真空開關(guān)的機(jī)械特性對電氣性能影響最大的是分閘運(yùn)動(dòng)特性，本文就拿它說事。真空開關(guān)的分閘運(yùn)動(dòng)特性都是以“分閘速度”來表述的。我國第一代真空開關(guān)（70年代至80年代初）的分閘速度是以全程的平均速度來定義。第二代（80年代中期至今）改為前半程的平均值，即初始6mm的平均數(shù)。這一變動(dòng)有其積極意義，開始有了初分速度的味道，但問題還沒有完全解決。在上世紀(jì)九十年代中期少油改真空的過程中有一現(xiàn)象引起人們的注意：那種模仿少油開關(guān)結(jié)構(gòu)的分體式真空開關(guān)在開斷試驗(yàn)中，失敗率明顯高出其它真空開關(guān)許多。什么道理呢?分閘速度同樣是初始半程1.2±0.2m/s。當(dāng)我們分析機(jī)構(gòu)的分閘彈簧力時(shí)就發(fā)現(xiàn)問題所在。當(dāng)時(shí)10kV的真空開關(guān)分閘速度都基本相同，但分閘彈簧力相差甚巨。ZN12為1100N，ZN65為900N，而該分體式為1800N，高出同類開關(guān)許多。這說明后者的“等效質(zhì)量”（折算到動(dòng)導(dǎo)電桿上其它可動(dòng)連桿的質(zhì)量）大大高出前者，盡管6mm的平均速度相等，但起步速度卻很慢。這種起步速度完全不利于首開相開斷的條件。因此我們認(rèn)為現(xiàn)在的分閘速度定義不夠準(zhǔn)確，滿足它并不能保證其電氣性能。6mm對首開相開斷太遠(yuǎn)，而對后開相開斷又太近。因此有必要對真空開關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)的定義，要做到這一點(diǎn)就有必要對真空電弧，尤其是它的動(dòng)態(tài)特性有初步的了解。
我們在研究真空開關(guān)時(shí)都或多或少受傳統(tǒng)斷路器概念的影響，尤其是電弧特性。搞清楚兩者區(qū)別是相當(dāng)重要的。真空電弧和大氣電弧有兩大差別：其一，大氣電弧的介質(zhì)是絕緣體，電離后才成為導(dǎo)體。真空開關(guān)的介質(zhì)是金屬蒸汽，不論它是原子狀態(tài)還是離子狀態(tài)，它都不是絕緣體。因此，前者開斷成功依賴離子的復(fù)合;而后者只能靠金屬蒸汽的擴(kuò)散。當(dāng)金屬蒸汽密度在電流過零瞬間衰減到金屬粒子碰撞自由行程大于滅弧開距(λ>Ti0)時(shí)，斷口的絕緣強(qiáng)度就建立起來了。(這就是真空間隙絕緣性能的基本屬性)。其二，大氣電弧的介質(zhì)氣體分子是客觀存在，微觀上作無序的熱運(yùn)動(dòng)(布朗運(yùn)動(dòng))，宏觀上是靜止的，且均勻分布。而真空電弧介質(zhì)原先并不存在，它的產(chǎn)生是陰極斑點(diǎn)蒸發(fā)金屬蒸汽的結(jié)果。它一旦生成，在真空狀態(tài)下形成壓力差，便具備了巨大勢能并呈錐體形狀快速擴(kuò)散。此時(shí)的金屬蒸汽密度分布梯度極大，在陰極斑點(diǎn)錐體尖端，金屬蒸汽密度大的區(qū)域才有可能發(fā)生碰撞游離(陰極等離子區(qū))。在電弧大部分區(qū)域碰撞游離基本不會(huì)發(fā)生。我們稱它為“擴(kuò)散型”電弧。它的各種物理屬性示意圖見圖1。
圖1a擴(kuò)散型電弧示意圖
圖1b擴(kuò)散型電弧金屬蒸汽密度分布圖。N為密度，λ為自由程，X為開距。
圖1c擴(kuò)散型電弧伏-安特性
線性的伏安特性賦予了它可以并聯(lián)存在的特性（對觸頭的燒損甚微），又由于它大部分空間λ>T，因此電流過零成功開斷的必要條件就一定是：在電流過零前電弧一定為擴(kuò)散型。滿足λ>Ti0不等式。
有了對真空電弧的初步了解，斷路器分閘運(yùn)動(dòng)特性如何設(shè)置就可以議論一番了。既然是開斷三相交流電，又是過零開斷。就必定會(huì)有首開相和后開相（中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)），見圖2。
首開相開斷和后開相要求的滅弧環(huán)境是各不相同的，我們必須營造不同的環(huán)境來滿足它們的各自需要。首開相開斷即有有利條件也有不利條件。有利的是:電流正處于下降階段，它開斷的實(shí)際電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定值(見圖2)。不利的是:首開相的恢復(fù)電壓高(1.5倍相電壓).再是此刻觸頭剛剛分離，窄小空間金屬蒸汽必定密度大而梯度小，電弧呈高氣壓，如同大氣電弧，對觸頭燒損嚴(yán)重，此刻任何延誤都會(huì)使開斷失敗。要想將金屬蒸汽電弧由高氣壓快速衰減為低氣壓的最有效措施就是提高初分速度(0～2mm的速度)，擴(kuò)大金屬蒸汽存在的空間(密度與體積成反比)，擴(kuò)大金屬蒸汽向四周擴(kuò)散的通道。因此，真空斷路器的設(shè)計(jì)務(wù)必減小等效質(zhì)量(ZN65就將觸頭壓簧及其相關(guān)部件從分閘運(yùn)動(dòng)中剝離出來)，減少分閘彈簧力的傳遞環(huán)節(jié)，當(dāng)然最理想的是學(xué)習(xí)非真空斷路器做到V0>0。
圖2
首開相成功開斷后就輪到后開相開斷了。它的有利條件是：由于中性點(diǎn)不接地，一相電流開斷后，其他兩相電流成為一個(gè)回路，一個(gè)斷口電弧熄滅，另一斷口電流自然也就終止。此刻每個(gè)斷口的恢復(fù)電壓為線電壓的一半(0.866的相電壓)，比1.5倍相電壓的首開相恢復(fù)電壓低多了。而且兩個(gè)真空間隙的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二倍長度間隙的單斷口。不利條件是：后開相燃弧時(shí)間要比首開相多5ms，觸頭燒損自然嚴(yán)重一些。還有一不利條件：當(dāng)首開相燃弧時(shí)間為4-6ms時(shí)(發(fā)生概率很高)，后開相滅弧將為9-11ms，這樣一來后開相滅弧區(qū)便進(jìn)入了分閘到底的機(jī)械震動(dòng)區(qū)，滅弧環(huán)境極為惡劣。
分析了后開相開斷的有利和不利條件后，真空開關(guān)的分閘運(yùn)動(dòng)特性第二階段設(shè)置就有理論根據(jù)了。為了營造后開相滅弧的有利環(huán)境，在首開相開斷后應(yīng)將分閘速度大幅度降下來，最理想的是在中途(5-6mm)熄弧。理由有：其一，后開相比首開相多跑5ms，實(shí)無快的必要。其二，成功開斷的必要條件為λ>Ti0，Ti0短一些不等式更易成立。其三，短開距滅弧在開斷小感性電流時(shí)可降低截流值。試驗(yàn)證明后開相的截流值為首開相的4.5倍。道理很簡單：同樣數(shù)量的金屬蒸汽，小空間要比大空間的密度大，等效在觸頭材料中加了低熔點(diǎn)金屬又不影響開斷大電流的能力。其四，滅弧環(huán)境力求平靜，應(yīng)在勻速或近似勻速運(yùn)動(dòng)中來完成。至此電弧全熄滅了，但整個(gè)開斷過程還沒有結(jié)束，動(dòng)導(dǎo)電桿還在運(yùn)動(dòng)，此刻開關(guān)設(shè)計(jì)師對機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性處理不當(dāng)（目前大都處理不理想），仍將留下開斷失敗的隱患。因此，開斷的第三階段分閘速度應(yīng)更近一步降下來，達(dá)到兩個(gè)目的：（1）減弱機(jī)械震動(dòng)強(qiáng)度。（2）將機(jī)械震動(dòng)區(qū)遠(yuǎn)離后開相滅弧區(qū)。這一重要指標(biāo)往往被人忽視而使開斷出現(xiàn)麻煩。
世上所有的斷路器都是通過其機(jī)械特性來獲得電氣性能，真空開關(guān)自然不能例外。更由于它有別于傳統(tǒng)斷路器的一些特性:開距小，觸頭運(yùn)動(dòng)回旋余地少，絕緣強(qiáng)度高，對電場極為敏感，高低氣壓電弧的相互轉(zhuǎn)變，電弧伏安特性的不確定性等，因此它的機(jī)械特性設(shè)置就更為細(xì)膩，更為重要。不夸張的說，真空開關(guān)分閘過程每一毫米都有學(xué)問。因此要求設(shè)計(jì)師們必須對真空斷路器在開斷過程中機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電弧運(yùn)動(dòng)，熱運(yùn)動(dòng)之間微觀世界關(guān)系有一初步認(rèn)識(shí)，從而盡可能將表面上似乎對立的東西：開斷大電流和小電流；開斷電感電流和電容電流;高氣壓電弧和低氣壓電??；過零開不斷(失敗)和沒過零就開斷(截流)；分閘運(yùn)動(dòng)的快和慢;動(dòng)和靜等辯證的統(tǒng)一起來，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異自主創(chuàng)新的新一代真空斷路器。
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