矿用真空开关

适合煤矿环境和工况条件，触头在高真空 (气压为 10-2～10-5Pa)容器内闭合和断开的开关设备。主要用 于660V至10kV的煤矿井下供电系统中作配电和控制开关，特别适用于有爆炸危险的场所，负载繁重又需经常起动、点动和堵转的电动机的控制开关。

简史1893年美国的里顿豪斯提出了结构简单的真空灭弧室并获得了设计专利，1920年瑞典佛加公司制造出世界上第一台真空开关。以后的年代里主要进行了真空电弧的理论和实验研究。由于真空技术和真空材料的突破，50年代美国才制成第一批适用于切 断电容器组等特殊要求的真空开关，分断电流为4kA。1961年美国通用电气公司开始生产15kV，分断电流 为12.5kA的真空断路器。1966年试制成15kV、26kA 和31.5kA的真空断路器，从而使真空断路器进入高 电压、大容量的电力系统。80年代中期真空断路器的 分断能力已达100kA。英国于1965年研制成世界上第 一台采用镶嵌式触头结构的真空接触器，并在1968年 开始推广到煤矿井下使用。由于它优异的性能特别适 合井下使用，矿用真空开关发展很快，德、日、美、波 兰、前苏联、加拿大、印度、澳大利亚等先后批量生产 各种矿用真空开关。

中国从1958年开始研制真空开关。矿用真空开关 的研制始于1977年，80年代得到全面发展，较好地满 足了中国煤矿井下供电电压等级的不断提高(380V→ 660V→1140V→3300V和6kV→10kV)以及电气设备 的更新换代。

结构矿用真空开关与普通的开关设备一样，也 是由操动机构，导电回路及灭弧系统等组成，但它的主 触头置于如图1所示的真空灭弧室，又称真空开关管 内。真空灭弧室内部保持10～10Pa的高真空。3个真空灭弧室 就成为矿用真空开关结构上最显明的特点，并决定了 它的性能。真空灭弧室的外壳5是用玻璃、陶瓷或微晶 玻璃等绝缘材料制造的。两端焊着金属盖板2和6，静 导电杆9穿过静端盖板6的中心。静触头10焊在静导 电杆的端头。动导电杆12的端头焊着动触头11。动导 电杆和拉杆1焊成一体，通过波纹管13和动端盖板的 中心孔伸出真空灭弧室外。波纹管的一个端口与动导 电杆焊在一起，另一个端口与动端盖板焊在一起。波纹 管是可伸缩的元件，因此动导电杆藉助波纹管的伸缩 性可沿真空灭弧室的轴运动，而外部的气体却不会进 入真空灭弧室内部，这样就可在完全密封的条件下从 外部操动主触头的合、分，达到接通和开断电流的目 的。触头周围装有屏蔽罩4，用以吸收分、合电流时真 空电弧生成的金属蒸汽等，防止污染绝缘外壳。7为真 空灭弧室抽真空时的排气管，8为保护帽，均系抽真空 工艺所需。1

工作原理真空开关的触头在真空中接通和分断 电流时周围的介质是真空。实际上是高度稀薄的空气， 所以在触头间形成了真空电弧。真空电弧靠触头材料 所生成的金属蒸气来维持。由于周围气体压力低，电弧 等离子体中的电子、离子或金属粒子具有强烈的扩散 作用，因此真空电弧很容易被熄灭，并且触头间隙的介 质强度恢复速度很高。真空电弧有扩散型和集聚型两 种基本形态。扩散型真空电弧通常在数千安培以下的 电流范围内产生，它没有显著的阳极位降区，而阴极斑 点不断向四周迅速扩散。集聚型真空电弧在电流超过 某个数值(一般在10kA以上)时产生，阴极上所有斑 点相互吸引而集聚在一起，其运动变得很缓慢，并出现 阳极斑点和位降区。

扩散型交流真空电弧一般在第一次电弧电流过零 时就熄灭，这是因为扩散型电弧在电流过零后，触头不 会再产生新的阴极斑点，间隙的介质强度恢复很快。当 触头距离足够大时，不会发生电弧重燃现象。集聚型真 空电弧由于阳极斑点的形成，阴极和阳极表面都有较 大面积和一定深度的熔融区，电极的熔融区在一定时 间内仍向弧柱提供大量的金属蒸气，使得在恢复电压 上升过程中，弧区内仍是一个充满金属蒸气的间隙，不 可避免会发生间隙的击穿而使电弧重燃。为此，设计要 求分断较大电流的真空开关时要采取措施，使在被分 断电流范围内始终保持扩散型真空电弧，从而使真空 电弧在电流过零后不再引起重燃。所以一般交流真空 电弧在以第一次过零时即可熄灭，燃弧时间约半个周 波(10ms)。然而，对直流真空电弧电流，必须创造一 个过零的机会，迫使其熄灭。通常采用电流换向装置或 提供等量的反向电流来迫使直流真空电弧电流过零， 比较复杂。2

分类按电流类型可分为交流真空开关和直流真 空开关。煤矿中广泛采用的是交流真空开关，按用途主 要分为真空断路器，真空接触器与真空换相隔离开关 三种以及用它们作主体组成的真空配电装置，真空馈 电开关，真空电磁起动器等。按电压等级又可分为低压 (AC1200V及以下)和高压(AC3kV及以上)两大类。

特点真空开关利用真空作为主触头间的绝缘介 质和灭弧介质。真空以其极为优异的绝缘强度和熄弧 能力给真空开关带来了一系列优点：

(1)燃弧时间短、分断能力强。交流真空电弧在触 头分开后电流第一次过零时或过零前即可熄灭，从而 具有很强的熄弧能力。

(2)体积小、重量轻。因触头开距很小，对操动机 构负担减轻，随之体积和重量只是普通开关的1/3～ 1/2。

(3)寿命长，维修量小，适合于重载和频繁操作。

(4)操作功小，振动和噪声相应减小。

(5)不仅能开断工频电流，还有开断高频电流的能 力。

(6)电弧不外露，不会引起周围易燃、易爆物质的 燃烧和爆炸。特别适合于有沼气和煤尘爆炸危险的矿 井中使用。

真空开关的主要缺点。

(1)在特定的条件下可能产生较高的操作过电压。

(2)真空度的检测比较困难，而保持一定的真空度 是真空灭弧的必要条件。

(3)价格较高，因制造真空灭弧室的材质特殊、工 艺严格。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学