浅谈518DW真空灭弧室焊料片和加强筋的改进
浅谈518DW真空灭弧室焊料片和加强筋的改进
作者：熊焱晖（振华科技宇光分公司）
时间：2007年9月
摘要： 本文通过对518DW真空灭弧室加强筋和焊料片的改进，解决了518DW触头座斜槽被熔化焊料堵槽的问题，使焊接质量得到提高，生产成本降低。
关键词：真空灭弧室 焊料片 加强筋
论文主体：
一、前言
518DW真空灭弧室在焊接过程中，经常出现触头座的斜槽被焊料堵住，而由触头和触头座组成的触头系统是灭弧室的心脏，如果触头座组件在焊接过程中出现问题，将直接影响真空灭弧室的灭弧效果和电气寿命。本人根据长期的工作经验，通过对真空灭弧室的基本结构和灭弧原理的进一步分析，提出了对518DW真空灭弧室焊料片和加强筋的改进，解决了518DW真空灭弧室触头座斜槽被熔化焊料堵槽的问题。
二、真空灭弧室的基本结构
真空灭弧室，又名真空开关管，是中高压电力开关的核心部件，其主要作用是，通过管内真空优良的绝缘性使中高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流，避免事故和意外的发生，主要应用于电力的输配电控制系统，还应用于冶金、矿山、石油、化工、铁路、广播、通讯、工业高频加热等配电系统。具有节能、节材、防火、防爆、体积小、寿命长、维护费用低、运行可靠和无污染等特点。真空灭弧室从用途上又分为断路器用灭弧室和负荷开关用灭弧室，断路器灭弧室主要用于电力部门中的变电站和电网设施，负荷开关用灭弧室主要用于电网的终端用户。真空灭弧室是由内部的触头、触头座、屏蔽罩、波纹管、动静导电杆以及外部的绝缘外壳、动静盖板、导向套等组成的。其典型结构如图一所示。
三、灭弧原理：
1、灭弧条件
真空电弧是依靠电极不断地产生金属蒸汽来维持的，因此，要熄灭真空电弧的唯一方法只有将电弧电流减小到一定程度，不足以维持电弧的时候才有可能将其熄灭。在交流情况下，真空电弧电流有一个过零的时刻，这就给出了熄弧的条件；在直流情况下，必须设置一个电力转向装置，使直流真空电弧有一个过零的机会，以创造一个同样的熄弧条件。
2、灭弧方法和触头结构的选择
图一
真空灭弧室切断交流真空电弧成功与否，与触头之间弧区过零前的金属蒸汽浓度密切有关，金属蒸汽来自电极触头的热斑点，热斑点和金属蒸汽都随着电弧电流瞬时值的增减而变化。电弧电流过零点前一小段时间里，触头间金属蒸汽降低的速度取决于斑点的冷却时间常数。对于扩散型电弧，它只有阴极斑点而无阳极斑点，各支弧均布于触头表面上且处于移动状态，所以热斑点熔区的面积小，深度浅，热惯性小，其冷却时间常数仅有数微秒，有足够的时间让阴极斑点冷却，使金属蒸汽浓度足够的低，同时金属蒸汽因温差、浓度差和压力差的作用迅速向孤区外扩散，电弧不能维持而熄灭。对于收缩型电弧，则这些熄弧条件比扩散型电弧差劣许多。在开断10KA及以上的短路电流时，先后开发了横向磁场触头和纵向磁场触头。
1）、横向磁场触头灭弧原理
横磁场结构灭弧室的诞生，使真空断路器突破了只能开断数7kA以下的瓶颈，在电力及其它领域得到了广泛应用。但横磁场结构灭弧室很难进一步提高开断电流。另外，根据在国内的运行经验，横磁场结构灭弧室体积大，不易做到小型化；截流值高，约在十几至几十安，开断感性负载时容易造成较高的过电压；电磨损较重，电气寿命较短。横向磁场触头的工作原理是利用触头本身在开断电流时产生的横向磁场驱使真空电弧不断在触头表面运动，以防止触头表面严重熔化。螺旋槽触头在分断很大电流时，具有相当高的介质恢复速度。采用螺旋槽型触头就有横向磁场灭弧的特性。如图二所示。
2）、纵向磁场触头灭弧原理
采用纵向磁场提高真空开关的分断能力与采用横向磁场的情况截然不同，纵向磁场的加入可以提高由扩散性电弧转变到收缩型电弧的转换电流值。实验表明，在足够的纵向磁场下，大电流真空电弧仍具有扩散性真空电弧的基本特征，
图二
电弧斑点在电极触头表面均匀分布，触头表面不会产生局部严重熔化，并具有电弧电压低，电弧能量小的优良特征，这对于弧后强度恢复，提高分断能力是十分有益的。目前，大容量的真空灭弧室多采用纵磁场触头，这是因为纵磁场触头具有电磨损小，使用寿命长和分断能力大等优点。带斜槽的杯状触头兼有横向磁场和纵向磁场的特性，可以较好地灭弧。同时为了保证杯状触头具有抗熔焊能力，在触头端部焊有一定抗熔焊能力的铜铬合金材料，也可装置不熔融或截流水平低的电极触头，以达到更好的灭弧效果。如图三所示。
图三
正是由于纵磁场触头具有的优越性，现在生产的灭弧室绝大部分采用了这一结构。但并非采用了这一结构就万事无忧，它还与具体的生产工艺有很大的关系。如果生产工艺落后，使质量得不到很好的保证，就达不到预期的效果，甚至会给使用单位造成严重的后果。以我公司生产的518DW为例谈谈改进生产工艺对产品性能的影响。
过去我公司生产的518DW真空灭弧室，在真空钎焊过程中经常发生灭弧槽被焊料堵住的现象。灭弧槽一旦堵住，就相当于平板触头，将直接影响真空灭弧室的灭弧效果和电气寿命，导致开断能力下降。实践证明，真空断路器的开断电流在7kA以下时为扩散型电弧，采用普通平板型触头结构即可顺利开断。但是当开断电流超过7kA时，由于电弧聚集在一起，须将触头加工成特殊结构型式，由电弧电流本身形成磁场，强迫电弧运动或干涉电弧聚集，才能开断更大电流。平板型触头开断电流时，一旦形成聚集型电弧，一般意味着开断失败。
从这个意义上讲，如果灭弧槽全部被堵住，开断大电流时就不会产生纵向磁场，而且极容易形成聚集型电弧，也就意味着开断电流不能大于7KA，这对于真空断路器的影响是致命的。因此，要使真空灭弧室达到额定的短路开断电流值，必须保证灭弧槽不被堵塞。
四、焊料堵槽的原因
过去518DW的触头座组件在焊接过程中，熔化的焊料会把触头座的灭弧槽堵住，导致518DW组件返修件增多，严重时造成518DW整个组件完全报废，成品率极低。经过分析发现主要原因是焊料片外径过大。原触头组件与加强筋之间的焊料片采用的是外径为Φ34，内径为Φ20的空心圆片（如图四中的A所示），由于焊料片与加强筋均为平面接触，装配焊接时无法实现两者之间的定位。另外在进炉和升托盘时（由于机械振动会使托盘产生抖动）很容易使焊料片偏向某一边，焊接时熔化的焊料容易进入到灭弧槽内，导致某一边由于焊料过剩而产生堆积形成堵槽，而另一边由于没有焊料或者焊料太少形成虚焊，影响了518DW的焊接质量。触头座与加强筋的焊料片采用的是Φ20实心圆片（如图四中的B所示）。从结构上看，Φ20实心圆片在焊接时，其位置处于加强筋的下端，与灭弧槽的堵塞没有必然的联系。由此可见，造成灭弧槽被堵的原因只有一个，就是外径为
Φ34，内径为Φ20的空心焊料片与触头组件之间的焊接。
从真空灭弧室的灭弧原理可知，真空灭弧室是靠特制磁场熄灭电弧的，如果灭弧槽被堵住，破坏了扩散型电弧在触头表面的均匀分布，部分扩散型电弧将转变为聚集型电弧，降低了灭弧室的电气寿命。从使用的可靠性看，在开断电流不大时，其影响可以忽略不计。但如果开断电流达到额定短路开断电流（518DW真空灭弧室额定短路开断电流为16～20KA）时，堵槽现象必须引起高度重视。
五、焊料片和加强筋的改进
以前，在对518DW真空灭弧室进行焊接的过程中，发现焊接后总有一部分触头座的灭弧槽被焊料堵住，遇到这种情况，都是采用普通锯条将被焊料堵住的灭弧槽锯开。这种方法存在两个缺点：一是增加了本工序的劳动强度；二是由于锯缝狭窄，锯开后的毛刺无法清除，其质量无法保证。
从触头座组件的整体结构分析，要使518DW的触头座组件在焊接过程中不再出现堵槽现象，必须将现在所使用的焊料片改小。又由于该管型所用的加强筋端面有一个Φ27的槽（如图五中A所示），如果仅把焊料片改小，焊料片全部将置于Φ27的槽内，无法完成触头组件与加强筋的焊接。因此，还需将该加强筋的端面（与触头组件的焊接面）改为无槽的平面，并将外径改小。这样，即使焊料在装配过程中会产生一定量的偏斜，也能使熔化的焊料完全布满加强筋的端面。以此来控制焊料的外流，从而保证灭弧槽内不再有焊料堆积堵槽的现象，保证了焊接质量。具体改进方法如下：
一）、焊料片的改进
减小触头组件与加强筋之间所用的焊料片的直径，将原外径为Φ34和Φ20的焊料片（如图四中的A、B所示），改用两片直径均为Φ18的焊料片，（如图四中的C所示）。这样既达到了焊接的目的，又减少了焊料的用量。
二）、加强筋的改进
将加强筋与触头组件焊接端的直径由Φ34改为Φ29，为了保证焊接质量和合闸时有足够的支撑强度，去掉了Φ27的工艺槽（如图五所示）。由图五A所知，改进前的有效支撑面积为SA=π×1.72-π×1.352=3.35(cm2)；改进后的有效支撑面积为SB=π×1.452-π×0.252=6.40(cm2)(图五中B所示)。由此可见，改进后虽然外径看似减小了，但支撑强度非但没有减小，而且较原来有所加强。
经过小批量试焊，由于焊料具有好的流散性，Φ18的焊料片熔化后，能够完全布满Φ29加强筋的端面，满足焊接工艺要求。
图四
图五
六、改进后所取得的经济效益
由圆的面积公式
S? ＝? πR2
可以算出改进前后所用焊料片的实际面积：（如图四中的S1、 S2、 S3所示）
S1=π×1.72 -π×12 =5.94（cm2）
S2=π×12 =3.14（cm2）
S3=π×0.92-π×0.32 =2.26（cm2）
已知焊料的密度为10.53克/ cm3，厚度为0.01 cm，进而可算出每只518DW真空灭弧室焊料片改进前后的实际用量。由密度公式
ρ＝m/v
可算出
m1 = ρv1 =10.53×5.94×0.01=0.625（克）
m2 = ρv2 =10.53×3.14×0.01=0.33（克）
m3 = ρv3 =10.53×2.26×0.01=0.237（克）
由以上计算可知，原生产一只518DW真空灭弧室所需焊料为（每只真空灭弧室分为动、静两个触头组件）：
（ m1+ m2）×2 =（0.625+0.33）×2=1.91（克）
改进后为：
（m3+ m3）×2=（0.237+0.237）×2=0.949（克）
以每年生产15000只518DW真空灭弧室计算，一年可节约焊料片的重量为：
1.91×15000 - 0.949×15000
=28650 -14220
=14430（克）=14.43（千克）
以目前该焊料的价格为3600元/千克计算：
14.43×3600=51948（元）
由以上计算可知，在不计生产成本，单从节约焊料来看，一年就可以节约51948元。
改进前后各种指标的对比如下表所示：
七、结束语
综上所述，真空灭弧室特别是大容量真空灭弧室，其灭弧特性是必须借助电流磁场强迫电弧运动或干涉电弧聚集，才能完成开断。而电流磁场的产生是由触头的特殊结构决定的，即在触头设计时，在触头及触头座上开有螺旋型灭弧槽。在生产过程中，由于焊接工艺不合理，堵槽现象时有发生。灭弧槽一旦堵住，开断电流时，很容易形成聚集型电弧，这种情况就意味着开断失败。本人通过对真空灭弧室灭弧原理的深入理解，并结合多年的实际工作经验，提出了对518DW真空灭弧室焊料片和加强筋的改进，避免了焊接过程中堵槽的问题。对保证产品质量，提高工作效率，降低生产成本都具有重要的意义。
参考文献
1.王季梅主编：《真空开关理论及其应用》，西安交通大学出版社，1986
2. 王季梅等.真空开关.北京：机械工业出版社，1982
3.张节容,钱家骊,王伯翰.高压电器原理和应用. 北京：北京大学出版社，1989.
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