真空灭弧室小型化电极设计的初步探讨
真空灭弧室的小型化依赖于电极在小型化方面的进步。本文立足于目前主流参数最小直径尺寸，设计横磁和纵磁各两种电极进行实验论证，并提出进一步的改进研究方案。
真空灭弧室的小型化依赖于电极的小型化，灭弧室直径的缩小将会直接影响产品的开断能力、通流能力以及绝缘性能，不利于产品的性能的提高，而且过小的产品尺寸还会导致制造成本的增加。作为使用于小型化高参数结构中的电极，除了应具有小的体积外，还应具备如下两个主要特点：①具有较强的短路电流开断和多次开断能力，且性能稳定;②具有很好的导流能力，同时还具有诸如易加工、易装配、焊接后不变形、成本低等特性。
12kV下开断31.5kA是目前通用性最强的真空灭弧室电气参数，各灭弧室制造厂采用的尺寸较小的是直径58mm的灭弧室，有单级纵磁场和两级纵磁场两种。前者的优点是磁场均匀，具有稳定开断31.5kA 的能力，缺点是导流能力不是很好，而且触头座的加工性能较差，零件成本高，与常规的大电极相比并没有达到小型化后降低成本的作用，而且触头座无法实现与导电杆的整体成型。后者的优点是电阻小，灭弧室的温升特性较好，缺点是磁场分布很不均匀，强磁场的区域很小，使得短路电流开断稳定性较差。
本文针对真空灭弧室小型化的需要，设计不同的电极结构，分析其磁场分布，并通过实验对其性能进行初步的研究分析。
1、实验电极结构及其磁场分析
实验中灭弧室直径为58mm，设计了两种电极结构对比分析其性能。一种是高度为18mm 的杯状横磁电极结构，另一种是高度为22mm的杯状纵磁电极结构。
采用杯状横磁的主要原因是这种电极的电阻值很小，而且与螺旋槽横磁结构相比触头表面有效利用面积大且更易加工。比较80年代产品与现在产品的横磁电极的差别，可以发现开断31.5kA电流的电极直径从最初的76mm缩小到现在的55mm，不变的是开槽数都是16个以及开槽沿轴向的分量尺寸都是12.5mm。分析认为16个槽数是保证所谓“半集聚弧”减少触头面烧损的重要因素，而轴向的分量尺寸12.5mm 则为了保证提供足够的横向磁场。最终确定实验的电极结构参数为16槽，开槽切入角35°，沿轴向的分量尺寸为14mm。针对杯状横磁电极在承受压力后会变形从而影响其使用这一缺陷，在环型触头内孔中设置了支撑环，真空技术网（http://www.chvacuum.com/）认为该零件的引入不但彻底增强了该电极的强度，使上述轴向的分量尺寸14mm甚至更高成为可能，并且实现了触头焊接的自定位。
实验中的纵磁电极是杯状四槽结构，开槽切入角22°，旋转角123°，通过铣去开槽触指30°来达到延长转角的目的。对于四槽结构触头边缘磁场较弱的缺陷，用铁质的聚磁环来加强。采用Ansoft.Maxwell电磁场仿真分析工具，对采用加长电流路径和边缘磁场加强后的电极进行了磁场分析，结果如图1所示。不同电流路径得到不同的磁场分布曲线分布，显然仅是磁场数值有变化，分布方式并没有变化。磁场边缘加强后电极的磁场分析结果如图中曲线6所示，呈现出边缘高中间低的磁场分布。这种磁场有助于提高短路开断能力，提升电弧分断后绝缘的恢复速率，从而达到减小电极尺寸，实现真空灭弧室小型化的目的。
图1 轴向磁场在电极中心平面的分布
2、实验方法及结果分析
2.1、实验方法
对实验的两种电极装管后，进行回路电阻和开断能力测试，开断能力测试在如图2所示的大功率电流合成回路实验线路上进行。考虑到所用实验回路与国家实验站的具体实验回路存在几方面差别，如额定开距下电弧点燃、燃弧时间固定为10ms，合闸不带电也没有触头压力，试验中选择同参数的市售灭弧室(代号A)作为对比依据。选择该灭弧室主要是因为其电极经过较多的验证，表明具有可靠开断31.5kA 短路电流的能力，且开断能力裕量不是很大。具体实验方式从22kA开始逐步测试开断能力的上限值，然后解剖观察内部的烧损情况，确定电极多次开断的可靠性。
图2 大功率合成回路实验线路
2.2、实验结果及分析
实验测试结果如表1所示。
表1 实验测试结果
由表1可以看出，横磁结构电极电阻较优良，也具有足够的开断能力，主要存在两个问题：①如果出现偏烧，其开断能力就会下降。②对触头的烧损相对较重，尤其是对屏蔽筒的烧损非常严重，这将严重影响弧后绝缘，并难以保证多次开断。而纵磁结构电极的控弧能力较强，对触头的烧损较轻微，屏蔽筒上仅仅存在轻微喷溅，能够保证足够的开断次数，同样也存在两个问题：电阻值较高，难以适应大电流的需求;开断能力相对较弱。
分析认为偏烧主要是因为实验管导向较差而且实验安装机构又没有任何导向装置，导致触头合闸时存在错位与夹角，开断极限结果表现不稳定也主要由此引起，如果在标准断路器上试验将有助于消除这种不稳定。实验中采用的是CuCr30触头材料，对于横磁结构来讲其抗电弧烧损的能力不够。另外，合成回路实验室每一次开断实验的燃弧时间均为10ms，对触头的烧损要远远高于国家实验站，对于横磁结构的电极来讲更为不利。纵磁结构电极开断能力偏弱反映出电极直径过小，同时四槽结构的纵磁场在触头表面分布不均匀也是一个原因。
3、结论
从实验结果来看，两种电极都有待继续改进。对于横磁结构，可以将触头材料更换为更耐烧损的CuCr50材质，增强横磁分量，并放大电极与屏蔽筒的距离。我们有充分的理由相信，这种改进的杯状横磁电极完全可以适合12kV、31.5kA 及以下参数等级的场合，它将会带来纵磁电极不具有的优点，即低阻值、低成本。采用横磁电极后，灭弧室整管电阻必将降低，这也将促进灭弧室应用领域的推广，比如更有利于额定电流增容、更加适用于固封极柱等对电阻有严格的要求的场合。
对于纵磁结构，则计划将四槽改为六槽形式，仍采用铣去部分开槽触指来延长旋转角的方式，保证足够的纵向磁场，对于电阻问题则可考虑增加触头托来改变电流路径，并采取一定措施保证得到一个良好的电极接触面，将电阻控制在较低的水平。
