1、概述

　　真空開關技術經過近三十多年的發展，市場占有份額逐年提高，生產廠家也越來越多，市場競爭非常激烈。特別是入世以來，國外真空開關制造業以獨資、合資的形式相繼進入中國市場，使得競爭更加激烈。市場對先進的小型化真空開關的需求越來越迫切，用戶需要外型尺寸小、占地面積小、成本低廉、性能優越的產品。因此，近年來世界各國，尤其是日本、美國等科技發展水平較高的國家一直致力于真空滅弧室小型化的研究，并取得了突破性進展。

　　為了實現真空滅弧室的小型化，錦州華光電力電子(集團)公司的技術研究人員對真空電弧、電真空材料、滅弧室內部電場強度的分布及生產方式等技術進行了深入地研究，真空滅弧室設計水平和制造工藝得以不斷提高和完善，推出了新一代U系列小型化真空滅弧室。

　　U系列小型化真空滅弧室改變了以往的設計模式和工藝方式，在產品內部結構設計上采用了全新的設計理念，在制造工藝上有較大的突破，其產品特點如下：

　　(1)采用自行研制的新型縱磁均布式觸頭結構。這種觸頭結構在燃弧期間，在觸頭間隙中產生比目前通用的縱磁觸頭結構更強、更均勻的縱向磁場。在強磁場的作用下，電弧被有效地控制在一個更大的區域內燃燒，擴大了觸頭的有效利用面積，改善了觸頭表面的電流密度分布，使電弧始終保持擴散型，從而降低了弧壓及電弧能量，使開斷能力大幅提高，開斷能力較原杯狀觸頭結構提高了約15%以上。

　　(2)通過計算機輔助設計，改善了滅弧室內部電場強度分布的均勻程度，優化了滅弧室內部結構，提高了滅弧室內部的絕緣水平，從而實現了滅弧室的小型化，其體積僅為原結構的50%～70%。

　　(3)采用新型的“一次封排”工藝，使滅弧室從部件到整管一次封排完成，減少了人及環境對部件的二次污染，提高了滅弧室內部的真空度及清潔度，改進了滅弧室的開斷性能、絕緣水平及同軸水平。同時，新型的工藝結構，使得滅弧室的密封焊縫得以減少，由原來的9道焊縫減少到6道焊縫，滅弧室的漏氣幾率大大降低，密封的可靠性提高了33%。

　　(4)采用新型的波紋管防扭結構，既防止波紋管被扭傷漏氣，又使整管的外形更加美觀，也給裝機帶來便利。

　　U系列真空滅弧室優越的性能、小型化的體積配合復合絕緣的應用，不但使真空斷路器縮小了相間距，減小了整體尺寸，更主要的是能夠滿足較大的開斷容量和較高的弧后絕緣水平。另外，對現行開關使用小型化真空滅弧室后，也可以去掉相間附加的絕緣件，既可降低成本，又可方便安裝調試。

　　U系列小型化真空滅弧室優越的開斷性能及較高的弧后絕緣水平得益于先進的設計方式和新型“一次封排”工藝的采用，也與老煉工藝的改進密不可分。真空滅弧室的老煉工藝分為電流老煉和電壓老煉，本文根據小型化真空滅弧室研制開發和生產實踐中的體會著重介紹小型化真空滅弧室的老煉工藝。

　　2、大電流老煉

　　大電流老煉就是真空滅弧室通以數百安培較大電流的同時拉開觸頭，使觸頭間產生擴散型電弧，燃燒的電弧剝除了觸頭表面覆蓋著的臟物、氧化物和氣體，使觸頭表面成為完全新鮮的活性表面，起到了凈化觸頭表面的作用。因此，可以說電流老煉與電壓老煉比較，更具有徹底除氣的作用。

　　大電流老煉分交流電流老煉和直流電流老煉，直流老煉方式是取直流電壓100V左右，電弧電流調至100安至數百安，合分觸頭10～20次。每次合分操作時使電弧有足夠長的燃弧時間，累計一定時間后，就能達到對觸頭表面凈化和除氣的目的。電流老煉對觸頭表面的燒蝕作用主要來自正離子對陰極的轟擊，對陰極表面有較好的燒蝕作用，為了對另一觸頭進行老煉，必須改變直流電源極性，重復上一次操作。經大電流老煉的真空滅弧室，其開斷短路電流和開合電容器組的性能比未進行電流老煉的滅弧室性能穩定，主要是因為觸頭表面的凈化和表層吸收的氣體被除去，在開斷時電弧燃燒觸頭放出氣體少，對觸頭間介質強度的恢復非常有力。

　　U系列小型化真空滅弧室采用新型縱磁均布式觸頭結構，這種觸頭結構在燃弧期間，在觸頭間隙中產生比目前通用的縱磁觸頭結構更強、更均勻的縱向磁場，電弧被有效地控制在一個更大的區域內燃燒，擴大了觸頭的有效利用面積，在同一電流等級下，觸頭表面積減小20%以上。為了避免大電流老煉時規范過重，觸頭表面燒損嚴重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平，U系列小型化產品大電流老煉試驗時，電弧電流調至80～100安，合分觸頭正負極性各5～10次，具體次數根據弧光而定，弧光顏色由白色或紅色轉為淡藍綠色為宜。

　　3、超高壓老煉

　　高壓老煉效應是決定真空中絕緣擊穿特性的主要因素之一，成為實現高電壓化、小型化的一項課題。常用的高壓老煉方法有四種：輝光放電老煉法、充氣老煉法、電流老煉法、火花老煉法。對密封的真空滅弧室而言火花老煉法是提高真空滅弧室耐壓水平的唯一實用的方法，火花老煉法也就是工頻老煉法。超高壓工頻老煉的特點是：

　　(1)滅弧室浸在絕緣介質中，老煉過程中不受外絕緣的影響，老煉電壓比空氣中提高約1.5倍,使真空滅弧室的內部老煉更徹底;

　　(2)超高壓工頻老煉的升壓有保護措施，一旦擊穿電流大，威脅產品安全時，它將自動降壓以保護滅弧室不受損壞;

　　(3)在靜態情況下給真空滅弧室施加工頻高電壓，引起觸頭間及觸頭與屏蔽罩間強烈的火花放電。真空滅弧室利用該方法可消除觸頭和屏蔽罩表面的高β發射點，改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，從而提高它的擊穿電壓和長期工作下的穩定性。

　　真空滅弧室小型化后，滅弧室的體積變得越來越小，因而老煉工藝也需要重新摸索,以確定更適合小型化產品大批量生產的老煉工藝。這里著重介紹小型化真空滅弧室高壓老煉工藝的摸索過程，包括外絕緣的保護、老煉開距、老煉升壓速度、老煉電壓值及電壓穩定時間的確定。

　　3.1外絕緣保護

　　解決真空滅弧室耐受高電壓和強電場的關鍵技術之一是沿面絕緣的提高，尤其將真空滅弧室最大限度地小型化后，真空滅弧室本身的外部絕緣(主要指用于復合絕緣的真空滅弧室的外絕緣)已不能滿足較高的老煉電壓和正常的絕緣要求，因而在老煉中必須使真空滅弧室內部真空絕緣和周圍外部絕緣相配合。我們在超高壓老煉試驗中使用輕質絕緣油作為外絕緣介質,其擊穿強度為50kV/mm，這樣可以避免由于外絕緣和內部真空絕緣配合不好，高壓老煉試驗中真空滅弧室外爬電導致滅弧室絕緣外殼的貫穿性擊穿。采用輕質絕緣油的另一優點是：老煉后無需去油，既節約了能源，又提高了生產效率。

　　3.2老煉開距

　　我們分別在低于額定開距、額定開距、較大開距下進行了老煉試驗，發現電極開距對所能達到的穩定擊穿電壓有較大的影響：額定開距下進行老煉處理，比低于額定開距和較大開距下進行老煉所能達到的穩定擊穿電壓要高，其原因為：

　　(1)較大開距下進行老煉，觸頭電極間的電場強度勢必要降低，無法使觸頭間打火擊穿，火花放電作用主要在觸頭電極和屏蔽罩間進行，老煉效應進行得不完全;在較小開距下(確切的說是觸頭電極間的開距小于觸頭電極和屏蔽罩間的電氣間隙)，觸頭電極間的電場強度增強，火花放電只是在觸頭電極間進行，觸頭電極和屏蔽罩間無法火花放電，老煉效應同樣進行得不完全，穩定擊穿電壓值較低。

　　(2)額定開距下進行老煉時，觸頭電極間距離大于觸頭電極和屏蔽罩間的距離，兩電極表面的有效作用面積(即電場等于最大電場90%所對應的面積)增加。有效面積增加，使整個電極表面所能達到的老煉程度增加;同時，暴露在放電區的屏蔽罩面積也增加，這樣，不僅觸頭間火花放電，觸頭邊沿和屏蔽罩間的火花放電作用也加劇，觸頭電極、屏蔽罩表面的老煉進行得更完全，消除了觸頭和屏蔽罩表面的高發射點，使穩定擊穿電壓值提高。

　　3.3老煉升壓速度

　　在進行老煉時，從一較低的電壓開始，按一定步長逐級提高老煉電壓，使滅弧室中流過的預放電電流逐漸增加，直至發生強烈的火花放電。為防止由火花放電轉變為強烈的電弧放電而燒損觸頭，設備自身回路中串聯一定數值的限流電阻。老煉試驗過程中注意觀察工頻正弦示波圖和火花放電的電流值，隨著滅弧室內擊穿打火的頻繁發生，電壓電流波形會變得越來越不規則，原來的工頻正弦波失真，諧波增多，此時放電電流較大。當老煉一段時間后，擊穿打火現象逐漸減少，火花放電電流減小，并逐漸趨于穩定，波形恢復正常，此時已達到該電壓值下的老煉效果，可以按一定步長提高老煉電壓。老煉電壓升幅不能太快，否則發生強烈的火花放電，放電電流很大，容易造成真空滅弧室兩電極間永久性擊穿或絕緣外殼貫穿性擊穿。

　　3.4老煉電壓值及電壓穩定時間

　　老煉電壓值的確定遵循的原則是：

　　(1)選擇一較高老煉電壓值，因為提高老煉電壓值，可使穩定擊穿電壓明顯提高。

　　(2)老煉電壓是一范圍，根據不同管型的情況，實際電壓值可在一定范圍內取值。

　　(3)滅弧室擊穿比率不超過0.3%。根據實際摸索，我們確定老煉電壓規范：12kV等級110～140kV;40.5kV等級185～200kV。

　　老煉電壓值升到規范值后，電壓趨于穩定，波形漸漸正常，已基本達到老煉效果，這時可在老煉電壓值不變的情況下，穩定一段時間，穩定時間為10min，目的就是使老煉進行得更徹底。

　　4、老煉效果的驗證

　　由于國家標準對工頻耐壓和雷電沖擊耐壓有一定的要求,因而工頻耐壓和雷電沖擊耐壓是真空滅弧室生產過程中必須檢驗的項目，同時,沖擊耐壓試驗在實際生產過程中也是檢驗高壓老煉效果是否徹底的一種方法和手段。

　　在實際生產中，進行滅弧室沖擊耐壓試驗時，會出現三種不同的情況：

　　(1)老煉完成，通過沖擊耐壓試驗放置一段時間，通過沖擊耐壓試驗。

　　(2)老煉完成，通過沖擊耐壓試驗放置一段時間，未通過沖擊耐壓試驗。

　　(3)老煉完成，未通過沖擊耐壓試驗。

　　分析以上三種情況：

　　(1)真空間隙的擊穿可以由電極表面微觀突起處的強場發射引起，也可以由松散的粘附在電極表面的金屬微粒的釋放或電極表面吸附氣體層的解吸引起，所以可以將所有這些引發擊穿的因素統稱為電極表面上的“弱點”。真空滅弧室在大觸頭面積、長電極間隙條件下，擊穿應主要由金屬顆粒的釋放和吸附氣體的解吸引起。

　　在超高壓老煉過程中，放電能量足夠大時，每次放電過程中釋放的微粒和解吸氣體的量都較多，由于初始動能大，大部分可以牢固地沉積在滅弧室的金屬屏蔽罩上，不再處于活潑狀態，亦不再對間隙擊穿起主要作用，此時可認為高壓老煉效應進行得完全，老煉效果較好，所以無論是老煉剛剛完成，還是放置一段時間再進行沖擊耐壓試驗，試驗都能順利通過。

　　(2)超高壓老煉時放電能量不足，每次放電過程中釋放出的微粒和解吸氣體的量都較少，這些釋放出來的物質由于未能獲得足夠的動能，它們難以牢固地附著在金屬屏蔽罩上，而是作為一種活潑因素，暫時飛離電極間隙，所以此時進行沖擊耐壓試驗，能夠通過。但放置一段時間后，部分金屬微粒重新回到電極間或重新粘附在電極表面，形成新的突起，即出現新的“弱點”，繼續對間隙擊穿起作用，這種情況我們認為高壓老煉效應進行得不徹底，所以滅弧室放置一段時間后，沖擊耐壓試驗出現了失效現象。

　　(3)此種情況，超高壓老煉放電能量嚴重不足，放電過程中釋放出的微粒沒有足夠的動能飛離電極間隙，或它們在與對面電極發生碰撞時，未能積累起足夠的動能使自身完全熔化和蒸發。這些未完全熔化的金屬微粒重新粘附在對面電極上，形成新的突起，所以進行沖擊耐壓試驗不會通過。

　　在生產過程中，當沖擊耐壓試驗通過比較困難或出現沖擊耐壓失效現象時，一般重新進行超高壓老煉可以改善。

　　5、結論

　　通過以上的分析可以得出下面的結論：

　　(1)U系列小型化真空滅弧室優越的開斷性能及較高的弧后絕緣水平得益于先進的設計方式和新型“一次封排工藝“的采用，也與老煉工藝的改進密不可分。

　　(2)小型化真空滅弧室采用新型縱磁均布式觸頭結構，開斷能力強，在同一電流等級下，觸頭表面積減小20%以上，大電流老煉時應選擇合適的老煉規范，避免觸頭表面燒損嚴重，影響絕緣水平，尤其是影響沖擊耐壓水平。

　　(3)選擇合適的老煉開距、老煉升壓速度、老煉電壓值和電壓穩定時間，使小型化真空滅弧室老煉效應進行得更徹底，以改善觸頭和屏蔽罩的表面狀況，提高它的擊穿電壓和長期工作下的穩定性，同時也可提高其短路開斷能力和動態絕緣水平。

　　(4)滅弧室沖擊耐壓試驗通過比較困難或出現沖擊耐壓失效現象，其主要原因是老煉效應進行得不徹底。重新進行超高壓老煉，可以改善沖擊耐壓水平。