礦用真空開關(guān)簡史

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(shè)計專利，1920年瑞典佛加公司制造出世界上第一臺真空開關(guān)。以后的年代里主要進(jìn)行了真空電弧的理論和實(shí)驗(yàn)研究。由于真空技術(shù)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(guān)，分?jǐn)嚯娏鳛?kA。1961年美國通用電氣公司開始生產(chǎn)15kV，分?jǐn)嚯娏?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(jìn)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?jǐn)嗄芰σ堰_(dá)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(guān)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(guān)。

中國從1958年開始研制真空開關(guān)。礦用真空開關(guān) 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(shè)備 的更新?lián)Q代。

礦用真空開關(guān)與普通的開關(guān)設(shè)備一樣，也 是由操動機(jī)構(gòu)，導(dǎo)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(guān)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(guān)結(jié)構(gòu)上最顯明的特點(diǎn)，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(dǎo)電桿9穿過靜端蓋板6的中心。靜觸頭10焊在靜導(dǎo) 電桿的端頭。動導(dǎo)電桿12的端頭焊著動觸頭11。動導(dǎo) 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(dǎo) 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(dǎo)電桿藉助波紋管的伸縮 性可沿真空滅弧室的軸運(yùn)動，而外部的氣體卻不會進(jìn) 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(dá)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(hù)帽，均系抽真空 工藝所需。

真空開關(guān)的觸頭在真空中接通和分?jǐn)?電流時周圍的介質(zhì)是真空。實(shí)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(qiáng)烈的擴(kuò)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(qiáng)度恢復(fù)速度很高。真空電弧有擴(kuò)散型和集聚型兩 種基本形態(tài)。擴(kuò)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(diǎn)不斷向四周迅速擴(kuò)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(diǎn)相互吸引而集聚在一起，其運(yùn)動變得很緩慢，并出現(xiàn) 陽極斑點(diǎn)和位降區(qū)。

擴(kuò)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?yàn)閿U(kuò)散型電弧在電流過零后，觸頭不 會再產(chǎn)生新的陰極斑點(diǎn)，間隙的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)很快。當(dāng) 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(diǎn)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(fù)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(shè)計要 求分?jǐn)噍^大電流的真空開關(guān)時要采取措施，使在被分 斷電流范圍內(nèi)始終保持?jǐn)U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(jī)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(fù)雜。

按電流類型可分為交流真空開關(guān)和直流真 空開關(guān)。煤礦中廣泛采用的是交流真空開關(guān)，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(guān) 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(guān)，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。

真空開關(guān)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(qiáng)度和熄弧 能力給真空開關(guān)帶來了一系列優(yōu)點(diǎn)：

(1)燃弧時間短、分?jǐn)嗄芰?qiáng)。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(qiáng)的熄弧能力。

(2)體積小、重量輕。因觸頭開距很小，對操動機(jī) 構(gòu)負(fù)擔(dān)減輕，隨之體積和重量只是普通開關(guān)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(yīng)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(guān)的主要缺點(diǎn)。

(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(yán)格。