葛媛媛+刘易雄+马雪飞+李仁峰
[摘 要]随着电力系统中压开关无油化浪潮的兴起，真空开关以其独特的优点得到了电力行业的广泛推广及应用，而真空灭弧室是真空开关的心脏，其性能的好坏直接影响了真空开关的综合性能。真空灭弧室的发展又与真空开关的发展紧密联系在一起，并且它的研究工作要超过真空开关。因此只有真空灭弧室关键技术有重大突破，才可带来真空开关技术水平的大大提高。本文主要探讨12kV完全一次封排真空灭弧室关键技术研究的重要性。
[关键词]真空灭弧室；真空开关；电力系统
中图分类号：TJ260 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0148-01
引言
真空灭弧室用于真空断路器、真空接触器、真空负荷开关以及真空重合器，随着真空开关制造技术的理论研究水平的不断提高，真空灭弧室凭借着自身巨大的技术优势，早已成为了中压领域的主导产品。真空灭弧室一直在不断的向小型化、高可靠性、低成本方向发展，同时不断向低压、高压领域渗透发展。
一、国内外研究研究水平综述
真空灭弧室封接与排气工艺的发展，从上世纪60年代到今天经历了一个很长的发展史。主要可以概括为三个阶段：排气台烘烤排气、真空炉一次封排、真空炉完全一次封排。
第一阶段，从上世纪60年代到 80年代初期，真空灭弧室的封接和排气工艺是完全分离的。主要分五个部分：第一，动触头和静触头与动导电棒和静导电棒部分的装配和焊接，即动管芯和静管芯的焊接，也叫部件焊接；第二，真空灭弧室管壳部分的焊接；第三，整管的装配与焊接，这个焊接主要是用氩弧焊的方式将管壳和管芯焊接在一起；第四，在排气台上烘烤与排气；第五，整管与排气台分离。这种技术工艺过程长，而且每个过程都在独立的工作场所中进行，中间物料运输及周转都很麻烦。在这个周转过程中，有可能造成表面污染或零部件磕碰，对真空灭弧室的最终质量会有影响。这种工艺条件下是很难生产出高品质的核心器件。
第二阶段，在真空炉中一次封排。这种技术是目前被广泛使用的比较成熟的技术。其过程是先将动静触头和动静导电棒在真空炉中进行真空钎焊，也就是说，先把导电回路部分在真空炉中焊好，确保导电回路部分焊接可靠，无缺陷。然后，将其它零件再一次性装配好，放入真空炉，进行最终排气和焊接。这种工艺与排气台工艺相比，有了革命性的进步，缩短了整个真空灭弧室的生产流程，保证了真空灭弧室的装配和焊接可以在超净间中进行，这使得真空灭弧室的制造质量有了质的飞跃。
第三阶段，完全一次封排工艺。这种技术是在原有真空灭弧室工艺技术基础上的一次工艺提升和完善，这种技术要求所有的零件经过清洗干净后进入超净间，一次性把所有的零件装配、定位后，装入真空炉，一次性完成排气和焊接，优点是工艺流程短，不仅保证了产品质量，而且优化了真空灭弧室的封排技术。
二、研究内容
1.钎焊封排的原理
钎焊是利用液态焊料填满钎焊金属结合面的间隙面形成牢固接头的焊接方法，其工艺过程必须具备两个基本条件。
（1）液态焊料能润湿钎焊金属并能致密的填满全部间隙；
（2）液态焊料与钎焊金属进行必要的物理、化学反应达到良好的金属间结合。
钎焊时，液态焊料是靠毛细作用在钎缝间流动的，这种液态焊料对母材金属的浸润和附着的能力称之为润湿性。液态焊料对钎焊金属的润湿性越好，则毛细作用越强，因此填缝会更充分。
从宏观上看，钎焊过程中钎焊零件不熔化，但是从微观上看，在液态焊料和固态钎焊零件之间发生钎焊零件金属向焊料中溶解和焊料向钎焊零件金属扩散的相互扩散反应。钎焊零件金属在钎焊过程中向焊料的溶解，实为钎焊零件金属表面的微区熔化。
2.完全一次封排真空灭弧室设计原理
完全一次封排工艺是将真空灭弧室所有零件直接组装成整件，然后在真空炉中一次完成排气、烘烤、钎焊封口的过程，具体表现为零件-清洗电镀-整管装配-真空炉封排-储存，此工艺过程最简单。实现完全一次封排的前提是将目前常见的一次封排工艺中的部件焊接省去，而部件焊接中动管芯在整管中处于悬空状态，所以要合理的选择动触头棒与动触头片的焊接方式，一般分为两种：
（1）将动触头棒与动触头片通过铆接的方式先将其固定，再进行整管装配焊接。但是此工艺存在很大的缺点，在铆接过程中，动触头棒会因此而变形，变形后与动触头片固定在一起。但由于在未焊接前使其变形，会导致其中存在应力，在焊接的过程中，因为高温的存在导致两者之间产生位移变形，使两者之间焊接不良或产生夹角。而装配焊接完成后不能观察检测其焊接情况，可靠性差。
（2）采用动触头片与静触头片接触焊接的方式进行焊接，通过静触头片作为焊接动触头棒与动触头片的平台。此方法需要进行波纹管的特殊设计，通过波纹管的弹性力作用在动触头棒与动触头片上，使动触头棒与动触头片压在静触头片上，达到良好的焊接。且波纹管与静盖板的焊接也需要一定的压力，这样才能保证焊缝可靠焊接，不漏气。所以波纹管的设计很重要。而且需要考虑动触头片与静触头片焊接后不能粘在一起。两者可以轻松的拉开，且表面不能发生粘掉材料的现象。
通过多次试验与研究其钎焊工艺，获得最佳钎焊参数是完全一次封排技术研究的难点之一。
3.实施方案
（1）根据综合分析的结果，运用CAD和SOLIDWORKS对真空灭弧室进行初步设计。绘制真空灭弧室的二维和三维图纸。
（2）在有限元软件Ansys中对真空灭弧室的电场进行计算，分析其电场分布，对电场较强的部位必须对零件结构设计的优化设计，然后再次计算达到优化设计目的，利用有限元软件Ansoft对真空灭弧室的头间的电磁场进行仿真分析，利用有限元软件分析真空灭弧室的温度场，利用有限元软件分析真空灭弧室导电回路的电压分布和电流密度， 从而计算导电回路的回路电阻。
（3）根据真空灭弧室图纸及三维模型用CAD和Solidworks软件设计适合完全一次封排的焊接夹具；
（4）根据完全一次封排真空灭弧室及焊接夹具图纸试制样管，记录完全一次封排焊接工艺过程中的参数；
（5）对完全一次封排生产的样管用X射线检测仪检测其内部焊接结构和零件裝配位置是否正确，对合格的管子分别进行高压老炼和雷电冲击等性能比较试验；
（6）对完成性能试验的真空灭弧室用高低速锯解剖，对不同部位焊缝进行金相试验分析，根据分析结果优化产品的焊接结构；
（7）样管放置一段时间，利用真空度检测仪检测其真空度和时间的关系，分析材料的性能，根据分析的结果优化产品的设计；
（8）综合虚拟样管的设计参数、试制过程的工艺参数、性能试验结果和质量分析试验结果等数据，再次进行样管试制；
（9）样管试制后试验达到预期目标后确定最终完全一次封排真空灭弧室的结构设计，公差配合等参数。
参考文献
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