头材料的选用,绝缘系统的设计,波纹管的设计以及零件和整管的制造工艺问题。同时,小型化真空灭弧室配用的断路器体积相对较小,那么相间距离有限,相间的电动力对电弧的影响较大,因此在设计灭弧室时还要充分考虑屏蔽外磁场。另外小型化的灭弧室考虑其设计和制造成本,以保证其具有良好的市场竞争能力,为公司创造较高得经济效益。


  2 小型化真空灭弧室电极设计要点

  2.1 电极结构的选用

  目前使用过的电极结构总体上有杯状横向磁场电极,平板横向磁场、杯状纵向磁场、线圈纵向磁场,带马蹄铁的纵向磁场电极以及平板电极。这些电极结构各有优点,针对灭弧室使用的场合以及电参数的不同,我们可以选用不同的电极结构。

  (1)横向磁场电极结构的选用:有关研究资料认为12kV/31.5kA以下的参数的灭弧室,使用横向磁场电极开断能力优于同尺寸的杯状纵磁场电极(见图1),而且回路电阻明显优于杯状或线圈的纵磁结构电极,但是在开断过程中电弧对触头和屏蔽筒的烧蚀比较大,加之目前灭弧室的短路开断次数都比较多,多次短路开断后,横磁灭弧室的屏蔽筒就会被甩上的电弧严重烧损,从而破坏其绝缘系统,因此横磁电极结构可以应用在12kV/25kA以下的小型化产品中。


  (2)纵磁场电极结构的选用:纵磁电极有杯状纵向磁场、线圈纵向磁场,带马蹄铁的纵向磁场电极,纵磁电极在开断时电弧电压低,电弧能量小,纵磁场控弧能力强,触头的烧蚀量小,在分合闸过程中机械参数相对稳定。其中杯状纵磁电极加工起来比较简单,通过调节斜槽的倾角和转角就可以有效的控制导流能力和短路开断能力,使二者都达到较好的水平,因此在中压大容量小型化灭弧室设计时首选杯状纵磁结构。带马蹄铁的纵向磁场电极,它的开断能力是有限用的,目前我们都用在低压或12kV的负荷开关和接触器用灭弧室上。线圈纵向磁场电极,该结构难加工,电极路径长,虽然磁场强但电阻大不易用于小型化灭弧室中,对于低额定工作电流的灭弧室可以采用。


  2.2 杯状纵磁电极的小型化设计

  电极直径小,那么灭弧室的直径就可以小,所以合理的优化电极可以较好的实现灭弧室的小型化。下面主要讨论杯状纵磁电极的小型化。


  大量的磁场计算以及装管实际试验证明,在杯状纵磁电极中引进铁磁物质使电极间磁场得以重新分布,使尽可能大的触头表面在磁场的控制范围内,从而提高触头开断利用面积,有效减小触头直径。然而铁芯的引入会使纵向磁场滞后时间增加,对开断产生负面影响,所以在引入铁芯时不但要考虑增强纵向磁场,还要充分考虑减小纵向磁场滞后时间,尽量消除铁芯引入的负面影响。铁心的结构设计非常重要,我们公司目前普遍使用的铁心结构就很好。为减小铁芯的磁滞可以通过阻断导磁回路的方法降低磁场滞后。合理结构的铁芯即保证了磁场强度同时磁滞也很低。下表为使用铁芯的纵磁场电极与通常的纵磁场电极的开断能力比较。


 
  上表的数据足以说明使用铁芯可以有效减小触头直径,有利于灭弧室的小型化设计。

  2.3 触头材料的选用

  小型化真空灭弧室开断电流相对同参数的普通灭弧室苛刻的多而且电阻要求较低,因此我们首选CuCr触头材料,该种触头材料在开断能力,导流能力,以及耐电压强度上都表现的比较优越。目前,CuCr触头材料有多种工艺制造的,包括,真空热碳还原熔浸法(溶渗法)生产、混粉烧结、真空感应熔炼快速凝固法(熔铸法)以及西门子使用的真空电弧熔炼法,那么选那种工艺的好呢?

  通过以往的使用经验我们可以知道熔渗法制造的触头材料很难避免同材富集现象,这样极不利于开断,容易产生容焊,不易用于小型化的真空灭弧室。

  混粉烧结的触头材料金属颗粒的晶间结合差,开断时容易将触头表面的材料拉断形成缺陷,所以也不利于开断,其切电容的性能也相对差一些,因此不宜选用。


  真空感应熔炼快[小型化真空灭弧室设计制造的要点]:摘要:文章介绍了小型化真空灭弧室具有体积小、电性能及机械特性要求高和成本低的特点,文章围绕这些特点详细论述了小型化真空灭弧室设计及制造中需要考虑的要点,对小型化真空灭弧室的研发具有一定的借鉴作用。 0...

速凝固法(熔铸法)的触头材料,该材料克服了溶渗法触头材料晶间结合差和溶渗法触头材料铜富集的缺点,而且制造过程中可以去处较多的杂质,因此该种触头材料可以当做首选。当然在选用的时候还要根据灭弧室的电参数来选用不同牌号的铜铬合金触头材料,目前常用的熔铸铜铬触头材料有CuCr30和CuCr40,从理论上分析CuCr30的各项性能指标优于CuCr40和CuCr50,但是在实际使用中,经常会出现触头熔焊,因此,我们一般都选用CuCr40。也许随着触头材料加工水平的提高CuCr30的性能得到改善,以后还会大量使用该触头材料,因为它的价格要低于CuCr40。

  真空电弧熔炼法的触头材料在有关资料上显示性能非常好,这也是西门子大量使用的触头材料。


  2.3 电场结构的考虑

  小型化的真空灭弧室相对普通灭弧室来说,内部绝缘间隙要小的多,因此在设计时一定要设计合理,主要需要考虑以下几点。

  (1)各绝缘间隙要比较均匀,避免局部间隙小而形成场强强点,这里就容易发生击穿。

  (2)空气,绝缘材料、真空三界交点的屏蔽设计。


  (3)内部绝缘系统的零件的边角尽量采用圆弧过渡,使得电场均匀过渡,避免电场畸变而破坏灭弧室的整体绝缘水平。

  (4)零件的表面粗糙度要求要相对严格些,电极、屏蔽筒,均压罩等零件表面一定要光滑,可以避免场至发射,提高灭弧室的击穿电压。


  3 屏蔽外磁场的考虑

  小型化真空灭弧室配用的断路器体积相对较小,那么相间距离有限,相间的电动力对电弧的影响较大,因此在设计灭弧室时还要充分考虑屏蔽外磁场。

  我们目前主要是采用使用铁磁的屏蔽筒来屏蔽外部横向磁场,使得开断时电弧不出现偏烧,充分利用触头整个面积,保证电极的开断能力。这种铁磁屏蔽筒是针对较大容量的小型化真空灭弧室而谈,对于电参数比较低的灭弧室可以不采用。当然铁磁材料相对比较便宜,还未发现对灭弧室性能有负面作用,因此从成本的角度来说我们也可以考虑增加使用量。但是由于铁屏蔽筒存在发热问题,因此在采用铁屏蔽筒时要考虑其结构和避免严重发热。

   4 低成本的考虑

  4.1 设计上的低成本考虑


  尽量设计结构简单易于加工的零件,装配结构也要尽可能简单易于操作。材料上尽可能使用价格较低又能保证产品性能的材料。比如,屏蔽筒,保护罩、动静盖板都可以使用不锈钢材料,避免使用价格高的无氧铜材料,动静盖板采用无氧铜过渡封接在瓷壳上。但是对于体积非常小的灭弧室来说就不是这样的,灭弧室的动静盖板就可以考虑用无氧铜盖板直接封在瓷壳上,虽然算起来材料成本增加了,实际上由于少一到气密性焊缝,少了一个焊料环,总成本未必有增加。当零件比较小时核算它的成本就不是主要看材料费用而更多的看加工费用。比如将非常小的一个无氧铜零件做成一个不锈钢盖板和一个无氧铜封接环那么成本未必就会降低。

  对于一些不能采用无氧铜,不锈钢封接的灭弧室来说,比如排气灭弧室除了将其改为一次封排管,我们还可以引进镍铜材料或铁镍材料做为替代可伐材料与瓷件封接的零件,这样成本也会降低很多。

  4.2 降低制造成本

  对于零件来说主要是根据灭弧室实际要求,对于一些不影响产品性能的尺寸尽量放宽要求,也就是降低加工难度,从而提高生产效率和成品率以降低零件的制造成本。


  对于整管来说主要是通过完善的加工工艺提高生产效率及产品的成品率来降低制造成本。

   5 总装工艺的关键点

  在零部件装配过程中,零件表面肯定会有不同程度的污染,缝隙处还会隐藏粉尘颗粒,触头表面也会被氧化,这些都会影响灭弧室的性能,尤其对小型化灭弧室的负面作用更大,所以在整管加工时应注意以下事项:

  5.1零部件的清洁

  除了要保证装配空间的真空卫生外,一定要严格执行清洗工艺并严格控制清洗溶剂的清洁。

  5.2 形位公差的保证

  由于小型化的灭弧室内部绝缘间隙相对较小,所以在装配的过程中一定要保证其形位公差。形位公差大对灭弧室的绝缘性能非常不利,使得灭弧室的绝缘性能表现的很不稳定,有的表现的很好,有的就达不到额定值,所以保证小型化灭弧室的绝缘,更会大幅度提高我们所有产品的质量。


  5.3 整管的老炼


  整管老炼包括电压老炼、电流老炼和电容老炼,其目的主要是通过各种老炼去处灭弧室内部的毛刺,氧化物,从而提高灭弧室的绝缘水平,保证可靠的开断能力。

  (1)电流老炼的作用:通过触头间燃弧而去除触头表面的氧化物,及表层气体。在电流老炼过程中,触头表面形成熔融层,当电弧熄灭后,熔融的表层重新凝固,形成更加致密的5~10μm的金属薄层,更有利于开断。同时当维持电弧的金属气体扩散冷凝在其他零件表面,形成新鲜的铬层具有吸气作用,可以维持管内的真空状态,因此通过电流老炼的管子真空度通常有所提高。


  (2)电容老炼的作用:对于一些型式试验的灭弧室来说,还需要做容性电流老炼,它容量不大,不会对触头表面造成损伤,也可以去除静态老炼时触头上产生的毛刺,老炼的触头表面会布满光亮的斑点,这是老炼的结果。

  (3)电压老炼的作用:通过老炼过程中不断的放电去除动静触头间,触头与屏蔽筒之间的微小毛刺,提高灭弧室绝缘水平。

  以上各种老炼的作用和效果是不同的,老炼的顺序不同对灭弧室的影响也就不同。通过长时间的实践摸索我们认为以下老炼顺序最有利于提高灭弧室质量:电流老炼 电容老炼 电压老炼。

  作者简介:毕冬丽,工程师,从事真空灭弧室设计工作

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