为了实现真空灭弧室的小型化，锦州华光电力电子（集团）公司的技术研究人员对真空电弧、电真空材料、灭弧室内部电场强度的分布及生产方式等技术进行了深入地研究，真空灭弧室设计水平和制造工艺得以不断提高和完善，推出了新一代U系列小型化真空灭弧室。
U系列小型化真空灭弧室改变了以往的设计模式和工艺方式，在产品内部结构设计上采用了全新的设计理念，在制造工艺上有较大的突破，其产品特点如下：
（1）采用自行研制的新型纵磁均布式触头结构。这种触头结构在燃弧期间，在触头间隙中产生比目前通用的纵磁触头结构更强、更均匀的纵向磁场。在强磁场的作用下，电弧被有效地控制在一个更大的区域内燃烧，扩大了触头的有效利用面积，改善了触头表面的电流密度分布，使电弧始终保持扩散型，从而降低了弧压及电弧能量，使开断能力大幅提高，开断能力较原杯状触头结构提高了约15％以上。
（2）通过计算机辅助设计，改善了灭弧室内部电场强度分布的均匀程度，优化了灭弧室内部结构，提高了灭弧室内部的绝缘水平，从而实现了灭弧室的小型化，其体积仅为原结构的50％～70％。
（3）采用新型的“一次封排”工艺，使灭弧室从部件到整管一次封排完成，减少了人及环境对部件的二次污染，提高了灭弧室内部的真空度及清洁度，改进了灭弧室的开断性能、绝缘水平及同轴水平。同时，新型的工艺结构，使得灭弧室的密封焊缝得以减少，由原来的9道焊缝减少到6道焊缝，灭弧室的漏气几率大大降低，密封的可靠性提高了33％。
（4）采用新型的波纹管防扭结构，既防止波纹管被扭伤漏气，又使整管的外形更加美观，也给装机带来便利。
东芝白云真空开关管（锦州）有限公司根据市场的需求前景已开发出断路器用12kV等级的20kA、25kA、31.5kA、40kA、80kA及40.5kV等级25kA、31.5kA和负荷开关用20kA的U系列小型化真空灭弧室，这是公司自行研制开发、拥有自主知识产权的换代产品。
U系列真空灭弧室优越的性能、小型化的体积配合复合绝缘的应用，不但使真空断路器缩小了相间距，减小了整体尺寸，更主要的是能够满足较大的开断容量和较高的弧后绝缘水平。另外，对现行开关使用小型化真空灭弧室后，也可以去掉相间附加的绝缘件，既可降低成本，又可方便安装调试。
U系列小型化真空灭弧室优越的开断性能及较高的弧后绝缘水平得益于先进的设计方式和新型“一次封排”工艺的采用，也与老炼工艺的改进密不可分。真空灭弧室的老炼工艺分为电流老炼和电压老炼，本文根据小型化真空灭弧室研制开发和生产实践中的体会着重介绍小型化真空灭弧室的老炼工艺。
2 大电流老炼
大电流老炼就是真空灭弧室通以数百安培较大电流的同时拉开触头，使触头间产生扩散型电弧，燃烧的电弧剥除了触头表面覆盖着的脏物、氧化物和气体，使触头表面成为完全新鲜的活性表面，起到了净化触头表面的作用。因此，可以说电流老炼与电压老炼比较，更具有彻底除气的作用。
大电流老炼分交流电流老炼和直流电流老炼，锦州华光电力电子（集团）公司采用直流老炼方式，取直流电压100V左右，电弧电流调至100安至数百安，合分触头10～20次。每次合分操作时使电弧有足够长的燃弧时间，累计一定时间后，就能达到对出触头表面净化和除气的目的。电流老炼对触头表面的烧蚀作用主要来自正离子对阴极的轰击，对阴极表面有较好的烧蚀作用[1]，为了对另一触头进行老炼，必须改变直流电源极性，重复上一次操作。经大电流老炼的真空灭弧室，其开断短路电流和开合电容器组的性能比未进行电流老炼的灭弧室性能稳定[2]，主要是因为触头表面的净化和表层吸收的气体被除去，在开断时电弧燃烧触头放出气体少，对触头间介质强度的恢复非常有力。
U系列小型化真空灭弧室采用新型纵磁均布式触头结构，这种触头结构在燃弧期间，在触头间隙中产生比目前通用的纵磁触头结构更强、更均匀的纵向磁场。在强磁场的作用下，电弧被有效地控制在一个更大的区域内燃烧，扩大了触头的有效利用面积，使电弧始终保持扩散型，在同一电流等级下，触头表面积减小20％以上。为了避免大电流老炼时规范过重，触头表面烧损严重，影响绝缘水平，尤其是影响冲击耐压水平，U系列小型化产品大电流老炼试验时，电弧电流调至80～100安，合分触头正负极性各5～10次，具体次数根据弧光而定，弧光颜色由白色或红色转为淡绿色为宜。
3超高压老炼
高压老炼效应是决定真空中绝缘击穿特性的主要因素之一，成为实现高电压化、小型化的一项课题。常用的高压老炼方法有四种：辉光放电老炼法、充气老炼法、电流老炼法、火花老炼法。对密封的真空灭弧室而言火花老炼法是提高真空灭弧室耐压水平的唯一实用的方法[3]，火花老炼法也就是工频老炼法。锦州华光电力电子（集团）公司采用的是超高压工频老炼，其特点是：
（1）灭弧室浸在绝缘介质中，老炼过程中不受外绝缘的影响，老炼电压比空气中提高约1.5倍,使真空灭弧室的内部老炼更彻底；
（2）超高压工频老炼的升压有保护措施，一旦击穿电流大，威胁产品安全时，它将自动降压以保护灭弧室不受损坏；
（3）在静态情况下给真空灭弧室施加工频高电压，引起触头间及触头与屏蔽罩间强烈的火花放电。真空灭弧室利用该方法可消除触头和屏蔽罩表面的高β发射点，改善触头和屏蔽罩的表面状况，从而提高它的击穿电压和长期工作下的稳定性。
真空灭弧室小型化后，灭弧室的体积变得越来越小，因而老炼工艺也需要重新摸索,以确定更适合小型化产品大批量生产的老炼工艺。这里着重介绍小型化真空灭弧室高压老炼工艺的摸索过程，包括外绝缘的保护、老炼开距、老炼升压速度、老炼电压值及电压稳定时间的确定。
3.1外绝缘保护
解决真空灭弧室耐受高电压和强电场的关键技术之一是沿面绝缘的提高，尤其将真空灭弧室最大限度地小型化后，真空灭弧室本身的外部绝缘（主要指用于复合绝缘的真空灭弧室的外绝缘）已不能满足较高的老炼电压和正常的绝缘要求，因而在老炼中必须使真空灭弧室内部真空绝缘和周围外部绝缘相配合。我们在超高压老炼试验中使用轻质绝缘油作为外绝缘介质,其击穿强度为50kV/mm，这样可以避免由于外绝缘和内部真空绝缘配合不好，高压老炼试验中真空灭弧室外爬电导致灭弧室绝缘外壳的贯穿性击穿。采用轻质绝缘油的另一些优点是：老炼后无需去油，既节约了能源，又提高了生产效率。
3.2老炼开距
我们分别在低于额定开距、额定开距、较大开距下进行了老炼试验，发现电极开距对所能达到的稳定击穿电压有较大的影响：额定开距下进行老炼处理，比低于额定开距和较大开距下进行老炼所能达到的稳定击穿电压要高，其原因为：
（1）较大开距下，势必要降低触头电极间的电场强度，无法使触头间打火击穿，火花放电作用在触头电极和屏蔽罩间进行，老炼效应进行得不完全；在较小开距下（确切的说是触头电极间的开距小于触头电极和屏蔽罩间的电气间隙），触头电极间的电场强度增强，火花放电只是在触头电极间进行，触头电极和屏蔽罩间无法火花放电，老炼效应同样进行得不完全，稳定击穿电压值较低。
（2）额定开距下进行了老炼时，两电极间距离大于电极距屏蔽罩的距离，电极表面的有效作用面积（即电场等于最大电场90％所对应的面积）增加。有效面积增加，使整个电极表面所能达到的老炼程度增加；同时，暴露在放电区的屏蔽罩面积也增加，这样，不仅触头间火花放电，触头边沿和屏蔽罩间的火花放电作用也加剧，电极、屏蔽罩表面的老炼进行得更完全，消除了触头和屏蔽罩表面的高发射点，使稳定击穿电压值提高。
3.3老炼升压速度
在进行老炼时，从一较低的电压开始，按一定步长逐级提高老炼电压，使灭弧室中流过的预放电电流逐渐增加，直至发生强烈的火花放电。为防止由火花放电转变为强烈的电弧放电而烧损触头，设备自身回路中串联一定数值的限流电阻。老炼试验过程中注意观察工频正弦示波图和火花放电的电流值，随着灭弧室内击穿打火的频繁发生，电压电流波形会变得越来越不规则，原来的工频正弦波失真，谐波增多，此时放电电流较大。当老炼一段时间后，击穿打火现象逐渐减少，火花放电电流减小，并逐渐趋于稳定，波形恢复正常，此时已达到了该电压值下的老炼效果，可以按一定步长提高老炼电压。老炼电压升幅不能太快，否则发生强烈的火花放电，放电电流很大，容易造成真空灭弧室两电极间永久性击穿或绝缘外壳贯穿性击穿。
3.4老炼电压值及电压稳定时间
老炼电压值的确定遵循的原则是：
（1）选择一较高老炼电压值，因为提高老炼电压值，可使稳定击穿电压明显提高。
（2）老炼电压是一范围，根据不同管型的情况，实际电压值可在一定范围内取值。
（3）灭弧室击穿比率不超过0.3％。根据实际摸索，我们确定老炼电压规范：12kV等级110～140kV；40.5kV等级185～200kV。
老炼电压值升到规范值后，电压趋于稳定，波形渐渐正常，已基本达到老炼效果，这时可在老炼电压值不变的情况下，稳定一段时间，稳定时间为10min，稳定10min的目的就是使老炼进行得更彻底。
4 老炼效果的验证
由于国家标准对工频耐压和雷电冲击耐压有一定的要求,因而工频耐压和雷电冲击耐压是真空灭弧室生产过程中必须检验的项目，但同时,冲击耐压试验在实际生产过程中也是检验高压老炼效果是否彻底的一种方法和手段。
在实际生产中，进行灭弧室冲击耐压试验时，会出现三种不同的情况：
(1)老炼完成----通过冲击耐压试验放置一段时间 通过冲击耐压试验
(2)老炼完成----通过冲击耐压试验放置一段时间 未通过冲击耐压试验
(3)老炼完成----未通过冲击耐压试验
分析以上三种情况：
(1) 真空间隙的击穿可以由电极表面微观突起处的强场发射引起，也可以由松散的粘附在电极表面的金属微粒的释放或电极表面吸附气体层的解吸引起，所以可以将所有这些引发击穿的因素统称为电极表面上的“弱点”。真空灭弧室在大触头面积、长电极间隙条件下，击穿应主要由金属颗粒的释放和吸附气体的解吸引起。
在超高压老炼过程中，放电能量足够大时，每次放电过程中释放的微粒和解吸气体的量都较多，由于初始动能大，大部分可以牢固地沉积在灭弧室的金属屏蔽罩上，不再处于活泼状态，亦不再对间隙击穿起主要作用，此时可认为高压老炼效应进行得完全，老炼效果较好，所以无论是老炼刚刚完成，还是放置一段时间再进行冲击耐压试验，试验都能顺利通过。
(2)超高压老炼时放电能量不足，每次放电过程中释放出的微粒和解吸气体的量都较少，这些释放出来的物质由于未能获得足够的动能，它们难以牢固地附着在金属屏蔽罩上，而是作为一种活泼因素，暂时飞离电极间隙，所以此时进行冲击耐压试验，能够通过。但放置一段时间后，部分金属微粒重新回到电极间或重新粘附在电极表面，形成新的突起，即出现新的“弱点”，继续对间隙的击穿起作用，这种情况我们认为高压老炼效应进行得不彻底，所以灭弧室放置一段时间后，冲击耐压试验出现了失效现象。
(3)此种情况，超高压老炼放电能量严重不足，放电过程中释放出的微粒没有足够的动能飞离电极间隙，或它们在与对面电极发生碰撞时，未能积累起足够的动能使自身完全熔化和蒸发。这些未完全熔化的金属微粒重新粘附在对面电极上，形成新的突起，所以进行冲击耐压试验不会通过。
在生产过程中，当冲击耐压试验通过比较困难或出现冲击耐压失效现象时，一般重新进行超高压老炼可以改善。
5结论
通过以上的分析可以得出下面的结论：
(1)U系列小型化真空灭弧室优越的开断性能及较高的弧后绝缘水平得益于先进的设计方式和新型“一次封排工艺“的采用，也与老炼工艺的改进密不可分。
(2)小型化真空灭弧室采用新型纵磁均布式触头结构，开断能力强，在同一电流等级下，触头表面积减小20％以上，大电流老炼时应选择合适的老炼规范，避免触头表面烧损严重，影响绝缘水平，尤其是影响冲击耐压水平。
(3)选择合适的老炼开距、老炼升压速度、老炼电压值和电压稳定时间，使小型化真空灭弧室老炼效应进行得更彻底，以改善触头和屏蔽罩的表面状况，提高它的击穿电压和长期工作下的稳定性，同时也可提高其短路开断能力和动态绝缘水平。
(4)灭弧室老炼后未通过冲击耐压试验以及老炼后虽通过冲击耐压试验，但放置一段时间后出现冲击耐压失效现象，其主要原因是老炼效应进行得不彻底。重新进行超高压老炼，可以改善冲击耐压水平。
参考文献：
[1]钱家骊、张节容等、古嘉琴等，《高压开关开合电容电流和小电感电流》，中国电力出版社，1999.
[2]王季梅，《真空灭弧室设计、制造及其应用》，西安交通大学出版社1993.
[3]何俊佳，邹积岩，程利椿等，《真空灭弧室的火花老炼》，高压电器，1994
[4]Toya H，et al.Statistical Property of Breakdown Between Metal Electrodes in Vacuum.IEEE Trans.on PAS,Vol，100，1981，No.3 p1932
作者简介：女，高级工程师，现任职技术处，负责真空开关管的设计与工艺工作。
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