聂崇志
(北京华东森源电气有限公司)
真空开关的分闸速度定义经历了三个阶段,在70年代初我国的早期真空开关以全行程的平均速度来定义分闸速度,随着人们渐渐认识到分闸过程,后期有效缓冲的重要性,这种定义的不准确性就显露出来,于是半程平均值为其分闸速度被普遍采用.然而当人们对分闸初始阶段电弧微观世界运动过程有了更进一步的了解。初分速度的概念就被提了出来，人们得到了共识：提高初分速度对开断有诸多好处。于是真空开关的结构设计中减少等效质量，减少杆件传递环节就成为一件很重要的任务。
提高初分速度对真空开关开断能力及开断稳定性都极为重要是其电弧特性决定的。真空金属蒸气电弧和大气电弧有两大差别：其一，大气电弧的介质是绝缘体，电离后才成为电导体，而真空电弧的介质是金属蒸气，不论它是处于原子状态还是离子状态，它都不是绝缘体。因此前者开断成功依赖离子的复合，而后者只能依赖金属蒸气的扩散，当金属蒸气密度在电流过零的瞬间衰减到（为金属粒子的碰撞自由行程。为电流过零时的电极距离）时，断口的绝缘强度就建立起来（介质绝缘强度的提法不妥）使开断成功。其二，大气电弧的介质气体分子是客观存在的，微观上作无序的热运动（布朗运动），宏观上是静止的，且均匀分布。而真空电弧介质的产生是阴极斑点蒸发金属蒸气的结果。它一旦产生，在真空状态下形成压力差，便具备了巨大势能呈锥体状快速蒸气的结果。它一旦产生，在真空状态下形成压力差，便具备了巨大势能呈锥体状快速扩散。此时金属蒸气分布密度梯度极大。在阴极斑点锥形尖端金属蒸气密度大的区域才有可能发生碰撞游离（阴极等离子区），不同方向扩散运动的金属粒子被游离后的正、负离子角沿着原有的轨迹运动。在锥体中央区带电粒子运动轨迹和电场一致。保持了电中性，而沿着锥形边缘运动的正、负带电粒子和电场方向有较大偏差。由于电子质量很小，它的运动方向很快就被电场力束缚而偏转，带正电荷的金属离子质量大，动能较大，电场对它运动轨迹影响小。其结果就使锥体外缘正电子过剩而破坏了电中性。因而这种小电流的扩散型电弧就如“穿”了一件正电荷的“外衣”一般呈正电性。（图1）
当两支扩散型电弧并联存在时，它们受到两种力的作用，一种是电磁力fD相互吸引，另一种是库仑力，相互排斥。由于，因而近距离并联扩散型电弧库仑力占优势而使其排斥（人们称为“后退”）。
从以上描述可以得出结论：小密度、大梯度的金属蒸气，造就了它大角度的锥形扩散而“披”上正电荷的“外衣”。我们就称它为扩散型电弧。又因为此电弧柱的绝大部分，于是电流过零后电弧为扩散型便成为真空开关成功开断的必要条件。
大电流的真空电弧情况就会是另一回事，当电流增加，阴极斑点增多，触头空间金属蒸气密度进一步增大，致使纵向和横向的密度梯度变小，于是阴极斑点蒸发的金属蒸气锥形扩散的夹角随之变小，锥形外缘正电荷减弱。电弧间库仑力fQ下降，电磁力FQ开始占优，相互排斥逐渐由相吸取代，电弧由于介质的收缩而收缩。在此同时，一旦阳极斑点形成并向空间蒸发金属粒子，阴极和阳极的电离区向极间延伸，电弧的伏安特性也会悄悄由线性向非线性转变，破坏了电弧并联存在的外部环境。至此金属蒸气低气压电弧就变成了高气压电弧，具备了大气电弧的一切特性，人们称它为集聚型或收缩型电弧。以上描述同样也可以得出结论：高密度，小梯度的金属蒸气分布“剥”去了扩散型电弧正电荷“外衣”。为电弧收缩及相互合并创造了条件，因而电弧的收缩与其说是自身磁场的约束不如说是介质收缩更为准确。此时弧柱处处。因此如果电流过零前电弧仍是集聚型，开断就不可能成功。
笔者试图将金属蒸气真空电弧的三种状态：集聚、扩散、截流、用金属蒸气密度分布的三个不等式来表示：
O为阴极斑点座标 N为金属蒸气密度 为粒子碰撞自由行程 为电极开距。
现在可以解释为什么真空开关要提高初分速度的道理了：当开断的初始阶段，金属桥破裂形成电弧，此时触头间隙小，金属蒸气密度大而梯度小，电弧必呈集聚型，电流集中，能量大，
触头烧蚀严重，对成功开断极为不利，加大初分速度的目的就是在最短的时间内增大金属蒸气存在的空间，同时加快金属蒸气的横加扩散（凝结在上屏蔽罩上），以衰减密度，增大梯度，使电弧由集聚型转变为扩散型，为首开相电弧熄灭创造条件。这个过程的任何迟缓都会使这种转变越来越困难，甚至完全失败。这对不能驱使电弧旋转的纵向磁场触头结构尤为重要。
这就不难看出尽可能提高初分速度便成为现代真空开关设计的重要课题之一。如果我们的认识总是停留在满足半程的平均分闸速度上，显然是不够的了。真空开关的开断能力和开断稳定性就得不到提高。
这里要特别强调的是提高真空开关初分速度只是为它开断全过程开了一个好头，如何为后开相成功开断创造好的环境及确保开断小电流的安全性，后半程还有很多学问，要我们去思考和处理。
