礦用真空開關

真空開關的觸頭在真空中接通和分斷 電流時周圍的介質(zhì)是真空。實際上是高度稀薄的空氣， 所以在觸頭間形成了真空電弧。真空電弧靠觸頭材料 所生成的金屬蒸氣來維持。由于周圍氣體壓力低，電弧 等離子體中的電子、離子或金屬粒子具有強烈的擴散 作用，因此真空電弧很容易被熄滅，并且觸頭間隙的介 質(zhì)強度恢復速度很高。真空電弧有擴散型和集聚型兩 種基本形態(tài)。擴散型真空電弧通常在數(shù)千安培以下的 電流范圍內(nèi)產(chǎn)生，它沒有顯著的陽極位降區(qū)，而陰極斑 點不斷向四周迅速擴散。集聚型真空電弧在電流超過 某個數(shù)值(一般在10kA以上)時產(chǎn)生，陰極上所有斑 點相互吸引而集聚在一起，其運動變得很緩慢，并出現(xiàn) 陽極斑點和位降區(qū)。

擴散型交流真空電弧一般在第一次電弧電流過零 時就熄滅，這是因為擴散型電弧在電流過零后，觸頭不 會再產(chǎn)生新的陰極斑點，間隙的介質(zhì)強度恢復很快。當 觸頭距離足夠大時，不會發(fā)生電弧重燃現(xiàn)象。集聚型真 空電弧由于陽極斑點的形成，陰極和陽極表面都有較 大面積和一定深度的熔融區(qū)，電極的熔融區(qū)在一定時 間內(nèi)仍向弧柱提供大量的金屬蒸氣，使得在恢復電壓 上升過程中，弧區(qū)內(nèi)仍是一個充滿金屬蒸氣的間隙，不 可避免會發(fā)生間隙的擊穿而使電弧重燃。為此，設計要 求分斷較大電流的真空開關時要采取措施，使在被分 斷電流范圍內(nèi)始終保持擴散型真空電弧，從而使真空 電弧在電流過零后不再引起重燃。所以一般交流真空 電弧在以第一次過零時即可熄滅，燃弧時間約半個周 波(10ms)。然而，對直流真空電弧電流，必須創(chuàng)造一 個過零的機會，迫使其熄滅。通常采用電流換向裝置或 提供等量的反向電流來迫使直流真空電弧電流過零， 比較復雜。

按電流類型可分為交流真空開關和直流真 空開關。煤礦中廣泛采用的是交流真空開關，按用途主 要分為真空斷路器，真空接觸器與真空換相隔離開關 三種以及用它們作主體組成的真空配電裝置，真空饋 電開關，真空電磁起動器等。按電壓等級又可分為低壓 (AC1200V及以下)和高壓(AC3kV及以上)兩大類。

1893年美國的里頓豪斯提出了結(jié)構(gòu)簡單的真空滅弧室并獲得了設計專利，1920年瑞典佛加公司制造出世界上第一臺真空開關。以后的年代里主要進行了真空電弧的理論和實驗研究。由于真空技術和真空材料的突破，50年代美國才制成第一批適用于切 斷電容器組等特殊要求的真空開關，分斷電流為4kA。1961年美國通用電氣公司開始生產(chǎn)15kV，分斷電流 為12.5kA的真空斷路器。1966年試制成15kV、26kA 和31.5kA的真空斷路器，從而使真空斷路器進入高 電壓、大容量的電力系統(tǒng)。80年代中期真空斷路器的 分斷能力已達100kA。英國于1965年研制成世界上第 一臺采用鑲嵌式觸頭結(jié)構(gòu)的真空接觸器，并在1968年 開始推廣到煤礦井下使用。由于它優(yōu)異的性能特別適 合井下使用，礦用真空開關發(fā)展很快，德、日、美、波 蘭、前蘇聯(lián)、加拿大、印度、澳大利亞等先后批量生產(chǎn) 各種礦用真空開關。

中國從1958年開始研制真空開關。礦用真空開關 的研制始于1977年，80年代得到全面發(fā)展，較好地滿 足了中國煤礦井下供電電壓等級的不斷提高(380V→ 660V→1140V→3300V和6kV→10kV)以及電氣設備 的更新?lián)Q代。

礦用真空開關與普通的開關設備一樣，也 是由操動機構(gòu)，導電回路及滅弧系統(tǒng)等組成，但它的主 觸頭置的真空滅弧室，又稱真空開關管 內(nèi)。真空滅弧室內(nèi)部保持10～10Pa的高真空。3個真空滅弧室 就成為礦用真空開關結(jié)構(gòu)上最顯明的特點，并決定了 它的性能。真空滅弧室的外殼5是用玻璃、陶瓷或微晶 玻璃等絕緣材料制造的。兩端焊著金屬蓋板2和6，靜 導電桿9穿過靜端蓋板6的中心。靜觸頭10焊在靜導 電桿的端頭。動導電桿12的端頭焊著動觸頭11。動導 電桿和拉桿1焊成一體，通過波紋管13和動端蓋板的 中心孔伸出真空滅弧室外。波紋管的一個端口與動導 電桿焊在一起，另一個端口與動端蓋板焊在一起。波紋 管是可伸縮的元件，因此動導電桿藉助波紋管的伸縮 性可沿真空滅弧室的軸運動，而外部的氣體卻不會進 入真空滅弧室內(nèi)部，這樣就可在完全密封的條件下從 外部操動主觸頭的合、分，達到接通和開斷電流的目 的。觸頭周圍裝有屏蔽罩4，用以吸收分、合電流時真 空電弧生成的金屬蒸汽等，防止污染絕緣外殼。7為真 空滅弧室抽真空時的排氣管，8為保護帽，均系抽真空 工藝所需。

真空開關利用真空作為主觸頭間的絕緣介 質(zhì)和滅弧介質(zhì)。真空以其極為優(yōu)異的絕緣強度和熄弧 能力給真空開關帶來了一系列優(yōu)點：

(1)燃弧時間短、分斷能力強。交流真空電弧在觸 頭分開后電流第一次過零時或過零前即可熄滅，從而 具有很強的熄弧能力。

(2)體積小、重量輕。因觸頭開距很小，對操動機 構(gòu)負擔減輕，隨之體積和重量只是普通開關的1/3～ 1/2。

(3)壽命長，維修量小，適合于重載和頻繁操作。

(4)操作功小，振動和噪聲相應減小。

(5)不僅能開斷工頻電流，還有開斷高頻電流的能 力。

(6)電弧不外露，不會引起周圍易燃、易爆物質(zhì)的 燃燒和爆炸。特別適合于有沼氣和煤塵爆炸危險的礦 井中使用。

真空開關的主要缺點。

(1)在特定的條件下可能產(chǎn)生較高的操作過電壓。

(2)真空度的檢測比較困難，而保持一定的真空度 是真空滅弧的必要條件。

(3)價格較高，因制造真空滅弧室的材質(zhì)特殊、工 藝嚴格。