為了實現(xiàn)對真空開關電弧伏安特性的測量，設計了真空開關電弧試驗裝置。首先建立了一個可拆式真空滅弧室以及其基于陰極的觸發(fā)電路， 并結合真空短間隙進行了電弧點燃試驗以及真空電弧電壓和電流的采集，驗證了真空電弧正伏安特性。結果表明，利用所設計的系統(tǒng)能夠很好地觸發(fā)真空間隙，并能準確地測量真空開關電弧的伏安特性，能為真空相位開關的研究提供有利的條件。

　　引言

　　真空開關之所以能迅速發(fā)展， 是由于其自身有許多優(yōu)點。作為電力系統(tǒng)中的一種新型開關電器，它以高真空作為滅弧介質和絕緣介質， 觸頭與滅弧系統(tǒng)簡單，具有使用壽命長、檢修間隔時間長、易于維護、適合頻繁操作、體積小、重量輕等特點，在中壓領域占了統(tǒng)治地位。近年來，隨著國內外對真空滅弧室研究的不斷深入，真空開關在高壓領域和低壓領域也得到了不斷的滲透。

　　同時電力系統(tǒng)對真空開關越來越高的可靠性要求及自動化程度，促使真空開關的智能化程度越來越高。目前一種新的智能化開關就是相控開關。相控開關技術也稱同步開關技術，最早提出于20 世紀70 年代。進人20 世紀90 年代中期后，相控開關迅速走向實用化并取得了令人滿意的效果，目前已成為智能化電器的研究熱點之一。它是通過檢測系統(tǒng)相位，實現(xiàn)在零電壓下關合、在零電流下分斷。短間隙真空電弧是相控真空開關的特點之一， 這就要求對短間隙的真空電弧的特性作進一步的分析研究，該論文就是以短間隙真空開關電弧作為研究對象。為了研究短間隙真空電弧，該工作首先設計建立了一個可拆式真空滅弧室。滅弧室的陽極直接經瓷套固定在上端蓋上，陰極經波紋管與瓷套相連，其上下位置可調，能夠方便地對間隙的開距進行調節(jié)和更換電弧觸頭�？刹鹦墩婵諟缁∈沂褂秒p級抽氣系統(tǒng)，能使系統(tǒng)始終保持在高真空狀態(tài)；陽極陰極均采用目前最常用的杯狀縱磁電弧觸頭。真空電弧由高壓脈沖產生，觸發(fā)電極安裝在陰極觸頭，觸發(fā)電路可提供高電壓和較大的續(xù)流電流， 保證電弧的可靠引燃。使用分流器采集電弧電流，和示波器采集到的電弧電壓結合，可得到真空電弧的正伏安特性；對觸發(fā)極產生的高電壓進行采集， 可以得到定開距的耐受擊穿電壓。

1、真空室設計

　　文章所使用的真空間隙，其結構簡圖見圖1。它主要包括絕緣外殼(陶瓷或玻璃材料)、金屬屏蔽罩、一對開距為d 的主電極(陽極、陰極)；另外還有一個觸發(fā)電極，外接觸發(fā)裝置， 管內真空度通常維持在1×10-4 Pa 以上。絕緣外殼一方面保證內部真空度，同時起絕緣和支撐作用； 金屬屏蔽罩一方面可以調整真空間隙內部的電場分布， 還可防止燃弧時產生的金屬蒸氣沉積在絕緣殼體的內表面，使殼體內表面的閃絡強度降低；主電極傳導大電流，其結構設計對真空間隙的性能有重要的影響； 觸發(fā)電極提供初始等離子體。為得到不同開距的真空間隙，該實驗采用一個直徑為30 cm、高約為29 cm 的不銹鋼的真空室，該間隙能夠在較大范圍內調節(jié)開距，能夠對不同開距下的真空間隙特性進行研究。真空間隙內的兩個電極觸頭采用高導電的銅合金材料，下面為觸頭陰極，經波紋管與瓷套相連，固定在導電桿上，其上下位置可調，以滿足不同間隙開距的要求。

圖1 真空間隙結構圖

　　真空間隙工作過程包括3 個主要階段，即觸發(fā)階段、主間隙導通燃弧階段和弧后介質恢復到靜態(tài)絕緣階段的恢復階段。觸發(fā)階段為主間隙提供初始等離子體，初始等離子體擴散進入主間隙，在主間隙電場的作用下，帶電粒子首先引發(fā)輝光放電，隨著電流密度的迅速增加，輝光放電轉變?yōu)榛」夥烹�，建立起金屬蒸氣電弧，主間隙導通。當主間隙放電電流過零時，由于真空介質恢復的能力，電弧熄滅。

2、主回路的設計

　　真空電弧可采用多種方式引燃。第1 種是當觸頭分離產生電弧的電流引燃；第2 種是在已分離的觸頭上設置一個輔助電極，通過輔助電極產生一個脈沖電流引燃真空電弧；第3 種是在已分離的觸頭上連接一根熔絲，當電流通過熔絲時，熔絲被熔斷而產生電弧引燃真空電弧。在實際真空開關中，真空電弧的引燃是在觸頭分離過程中產生的。

　　上面電弧產生的3 種方式，對第1 種而言，需要觸頭的不斷運動，對電弧觸頭的損害較大，減少觸頭的使用壽命，需要不斷更換觸頭。如果使用可拆卸滅弧室，可以解決這個問題，但由于觸頭的不斷運動，此滅弧室的真空度難以保證，不過此種方式的研究與實際過程中的情況最接近。對第3 種方式，由于熔絲為一次性的，需要不斷地更換熔絲，相對比較麻煩；另外由于熔絲燃燒后的殘余物會留在觸頭上，對真空的絕緣擊穿會有很大的影響，不利于對真空電弧特性的研究，所以文章選擇第2 種方式。這種方式其輔助觸發(fā)電極可以多次使用，觸頭不必移動，對真空度的保持很有利，是一種研究真空電弧特性的一種較為理想的方式。

　　整個測試系統(tǒng)分別由真空系統(tǒng)、主回路、光學系統(tǒng)、電流和電壓測試裝置、以及電弧動態(tài)圖像數(shù)據采集系統(tǒng)構成，其主回路分布見圖2。

圖2 測試系統(tǒng)線路圖

　　由于實驗過程中需要經常更換觸頭，并且需要有觀測窗進行圖像觀測，而這在真空開關上是無法實現(xiàn)的，因此實驗采用可拆式滅弧室，以方便地更換不同型式觸頭進行實驗。實驗采用一個直徑為30 cm、高約為29 cm 的不銹鋼的真空室，使用此真空室能夠在較大范圍內調節(jié)開距， 能夠對不同開距下的真空電弧特性進行研究。滅弧室內的兩個電極觸頭采用高導電的銅合金材料，下面為觸頭陰極，經波紋管與瓷套相連，固定在導電桿上，其上下位置可調，以滿足不同間隙開距的要求。陰極上的觸發(fā)極直接接在可拆式滅弧室上的絕緣接線柱上，此接線柱上有5 個相互絕緣的接線端，分別可以與外面的點火電極、探針等相連；陽極觸頭經瓷套直接固定在可拆式滅弧室上端蓋上。滅弧室側面上有兩個方向互成直角的觀察窗可以對真空電弧的形態(tài)直接進行觀測，在絕緣接線柱的旁邊安裝著真空計量裝置的傳感器，可以始終對滅弧室的真空狀態(tài)進行檢測。

3、結語

　　目前國內外專家學者們在真空開關領域已經投入了大量的研究工作，一方面致力于真空開關操動機構的開發(fā)研究，另一方面致力于真空滅弧室的開發(fā)設計。真空滅弧室是真空開關的心臟，而真空開關電弧理論研究是真空滅弧室設計的主要理論依據，故真空開關電弧的研究是高壓電器行業(yè)的前沿課題，也是一個系統(tǒng)而且復雜的理論工作，涉及很多學科。文中主要針對真空電弧的宏觀特性，即真空開關電弧的伏安特性進行了采集。相信通過對真空開關電弧相關特性研究的深入，在此研究領域里取得更多的進展和突破，最終為真空開關滅弧室設計服務。