真空管的结构及灭弧原理

        真空管因其开断容量大、开断能力强、开断电弧小等优点,广泛应用于配电断路器、大负荷启动开关、磁力启动器等控制设备中。真空管是用高真空作绝缘介质,真空具有很高的绝缘强度,真空管的动、静触头是在密封的真空腔内完成电路的分、合。触头切断电流时,仅有金属蒸汽离子形成的电弧,不存在气体碰撞游离现象。因金属蒸汽离子的扩散及再复合过程非常迅速,从而能快速灭弧和恢复原来的真空度,可经受多次分、合闸而不降低开断能力。其主要特点有:

      (1) 结构紧凑、体积小、重量轻;

      (2) 触头开距小,作速度快,分、合闸所需操作功率小;

      (3) 开断容量大、触头寿命长、允许开断次数多,特别适用于频繁操作;

      (4) 不产生高压气体及有害气体、无火灾及爆炸危险、噪音小,不污染环境。

        真空管作为控制电气设备的重要器件,虽具有各种优点,但其真空度的高低,动、静触头行程大小,以及运行中维护都将会直接影响到真空管的使用寿命和所控电气设备的安全运行。因而真空管的真空度检测,动、静触头的开距调整及运行中维护显得至关重要。

         如果控制开关的三相真空管动、静触头间的间隙误差较大,真空管吸合后,三相真空管动、静触头之间的接触电阻就不一样,这样通过三相的电流也就有差别。如果被控设备为感性负荷,那么则会在三相线圈之间形成一个不小的内部环流,这个环流长时间存在,将导致电气设备温升超过额定值,最后甚至烧毁电气设备。同样,如果三相真空管的真空度不一样,真空度稍低的那一相吸合后,因为该相内外气压不一样,使动触头和静触头接触不实,接触电阻增大,造成触头发热,甚至刺刺冒火。长时间运行将烧毁触头,最后烧毁真空管。如果某一相真空管的真空度与其他两相差别较大,那后果会更严重,真空管吸合后,动触头和静触头之间将出现电弧闪络现象,很短时间内就能烧毁触头,烧毁真空管,使负荷出现缺相运行,并在很短时间内就能烧毁电气设备,甚至引起更大的电气故障。

图1 　真空管结构图

1、动触杆; 2、波纹管; 3、绝缘外壳; 4、动触头; 5、金属屏蔽罩; 6、静触头 7、静触杆

图2 　真空管开关结构图

1、拉杆; 2、真空管; 3、电磁衔铁;4、复位弹簧;5、顶杆螺丝

          目前使用的真空管大致可分为断路器用真空管、负荷开关用真空、接触器用真空管。但其结构基本上都是由绝缘外壳,金属屏蔽罩、波纹管、动静触头、动静触杆以及其他零部件组成,如图1 所示。绝缘外壳有玻璃外壳和陶瓷外壳两种。通常情况下,对于单个真空管,由于管内外气压差的原因,动静触头处于闭合状态,装进开关后由开关机构上的顶杆螺丝把动、静触头分开,如图2 所示。线圈通电后,电磁衔铁将拉杆向下拉,带动触头吸合,完成开关吸合动作。线圈断电后,拉杆在复位弹簧的作用下,恢复原始状态,使动、静触头分开,完成开关断开动作。

灭弧原理

        在真空管动、静触头分断瞬间,由于两触头间的电容存在,使触头间绝缘击穿,产生金属蒸汽,形成真空电弧。由于真空中弧柱的带电质点的密度和温度比周围介质高得多,使得真空电弧柱迅速向弧柱外的真空区域扩散,形成很强的扩散电流。当被分断的电流接近零时,触头间电弧的温度和压力急剧下降,使电弧不能继续维持而迅速可靠的熄灭。电弧熄灭后几微秒内,两触头间的真空耐压水平迅速恢复,其恢复速度可达20kV/μs。同时,触头间也达到了一定距离,能承受很高的恢复电压,分断电流过零后,不会发生电弧重燃现象。