世上任何事物發(fā)展都具有階段性，通常稱之為代。真空開關(guān)發(fā)展到今天經(jīng)歷了兩代，第一代是上世紀(jì)70年代至80年代中期,是探索啟蒙階段;第二代為80年代至今,是引進(jìn)國外技術(shù)消化模仿階段，此時(shí)我國真空開關(guān)技術(shù)有了長足的進(jìn)步，接近了國際先進(jìn)水平，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。然而，在這二十多年里，盡管國內(nèi)外真空開關(guān)型號(hào)繁多、結(jié)構(gòu)五花八門，但基本性能卻沒有太大的差異。據(jù)試驗(yàn)站對(duì)開斷大電流成功率的統(tǒng)計(jì)，多年來一直徘徊在85%～88%之間，操作感性負(fù)載還離不開保護(hù)裝置，切電容電流重?fù)舸┈F(xiàn)象和第一代相比并沒有明顯的好轉(zhuǎn)。因此，研制第三代真空斷路器應(yīng)該在這幾方面著手，于是“開斷大電流的穩(wěn)定性和開斷小電流的安全性”理所當(dāng)然成為下一代真空開關(guān)發(fā)展的里程碑。

　　開斷大電流的穩(wěn)定性

　　目前我們開斷大電流出問題有三種情況:①完全開不斷;②后開相開不斷及中燃弧開不斷;③異相接地開斷重燃。

　　出現(xiàn)以上問題的根本原因是我們?cè)谠O(shè)計(jì)中沒有為不同電流相位滅弧創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臏缁…h(huán)境。首開相滅弧既有有利條件也有不利條件。有利條件是它開斷的電流正處在下降階段，因此它開斷的實(shí)際電流要比額定值小得多;不利條件是此時(shí)觸頭剛分離，窄小的空間金屬蒸汽呈高氣壓，而高氣壓的金屬蒸汽電弧具有大氣電弧的一切特性(非線性的伏安特性、電弧集聚)，觸頭燒損嚴(yán)重。因此，首開相最佳滅弧環(huán)境就是加快剛分速度，擴(kuò)大金屬蒸汽存在的空間和擴(kuò)散通道，使電弧迅速由高氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜌鈮?擴(kuò)散型)，為電流過零熄滅創(chuàng)造條件。后開相滅弧環(huán)境和首開相不同，它要求有較小的滅弧開距，使不等式λ>T0(λ為粒子碰撞自由程，T0為滅弧開距)更容易成立，并遠(yuǎn)離分閘到底機(jī)械震動(dòng)區(qū),因而此刻分閘速度要慢。在做單相異相接地開斷試驗(yàn)中，開斷電流相位是隨機(jī)的，燃弧時(shí)間在3ms～13ms之間。為躲避震區(qū)要求開關(guān)分閘到底時(shí)間不小于20ms，因而分閘運(yùn)動(dòng)最后階段要更慢。這條分閘運(yùn)動(dòng)特性是第三代真空開關(guān)必需具備的。

　　開斷感性小電流

　　開斷感性小電流的危害性在于截流的產(chǎn)生。大氣電弧(高氣壓電弧)和小電流真空電弧(低氣壓電弧)出現(xiàn)截流的機(jī)理是不一樣的。前者是電弧非線性伏安特性造成的，后者是電流自身蒸發(fā)的金屬蒸汽密度小到不能維持陰極電離區(qū)，電流自然就會(huì)在過零前熄滅而形成截流。要減小截流值就必須在觸頭材料中添加低熔點(diǎn)金屬，但這就會(huì)影響開斷大電流的能力。解決此矛盾的最好辦法就是大幅度減小滅弧開距。試驗(yàn)證明，首開相的截流值平均為1.8A，后開相為8.1A，相差4.5倍。巧合的是目前真空開關(guān)首開相的滅弧開距平均在1.5mm～2.5mm之間，后開相的滅弧開距約在8mm～10mm左右(正好處在油緩沖器的末端)，幾乎也是4.5倍。這充分表明小開距空間金屬蒸汽密度大、維持小電流能力強(qiáng)，而大開距空間金屬蒸汽密度小、維持小電流能力差，截流值自然增大?？梢娨粭l合理的分閘運(yùn)動(dòng)特性，在分閘中程(2mm～6mm)減慢分閘速度對(duì)開斷大、小電流都很有益處。

　　開斷電容電流

　　切電容電流最棘手的問題就是重?fù)舸┈F(xiàn)象，它嚴(yán)重威脅電容器的安全。重?fù)舸┈F(xiàn)象不是哪家公司產(chǎn)品，哪種型號(hào)的缺陷，而是一種技術(shù)時(shí)代的特征。因此要解決這道世界性的難題，真空開關(guān)在設(shè)計(jì)上沒有大的突破是不可能的。

　　要解決重?fù)舸﹩栴}首先必須搞清楚其發(fā)生機(jī)理。行業(yè)中普遍存在“清潔度，毛刺論”和“反彈論”。持前一種觀點(diǎn)的人認(rèn)為要用電流老煉來消除它，而后者要求限制開關(guān)分閘反彈幅度。但這“兩論”都存在經(jīng)不起推敲之處。既然觸頭清潔不好又有毛刺，為何開斷別的負(fù)載重燃現(xiàn)象就很少?既然管子有這么多毛病，絕緣耐壓關(guān)怎么通得過?在實(shí)際生產(chǎn)中，不論管子進(jìn)廠檢驗(yàn)還是整機(jī)檢驗(yàn)都很順利，說明管子現(xiàn)代生產(chǎn)工藝是不存在問題的。電流老煉論認(rèn)為毛刺是先天存在，用電流老煉除去就萬事大吉，這顯然有悖客觀事實(shí)，況且單管老煉基本不起作用?！胺磸椪摗币灿忻黠@的缺陷，大量切電容試驗(yàn)表明，在整個(gè)時(shí)間坐標(biāo)上幾乎都有重燃發(fā)生記錄，即便反彈了開距的60%也不可能擊穿，否則首開相就開不斷?？磥砦覀冞€沒有觸及到發(fā)生重燃的要害之處。

　　在真空開關(guān)特定條件下，真空間隙被擊穿主要因素應(yīng)該是場致發(fā)射。它的發(fā)生是由于觸頭平面存在“微突點(diǎn)”(俗稱毛刺)，電場便在此集中。理論和試驗(yàn)都證明，此處的場強(qiáng)將是斷口平均場強(qiáng)的10～100倍(摘自教科書)。而斷口擊穿的發(fā)生及經(jīng)歷時(shí)間又和微突點(diǎn)材料比熱、熱容量、曲率半徑及電場強(qiáng)度有關(guān)，由幾毫秒到幾百毫秒不等。問題是好好的觸頭怎么會(huì)形成微突點(diǎn)，是先天就有還是后天形成的?我們認(rèn)為是后天形成的，是開斷和關(guān)合負(fù)載后處理不當(dāng)形成的。只要存在電弧，觸頭就會(huì)有局部熔化，在外力(合分閘機(jī)械震動(dòng))的作用下，就有可能形成微突點(diǎn)。要消除真空開關(guān)重?fù)舸┑奈锢硪蛩?，必須在克服?nèi)外因素上下功夫。

　　如何實(shí)現(xiàn)“開斷大電流的穩(wěn)定性”

　　要完成上述任務(wù)就必須有一條科學(xué)合理的分閘運(yùn)動(dòng)特性，因?yàn)槭澜缟弦磺袛嗦菲鞫际峭ㄟ^特有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來獲得其電氣性能的。簡而言之真空開關(guān)的分閘運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是“快—慢—更慢”，但現(xiàn)有的真空開關(guān)根本做不到這一點(diǎn)。首先第一步“快”就做不到。即便加大分閘彈簧勉強(qiáng)做到較快，第二步“慢”如何實(shí)現(xiàn)?油緩沖器能做到第三步“更慢”嗎(有的開關(guān)甚至于連緩沖器都取消了)?真要做到這些，真空開關(guān)設(shè)計(jì)必須動(dòng)大手術(shù)。

　　這一代真空開關(guān)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上到底存在什么缺陷需要?jiǎng)哟蟆笆中g(shù)”呢?其實(shí)是明擺著的，只是大家習(xí)以為常罷了。那就是動(dòng)靜觸頭接觸方式。其它斷路器動(dòng)靜觸頭接觸都是插入式，唯獨(dú)真空開關(guān)是平板接觸。這種接觸方式帶來三大弊病:①動(dòng)觸頭是靜止起步，V0=0，很難完成第一步“快”的使命。②因?yàn)槭瞧桨褰佑|，就必需有彈簧來保持接觸壓力，分閘時(shí)就得先釋放“超行程”，這樣就會(huì)使分閘運(yùn)動(dòng)復(fù)雜化。牛頓定律告訴我們:物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不能突變。因此，運(yùn)動(dòng)的絕緣桿和尚處于靜止的動(dòng)導(dǎo)電桿在一起穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)前就會(huì)有一個(gè)“過渡過程”(圖1)。在測(cè)試儀器上可清晰的看到動(dòng)導(dǎo)電桿初分階段有一個(gè)小間隙(約0.5mm)短時(shí)(1ms～3ms)停頓。小間隙的金屬蒸汽呈高氣壓，增加了觸頭額外的電弧燒損。③在分閘的初始階段，觸頭壓縮簧壓力不斷減小，動(dòng)靜觸頭間接觸點(diǎn)也隨之減少，電流密度增加使觸頭局部熔化而形成電弧。這種熱起弧方式有別于其它斷路器電起弧方式，觸頭除了電弧燒損外還有熱燒損。

圖1

　　要實(shí)現(xiàn)科學(xué)的分閘模式，就必須克服上述的三大弊病，為此，我們采取兩項(xiàng)措施:①V0>0。將滅弧室結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“雙動(dòng)”(圖2)，即原靜端也能動(dòng)。觸頭壓力彈簧移至上端，合閘時(shí)下導(dǎo)電桿推動(dòng)上導(dǎo)電桿上移n毫米(超行程);分閘后，觸頭壓力簧推動(dòng)上下觸頭系統(tǒng)往下運(yùn)動(dòng)(請(qǐng)注意:此時(shí)觸頭壓力對(duì)于動(dòng)導(dǎo)電桿是外力而不是原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力)，當(dāng)超行程釋放完畢，上導(dǎo)電桿戛然止住。此前雙方獲運(yùn)動(dòng)速度為V，接著下導(dǎo)電桿以V的速度離開上觸頭達(dá)到V0>0的目的。沒有了“過渡過程”，消除了小間隙短時(shí)停頓，真空開關(guān)不論開斷大、小電流都會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)良的電氣性能。②采用“先推后拉”分閘模式。分閘力由拉改為推是真空開關(guān)技術(shù)的一大創(chuàng)舉，它有效地減輕或消除了觸頭的熱燒損。雙動(dòng)方案初始分閘力有兩個(gè)：一個(gè)是上推，另一個(gè)是主軸分閘彈簧的下拉。如果兩個(gè)力同時(shí)作用，即又推又拉，觸頭壓力仍會(huì)逐漸減小，熱燒損不可避免。采取先推后拉方式，在釋放超程時(shí)，主軸簧并不參與，當(dāng)走完超程后主軸分閘簧才拉動(dòng)下系統(tǒng)完成分閘程序。由于下觸頭系統(tǒng)(包括絕緣桿)有相當(dāng)質(zhì)量，觸頭間會(huì)保持一定壓力，再由于下觸頭系統(tǒng)是被推出去的，觸頭間壓力必定是突然消失，這樣起弧過程就會(huì)由熱過程變?yōu)閭鹘y(tǒng)斷路器電擊過程。

圖2

　　采取了上述兩項(xiàng)措施，真空斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全擺脫了傳統(tǒng)模式，科學(xué)的分閘運(yùn)動(dòng)特性才得以兌現(xiàn)。V0>0就確保了第一步“快”的實(shí)現(xiàn)，成功邁出了第一步，第二步“慢”和第三步“更慢”就迎刃而解了。由于主軸分閘簧只是將下觸頭拉到底并抵消滅弧室的自閉力，因而力值可設(shè)計(jì)小些，再配上適當(dāng)?shù)木彌_裝置便大功告成。

　　切電容電流如何實(shí)現(xiàn)無重燃(開斷小電流的安全性)

　　動(dòng)完大“手術(shù)”的新型真空開關(guān)確保了開斷大電流的穩(wěn)定性，也大幅度降低了截流值，但對(duì)于切電容電流的安全性任務(wù)只完成了一小半。V0>0和“先推后拉”兩項(xiàng)措施只是在分閘時(shí)減弱或消除切電容電流對(duì)觸頭的電弧燒損和熱燒損，但大量試驗(yàn)證明關(guān)合電容器組也是重燃的主要因素。我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，帶電合閘無電分閘真空開關(guān)斷口絕緣耐壓將大幅下降，這是因?yàn)閹щ姾祥l觸頭一旦局部熔焊，分閘拉出來的毛刺沒有電弧清除的緣故。其實(shí)關(guān)合故障電流也可能熔焊，但它開斷電流大，毛刺被電弧清除掉。而電容電流卻很小，清除毛刺能力差。因此一旦熔焊，發(fā)生重燃的概率就很高，關(guān)合電容使觸頭熔焊的罪魁禍?zhǔn)拙褪撬哳l的涌流。由于滅弧室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，觸頭在接觸瞬間很難做到絕對(duì)平行，因此存在“初始接觸點(diǎn)”，高頻的涌流會(huì)在這些小區(qū)域快速通過，電流密度很大，熔焊就有可能發(fā)生?？梢娫诮M裝真空開關(guān)時(shí)確保安裝精度是何等重要(在試驗(yàn)中來回更換管子總能通過就是這個(gè)道理)。電流老煉的作用就是不斷地用電弧燒蝕使初始接觸點(diǎn)越來越多，避免了熔焊，重燃發(fā)生的機(jī)率就會(huì)變小。但這只有在整機(jī)上進(jìn)行才有效，如果把管子拆下來重裝也許前功盡棄，這就是單管老煉不如整機(jī)老煉的原因。要使觸頭在關(guān)合涌流時(shí)不熔焊必須在觸頭接觸形狀上想辦法，球面或錐面凹凸型接觸方式就是其中之一。由于組裝很難保證上下導(dǎo)電桿的同軸度，合閘初始接觸點(diǎn)必定是球(錐)體的側(cè)面，涌流使其熔化(也許來不及焊)。隨著合閘動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行，觸頭面自動(dòng)找正，對(duì)熔焊點(diǎn)有切斷磨平功能，此刻接觸面已足夠大，再也不會(huì)發(fā)生熔焊了。沒有了熔焊點(diǎn)，分閘就不會(huì)拉出毛刺，消除了分、合電容器組(其它負(fù)載也是如此)產(chǎn)生重?fù)舸┑奈锢硪蛩亍?/P>

　　到此，我們正確地判斷了真空開關(guān)產(chǎn)生重燃的物理因素，采取了有效措施消除它，研制成功無重燃真空斷路器，實(shí)現(xiàn)了開發(fā)不產(chǎn)生損壞設(shè)備過電壓“綠色”真空斷路器的夢(mèng)想，使真空開關(guān)完成了它更新?lián)Q代的歷史重任。