两种新型的纵磁结构真空灭弧室的研究比较

刘东晖等
两种新型的纵磁结构真空灭弧室的研究比较
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在触头间隙产生如图 1c 所示的方向上、下交错的 两个纵向磁场区域。
如图 2c 所示的方向上、下交错的四个纵向磁场区 域。 上述两种电极结构，在邻近象限产生的磁场是 极性相反而大小相同的，因此可以抵消大部分电极 表面产生的涡流，尤其在电极的中央部分，在电流 过零时剩余磁场几乎为零。因此触头片可以不开 槽，从而改善了电极的机械强度。
2003 年 l2 月 第 l8 卷第 6 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Voi.l8 N6 Dec. 2003
两种新型的纵磁结构真空灭弧室的研究比较
刘东晖
摘要
修士新
王季梅
西安 7l0049）
（西安交通大学电气工程学院
提出了两种新型的双极和四极纵向磁场的真空灭弧室电极结构，并对它们进行了纵向
1 引言
在真空灭弧室中，随着电流的增加，阴极斑点 的个数也会增加，这些阴极斑点维持着真空电弧， 当电流未超过临界值时，真空电弧处于扩散状态， 由阴极斑点给间隙提供带电离子与金属蒸气。当电 流超过这一临界值时，就会产生阳极斑点。阳极斑 点的形成可以造成阳极大面积的熔化，这使得阳极 给间隙间提供大量的金属蒸气，在阳极斑点形成 后，不但会给电极造成很大的电磨损，此外更可能 造成真空开关的开断失败。 通过给真空电弧施加纵向磁场，真空电弧可以 保持在稳定与扩散的状态。同时使电弧较为均匀地 分布于电极表面，降低电极表面的温升，还避免大 量触头材料的蒸发。在此情况下，真空电弧具有很 低的电弧电压及触头电磨损。因此通过使用纵向磁
图7
双极纵磁结构开断电弧电流示波图 Interrupted current（ bipoiar AMF）
2 王秀梅 . 真空开关理论及其应用 . 西安交通大学出版 社，1986 3 刘志远 . 新型真空发电机断路器电流转移过程及真空电 弧控制技术的研究：［博士学位论文］ . 西安：西安交 通大学，2001 ［博士学位 4 贾申利 . 真空开断电弧特性研究及其应用： 论文］ . 西安：西安交通大学，1997 5 6 7 尚文凯 . 真空触发间隙与马蹄型触头真空灭弧室特性研 究： ［博士学位论文］ . 西安：西安交通大学，1998 修士新 . 铁心式两极纵磁真空灭弧室特性及新型触头材 料研究： ［博士学位论文］ . 西安：西安交通大学，1998 冯慈璋 . 电磁场理论 . 北京：高等教育出版社，1979
［6］ 断 。由此可以推断，双极纵磁结构的真空灭弧室
较四极纵磁结构的真空灭弧室的极限开断电弧电流 的能力要大。
!
图6 Fig.6 四极纵磁结构开断电弧电流示波图 Interrupted current（ guadrupoiar AMF）
结论
本文比较了两种新型的双极和四极纵磁结构的
真空灭弧室，通过理论计算和实验研究表明，这两 种真空灭弧室的极限开断电流与相同直径的单极纵 磁结构的真空灭弧室的极限开断电流相近，均能满 足开断要求。但相比较而言双极纵磁结构真空灭弧 室的极限开断能力要优于四极纵磁结构的真空灭弧 室。 参考文献
Xiu Shixin Wang Jimei （Xi’ an Jiaotong University Xi’ an 7l0049 China） Abstract Axiai magnetic fieid（ AMF）contacts are appiied within vacuum interrupters especiaiiy for high short-circuit currents . Two kinds of new type vacuum interrupters with bipoiar and guadrupoiar axiai magnetic fieid（AMF） eiectrodes are deveioped， their magnetic fieids are caicuiated and anaiyzed . The resuits show that bipoiar contact generates much stronger magnetic fieid than guadrupoiar contact does， and has more high interrupting abiiity . The experiment aiso verified this resuit . ， eiectrode structure， vacuum arc Keywords：Vacuum interrupter， axiai magnetic fieid（AMF） 场可以增加真空开关的开断能力。这种类型的电极 结构尤其适用于强电流和高电压场合。常用的纵向 磁场电极结构有线圈式（单极式）和多极式，线圈 式的电极结构在电流过零后，电极表面尚存在一定的 涡流，为了减少涡流，电极表面需要开槽。而多极纵 向磁场的电极结构可以抵消大部分电极表面产生的涡 流，在电弧电流过零后，电极间的剩余磁场极小，尤 其是电极中心部分，剩余磁场几乎为零，这十分有利 于电流过零后，弧隙剩余等离子体的迅速扩散。 近期，西安交通大学研制出了两种新型的多极 纵向磁场真空灭弧室，即双极与四极纵向磁场结构 的真空灭弧室。 Liu Donghui
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图4 Fig.4 四极纵磁结构的纵向磁场分布
实验结果及分析
针对上述两种纵磁结构，分别进行了实验测
Distribution of AMF（ guadrupoiar AMF）
试，样品的尺寸与理论计算所用参数一致，即触头 直径 45mm，开距 10mm。 图 6 为 开 距 10mm 时，四 极 纵 磁 结 构（加 铁 心）真空灭弧室开断电流分别为 8.1kA、21.6kA 和 。 25kA 时的电弧电流示波图（电流值均为有效值） 图 7 为开距 10mm 时，双极纵磁结构真空灭弧 室开断电流分别为 7.5kA、22.4kA 和 26.2kA 时的 电弧电流示波图（电流值均为有效值） 。 当电弧电流大于一定值时， （双极 26.2kA，四 极 25kA） ，电弧分断失败，但这仍与相同尺寸的单
图5 Fig.5 双极纵磁结构的纵向磁场分布 Distribution of AMF（ bipoiar AMF）
差 3 倍左右；相位分别滞后 5.03 和 6.33 ，即时间 上分别滞后 0.28ms 和 0.35ms，相差不多。纵向磁 场 ! 随时间变化的表达式分别为 ! = 97.13cos（314 " - 0.28） mT（四极） ! = 293.7cos（314 " - 0.35） mT（双极） 由此可见，当电流过零时，即 " = 0.005s 时，两者 的剩 余 磁 场 分 别 为 ! = 26.91mT （ 四 极 ） ，! = 。以上结果表明，当电流过零时， 100.93mT（双极） 无论双极和四极纵磁结构的触头间隙均有涡流引起 的剩余磁场存在，只不过在轴心处剩余磁场很小， 接近为零。
图3 Fig.3
四极纵磁结构纵向磁场的分布
DistributiOn Of AMF（ guadrupOiar AMF）
图2
四极式纵向磁场电极结构及其磁场、电流方向 Fig.2 EiectrOde structure， current directiOn
图 3 为纵向磁场 ! 在触头间隙中间平面上沿 路径（ 15.91， 15.91， 5 ） - （ - 15.91， - 15.91， 。由图 5） mm 的分布（坐标的方向参照图 2b 所示） 3 可以看出，四极纵磁结构加铁心比不加铁心时产 生的纵向磁场要大 10% 左右，由此可见，铁心的 加入起到了增强磁场的作用。
磁场的计算比较，结果表明双极纵磁结构较四极纵磁结构产生的纵向磁场大，极限开断电流也要 大，实验结果也证明了这一点。 关键词：真空灭弧室 中图分类号：TM503 纵向磁场 电极结构 真空电弧
Study of Two Kinds of New Type Vacuum Interrupters with Axial Magnetic Field
收稿日期 2002 - ll - 25 改稿日期 2003 - 04 - l5
2 两种纵向磁场真空灭弧室的电极结构及 原理
图 l 为两极式纵向磁场电极结构及其电流、磁 场方 向 示 意 图，其 中 图 lb 为 电 极 结 构 的 平 面 图 （箭头代表电流方向） ，上、下两电极呈 l80 放置，
第 18 卷第 6 期
and pOiarities Of magnetic fieid（ guadrupOiar AMF）
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电工技术学报
2003 年 12 月
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铁心结构对磁场的影响 在交流电的运行条件下，电极中铁心的存在会
产生较大的涡流。当电弧熄灭后，电极中的电流虽 然同时消失，但触头间仍存在涡流产生的剩余磁 场，这个剩余磁场将阻止剩余等离子体向四周扩 散，从而阻碍介质强度的迅速恢复，不利于电流的 开断。目前较有效的减少涡流的办法是将铁心采取 叠片的方式。文献［3］对不同叠片数目的铁心对 涡电流密度造成的影响进行了详细的计算，结果表 明，叠片数目越多，铁心中涡流密度最大值越小， 但应注意叠片之间不能压得太紧，否则铁心叠片之 间涡流在有些地方会有贯通。 !"! 双极和四极纵向磁场电极结构的计算比较 对双极和四极纵向磁场的电极结构分别加交流 电流（频率 50HZ，峰值 35kA）时的纵向磁场进行 了计算，结果如图 4、5 所示。
Fig.7
，可以看出，双极纵磁结构的电极表面烧蚀区域 8） 较大，触头表面中间部位也有烧蚀痕迹，而四极纵向 磁场电极结构的触头表面烧蚀情况更为严重，还出现 了偏烧现象，同时在触头侧臂有金属熔化的痕迹。
将分断失败的两个真空灭弧室打开（参见图
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