真空滅弧室的小型化依賴于電極在小型化方面的進步。本文立足于目前主流參數最小直徑尺寸，設計橫磁和縱磁各兩種電極進行實驗論證，并提出進一步的改進研究方案。

　　真空滅弧室的小型化依賴于電極的小型化，滅弧室直徑的縮小將會直接影響產品的開斷能力、通流能力以及絕緣性能，不利于產品的性能的提高，而且過小的產品尺寸還會導致制造成本的增加。作為使用于小型化高參數結構中的電極，除了應具有小的體積外，還應具備如下兩個主要特點：①具有較強的短路電流開斷和多次開斷能力，且性能穩定;②具有很好的導流能力，同時還具有諸如易加工、易裝配、焊接后不變形、成本低等特性。

　　12kV下開斷31.5kA是目前通用性最強的真空滅弧室電氣參數，各滅弧室制造廠采用的尺寸較小的是直徑58mm的滅弧室，有單級縱磁場和兩級縱磁場兩種。前者的優點是磁場均勻，具有穩定開斷31.5kA 的能力，缺點是導流能力不是很好，而且觸頭座的加工性能較差，零件成本高，與常規的大電極相比并沒有達到小型化后降低成本的作用，而且觸頭座無法實現與導電桿的整體成型。后者的優點是電阻小，滅弧室的溫升特性較好，缺點是磁場分布很不均勻，強磁場的區域很小，使得短路電流開斷穩定性較差。

　　本文針對真空滅弧室小型化的需要，設計不同的電極結構，分析其磁場分布，并通過實驗對其性能進行初步的研究分析。

1、實驗電極結構及其磁場分析

　　實驗中滅弧室直徑為58mm，設計了兩種電極結構對比分析其性能。一種是高度為18mm 的杯狀橫磁電極結構，另一種是高度為22mm的杯狀縱磁電極結構。

　　采用杯狀橫磁的主要原因是這種電極的電阻值很小，而且與螺旋槽橫磁結構相比觸頭表面有效利用面積大且更易加工。比較80年代產品與現在產品的橫磁電極的差別，可以發現開斷31.5kA電流的電極直徑從最初的76mm縮小到現在的55mm，不變的是開槽數都是16個以及開槽沿軸向的分量尺寸都是12.5mm。分析認為16個槽數是保證所謂“半集聚弧”減少觸頭面燒損的重要因素，而軸向的分量尺寸12.5mm 則為了保證提供足夠的橫向磁場。最終確定實驗的電極結構參數為16槽，開槽切入角35°，沿軸向的分量尺寸為14mm。針對杯狀橫磁電極在承受壓力后會變形從而影響其使用這一缺陷，在環型觸頭內孔中設置了支撐環，真空技術網（http://shengya888.com/）認為該零件的引入不但徹底增強了該電極的強度，使上述軸向的分量尺寸14mm甚至更高成為可能，并且實現了觸頭焊接的自定位。

　　實驗中的縱磁電極是杯狀四槽結構，開槽切入角22°，旋轉角123°，通過銑去開槽觸指30°來達到延長轉角的目的。對于四槽結構觸頭邊緣磁場較弱的缺陷，用鐵質的聚磁環來加強。采用Ansoft.Maxwell電磁場仿真分析工具，對采用加長電流路徑和邊緣磁場加強后的電極進行了磁場分析，結果如圖1所示。不同電流路徑得到不同的磁場分布曲線分布，顯然僅是磁場數值有變化，分布方式并沒有變化。磁場邊緣加強后電極的磁場分析結果如圖中曲線6所示，呈現出邊緣高中間低的磁場分布。這種磁場有助于提高短路開斷能力，提升電弧分斷后絕緣的恢復速率，從而達到減小電極尺寸，實現真空滅弧室小型化的目的。

圖1　軸向磁場在電極中心平面的分布

2、實驗方法及結果分析

　　2.1、實驗方法

　　對實驗的兩種電極裝管后，進行回路電阻和開斷能力測試，開斷能力測試在如圖2所示的大功率電流合成回路實驗線路上進行。考慮到所用實驗回路與國家實驗站的具體實驗回路存在幾方面差別，如額定開距下電弧點燃、燃弧時間固定為10ms，合閘不帶電也沒有觸頭壓力，試驗中選擇同參數的市售滅弧室(代號A)作為對比依據。選擇該滅弧室主要是因為其電極經過較多的驗證，表明具有可靠開斷31.5kA 短路電流的能力，且開斷能力裕量不是很大。具體實驗方式從22kA開始逐步測試開斷能力的上限值，然后解剖觀察內部的燒損情況，確定電極多次開斷的可靠性。

圖2　大功率合成回路實驗線路

　　2.2、實驗結果及分析

　　實驗測試結果如表1所示。

表1　實驗測試結果

　　由表1可以看出，橫磁結構電極電阻較優良，也具有足夠的開斷能力，主要存在兩個問題：①如果出現偏燒，其開斷能力就會下降。②對觸頭的燒損相對較重，尤其是對屏蔽筒的燒損非常嚴重，這將嚴重影響弧后絕緣，并難以保證多次開斷。而縱磁結構電極的控弧能力較強，對觸頭的燒損較輕微，屏蔽筒上僅僅存在輕微噴濺，能夠保證足夠的開斷次數，同樣也存在兩個問題：電阻值較高，難以適應大電流的需求;開斷能力相對較弱。

　　分析認為偏燒主要是因為實驗管導向較差而且實驗安裝機構又沒有任何導向裝置，導致觸頭合閘時存在錯位與夾角，開斷極限結果表現不穩定也主要由此引起，如果在標準斷路器上試驗將有助于消除這種不穩定。實驗中采用的是CuCr30觸頭材料，對于橫磁結構來講其抗電弧燒損的能力不夠。另外，合成回路實驗室每一次開斷實驗的燃弧時間均為10ms，對觸頭的燒損要遠遠高于國家實驗站，對于橫磁結構的電極來講更為不利。縱磁結構電極開斷能力偏弱反映出電極直徑過小，同時四槽結構的縱磁場在觸頭表面分布不均勻也是一個原因。

3、結論

　　從實驗結果來看，兩種電極都有待繼續改進。對于橫磁結構，可以將觸頭材料更換為更耐燒損的CuCr50材質，增強橫磁分量，并放大電極與屏蔽筒的距離。我們有充分的理由相信，這種改進的杯狀橫磁電極完全可以適合12kV、31.5kA 及以下參數等級的場合，它將會帶來縱磁電極不具有的優點，即低阻值、低成本。采用橫磁電極后，滅弧室整管電阻必將降低，這也將促進滅弧室應用領域的推廣，比如更有利于額定電流增容、更加適用于固封極柱等對電阻有嚴格的要求的場合。

　　對于縱磁結構，則計劃將四槽改為六槽形式，仍采用銑去部分開槽觸指來延長旋轉角的方式，保證足夠的縱向磁場，對于電阻問題則可考慮增加觸頭托來改變電流路徑，并采取一定措施保證得到一個良好的電極接觸面，將電阻控制在較低的水平。