真空断路器的真空灭弧室触头

    触头是真空灭弧室内最重要的元件，真空灭弧室的开断能力和电气寿命主要由触头状况来决定。真空断路器的触头大致可分为圆盘形触头、横向磁场触头和纵向磁场触头等几种。

    1．圆盘形触头

    早期的真空断路器大都采用圆盘形触头。圆盘形非磁吹触头的圆形端面可作为电接触和燃弧的表面，真空电弧在触头间燃烧时不受磁场的作用。其结构简单，机械强度好，易加工，但开断电流较小，对于电流较大的聚集型电弧难以开断，常用于对开断电流要求不高的真空接触器和真空负荷开关中。

    2．横向磁场触头

   20世纪50年代末，横向磁场触头的出现使真空断路器的开断能力有了较大提高。横向磁场与弧柱轴线相垂直，它与电弧电流产生的电磁力使电弧在电极表面沿圆周方向运动，防止电弧长时间停留在某一点上引起温度过高，可以延缓阳极斑点的产生，提高真空断路器的开断性能。横向磁场触头包括螺旋槽触头和杯状触头两种。

   (1)螺旋槽触头。图2-14所示为螺旋槽触头。在触头圆盘的中部有一突起的圆环，圆盘上开有螺旋槽，用以限定电流的流向。动、静触头的结构基本一样，但螺旋槽的螺旋方向相反。当触头在闭合位置时，只有中部的圆环部分接触。触头分离时，在圆环上产生电弧。如果电流较小，真空电弧为扩散型，则此电弧将分成许多支弧，均匀分布在圆环的接触面上。如果电流较大，真空电弧为聚集型，由于电弧电流流过触头的圆环形突起部位时，电流的路径发生曲折，电流产生的与弧柱垂直的横向磁场使电弧离开接触圆环，向触头的外缘运动，把电弧推向开有螺旋槽的触头表面，触头上的电流就会受到螺旋槽的限制，只能按规定的路径流通。这时垂直于触头表面的弧柱就受到一个作用力F，它的径向分量F′使电弧朝触头外缘运动，而切向分量F″使电弧在触头外缘上沿圆周方向旋转，电弧产生的热量均匀分散在触头表面的较大范围内，避免了触头局部过热造成烧损，降低了阳极斑点的温度和冷却时间常数，促使聚集型电弧在过零前提前向扩散型转换，提高了开断能力。

    图2-14    螺旋槽触头结构示意图

   (2)杯状触头。杯状触头杯壁的端面用抗熔焊材料制成，杯体一般采用铜铬合金，在经高温焊接和烘烤后仍有良好的弹性。杯状触头的结构如图2-15所示。触头形状似一个圆形厚壁杯子，触头的支持杆固定在杯的底部，杯壁上开有很多斜槽，两个触头闭合时，电流按照斜槽一电极的特定路径流动。当触头分离产生电弧时，沿斜槽方向流动的电流产生横向驱动磁场，驱使真空电弧（不管是扩散型还是聚集型）在杯壁的端面上高速运动，其吹弧效果比螺旋槽触头更好。因此，在相同触头直径下，杯状触头的开断能力比螺旋槽触头要大，电弧电压比螺旋槽触头的低，电磨损比较小，电气寿命较长。

    3．纵向磁场触头

   20世纪70年代，纵向磁场触头的出现使真空断路器的开断电流得到进一步提高，同时也减小了真空灭弧室的体积。图2-16所示为纵向磁场触头结构形式的一种，它由触头、线圈和导电杆等部分组成，其动、静触头的结构一样。线圈被制成了特殊的轮状，轮缘被分割成四段，中心部分与导电杆固定，轮缘上的突起部分与触头固定。导电杆中的电流先分成四路流过线圈的径向导体，进入线圈的圆周部分，然后流入触头。开断电流时，流过线圈的电流在弧区产生一个沿弧柱轴线方向的纵向磁场，电弧中的离子束因其磁场与纵向磁场的磁力线相斥而发生分散，使电弧变为扩散状，防止电流在阳极表面聚集形成阳极斑点，并使触头表面受热均匀，避免局部过热，减小触头烧损，从而提高触头的开断能力和电气寿命。由于具有纵向磁场触头的真空灭弧室开断容量大、电弧压降低、体积小、造价低，因而越来越受青睐。

    图2-15    杯状触头结构示意图

    图2-16    纵向磁场触头结构示意图

   1-触头；2-电极；3-线圈；4-导电杆

    触头多次开断电流后会磨损烧蚀，称为电磨损，这将造成触头厚度减小，波纹管行程变大，对灭弧性能有不良影响。制造厂对真空灭弧室触头的电磨损值有明确规定，当其值达到规定磨损值时，灭弧室将不能继续使用。

    由于真空电弧是由触头材料蒸发出的金属蒸气维持的，所以触头材料是影响灭弧室开断能力、介质恢复强度、寿命和操作过电压等特性的重要因素。真空断路器不但要求触头材料导电率高，开断能力大，耐压水平高，抗熔焊性能好，截流水平低，耐电磨损，而且要求含气量低，在开断电流时释放出的气体应非常少，不会降低灭弧室内的真空度。

    采用钨和钼等难熔金属作触头材料，可以获得良好的耐压强度和抗熔焊性，燃弧时侵蚀小，触头使用寿命长，在加工时可采用高温除气处理，使材料中含气较少，灭弧时金属蒸气在冷凝前还有吸附气体的作用。但在开断大电流时，由于钨和钼等材料的熔点很高，电弧将钨和钼触头加热到一定高温时，它将具有很强的热电子发射能力，电弧将难以熄灭，使真空断路器失去分断电流的能力，从而限制了开断电流的提高。而且，钨和钼等材料的触头在分断电流时有较大的截流水平，因此在分断电感性电路时将会产生很高的过电压。为了尽可能保持难熔金属作真空断路器触头材料的优点，同时克服其截流值大、开断性能差的缺点，出现了以钨或钼为主，并在其中加入少量的铜、铋或其他合金的触头材料。

    采用易熔纯金属作触头材料，虽然分断大电流能力强，并具有较好的耐电压性能，截流水平低，但其抗熔焊性能和耐弧性能不好，难以单独在真空断路器中使用。随着合金材料技术研究的不断进步，出现了多种比较理想的合金触头材料。目前我国用于真空断路器的易熔金属合金触头材料多为铜铬合金(Cu-Cr)。铜铬合金触头介质强度高，开断电流大，截流水平低，耐电弧烧蚀能力非常好，冷凝后的触头表面很光滑，弧后重燃概率低，而且铬在冷凝时具有吸气作用，能够吸收灭弧室内其他材料释放的气体，有利于维持灭弧室的高真空度，其缺点是抗熔焊性能稍差。铜铬合金材料适宜用在高电压、大开断电流的真空断路器中。要进一步提高铜铬合金的开断性能并降低铬的含量，可在铜铬合金中加入高熔点的金属或化合物组成三元合金材料。为改善铜铬合金的抗熔焊性能还可在铜铬中加入Bi、Te等低熔点金属。除了铜铬合金，近年来还出现了铜钽合金(Cu- Ta)触头材料，性能更加优越。