真空断路器机械特性

真空断路器机械特性的探讨 真空断路器机械特性的探讨 摘要： 通过使用先进仪器对真空断路器机械特性进行测试分析，探讨了目前真空断路器机械特性参数存在的一些问题。 关键词： 真空断路器； 机械特性； 参数 1 引言 真空断路器的主要特点在于利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质，由于触头为对接式结构，使得其机械特性参数与其它结构(如插入式)不同。真空断路器的机械特性表现为动触头相对于静触头的运动特性。笔者通过对真空断路器机械参数的试验和分析，对传统分析、测试方法进行探讨，对机械参数在设计、使用、测试等方面存在的问题提出看法。 2 测试系统简图 以12kv真空断路器为例分析真空断路器的机械特性，图1为系统简图。测试是针对动导电杆下端点A相对于灭弧室静端面的运动特性。传感器是基于霍耳效应的线性传感器，采用XBT型进口测试仪。 3 触头开距 触头开距是指分闸位置时，开关一极的各触头间或其连接的任何导电部分之间的总间隙[1]。 真空断路器的触头开距取决于额定电压、分断性质、耐压水平及寿命要求。为提高绝缘水平，应适当增大触头开距；为适应频繁操作，提高真空断路器的寿命，应减小触头开距。真空灭弧室的机械寿命主要取决于波纹管，波纹管是真空灭弧室中最薄弱的元件。理论分析表明，波纹管的疲劳寿命与压缩行程的35次幂成正比[2]。显然，减小压缩行程对提高波纹管的机械寿命非常有效。因此，调试时应防止波纹管受到过量的压缩，操作时，还应注意过冲行程不宜过大。又由于真空断路器分闸时有重击穿现象发生，所以对于减小触头开距应慎重。 为便于探讨触头开距，将分闸状态的触头开距称为静态开距，而将分闸操作中的触头开距称为动态开距。 3.1 静态开距 通过仪器对真空断路器进行合闸操作测试，其C相时间行程特性曲线如图2所示。图中，纵坐标0点位置对应断路器分闸为证，触头开距为7.70mm(动触头由分闸位置到动、静触头刚接触点的行程)，即动、静触头导电部分间的间隙。 测量触头开距的传统方法是：分别测量动导电杆上一点在分、合闸位置时相对于同一基准的距离，二者之差则为触头开距，对应于图2中，分闸位置到合闸位置的行程10.28mm，与真实间隙相差2.58 mm。 分析两种方法所测值出现误差的原因：①加工制造产生的误差：动、静触头表面微观不平；触头表面相互不平行，对接不理想；②零件设计产生的误差：动、静触头材料、结构及导电杆刚度较小；基体支撑部分刚度较小等。触头接触后，在触头弹簧压力及冲击力作用下，产生弹、塑性变形而导致。 由于传感器是机械固定在动导电杆端及上支架上，而且传感器的质量很小，所以对于该测量系统可认为是刚性的，同时，该例中对于测量基准也采用的相同基准，分析也基于同一曲线，所以由测量方法产生的误差可忽略。根据统计，误差值因断路器及灭弧室的不同而有所不同，约为O～3mn，分散性很大。 为使测量结果准确、稳定，可使断路器空载合、分操作一定次数，拍平触头毛刺，增加接触面积，尽可能消除可能出现的塑性变形，增强整体抗变形能力，以减小测量值的分散性。同时，由于系统弹性变形仍然存在，所以建议采用测试仪器直接读数，也可用欧姆表等监测触头刚接触位置时，测量动触头在分闸位置与触头刚接触位置间的真实距离作为触头开距。 3.2 动态开距 3.2.1 最小动态开距——有效开距 真空断路器在分闸操作过程中，动、静触头间可能出现的最小间隙即最小动态开距。 图3为重合闸测试的时间行程特性曲线图。 2次分闸过程中的最小动态开距是不同的，对于该断路器的最小动态开距应取第2次分闸时的最小动态开距，即触头刚接触位置与第2次分闸反弹最高点之间的距离为7.10mm。在2次分闸过程中，触头最小动态开距的不同是由缓冲器不稳定造成的。 目前，控制最小动态开距的办法是通过控制触头开距和分闸反弹幅值，二者差表征最小动态开距。但从上面分析可知，影响最小动态开距的因素除触头开距、分闸反弹幅值外，还有缓冲器复位情况。很多出现开断失败及重击穿现象的原因是有效开距过小，故应规定断路器的最小动态开距。 同样，在测量静态开距时，也需考虑缓冲器的影响，由此可见，分闸缓冲器是十分重要的。 有效开距将直接影响开断及弧后绝缘，它同时考虑了合闸触头变形、分闸反弹、缓冲器复位等情况，使各影响因素有机地联系在一起，解决了以往各自独立考虑时可能出现的问题。对于真空灭弧室的最小动态开距，应根据它所要完成的开断任务，通过型式试验确定。 3.2.2 最大动态开距 在合、分闸操作中动触头的最大行程即为最大动态开距。从图3中可以看出，最大动态开距为合闸过冲极值点与第1次分闸过冲极值点间的距离13.88mm，远大于额定开距11 mm。可见，最大动态开距将直接影响真空灭弧室波纹管的寿命，从而影响灭弧室寿命及机构稳定性。 3.2.3 分闸触头反弹幅值 分闸反弹影响触头有效开距，反弹值较大时，可能导致开断后的重击穿，同时使波纹管由于受大振幅的强迫振动而过早出现裂纹导致灭弧室漏气，影响寿命。对于分闸反弹幅值，标准鹏3855中没有给定测量方法。出于对电气性能(耐压和开断等)的考虑，应以静态触头开距和有效开距为准，而出于对机械性能(寿命等)的考虑，应控制其振动的最大幅值，尽可能减小最大振幅。 综上所述，为从根本上解决目前真空断路器性能不稳定、真空灭弧室性能离散性较大等问题，使产品性能有质的提高，有必要改进对真空断路器触头开距的要求，在规定额定触头开距的同时，对最小动态开距、最大动态开距进行规定。 4 合闸弹跳 目前，真空断路器均采用对接式触头，且合闸速度较高，触头在合闸时就可能产生弹跳。由于弹跳不但会使触头熔焊，产生过电压，而且还会使波纹管受强迫振动而出现裂纹，导致灭弧室漏气，所以合闸弹跳越小越好。 在图4的合闸时间行程特性曲线中，合闸时都出现了弹跳。有必要说明的是，真空断路器的弹跳应为动静触头在接触后出现反向运动(触头弹开)，并经若干次弹开至触头最终持续接触这一过程。当无相对位移(接触后没有弹开)时，开关无弹跳。 析弹跳曲线图4(a)，从触头刚接触一直到弹跳结束，动触头下端点的运动没有出现突变，运动特性仍为线性。说明反弹没有出现在动触头下端点，而出现在动、静触头部分(包括动静导电杆及基体)，即动、静触头间形成了一个碰撞反弹系，在碰撞过程中，动能没有完全被消耗掉，出现了弹跳，又由于动触头以后部分传动间隙较小及触头弹簧刚性较大，激振力没有能够激起动导电杆及以后部分的响应，而静端支撑刚度相对较小或触头刚性小，动、静触头的分离，即弹跳(称一级弹跳)，由静触头位移或动、静触头形变完成。 分析弹跳曲线图4(b)，在弹跳过程中，动触头下端点的运动出现突变，发生反弹，说明在动静触头碰撞后，动触头末端对弹跳激振出现了响应。由于动、静触头间碰撞过程中动能没有完全消耗掉，又由于传动间隙较大及触头弹簧刚性较小(主要为间隙)，没有能够抑制住动触头末端的位移，一级弹跳系统与动导电杆以后部分一起组成二级弹跳系统，并出现二级弹跳，反弹表现在动触头位移，或动触头与静触头两部分位移上。 对这2种合闸弹跳情况进行试验分析，有这样一个统计规律：曲线(a)的弹跳时间普遍较小(一般小于1.5ms)；而曲线(b)弹跳时间相对较长。可以认为，小的传动间隙和大的触头弹簧刚度能很好地抑制动导电杆以后部分参与弹跳系，对反弹有很好的抑制作用，可减小弹跳时间。 通过分析，影响合闸弹跳的因素有：触头材料、触头结构和动、静导电杆及支撑部分的刚度、触头弹簧刚度及预压力、传动件间隙等。 减小弹跳仅靠减小传动环节间隙、提高触头弹簧的压力是不够的，必须减小并消除一级弹跳，并采取相应措施，才能从根本上解决弹跳问题。 对于一级弹跳，需尽量减小合闸时动触头系统的动能，增加静端支撑部分刚性，同时利用两物体相互碰撞后动能损失的原理，在触头浅表加上阻尼器或利用材料本身的阻尼或触头的结构，设计出能吸收多余能量的触头，使其不产生或减小一级弹跳。 对于二级弹跳，采用一些诸如增加触头弹簧预压力，增加触头弹簧刚性，提高零件加工精度，减小传动环节间隙等措施抑制二级弹跳。 当然，合闸无弹跳或弹跳越小越好，但大量试验证明，将触头弹开时间限制在足够小的范围内(如小于2—)，就足以保证触头高质量的工作。 5 分闸速度 真空断路器对分闸速度是有一定要求的，因为它影响燃弧时间和弧后介质强度的恢复速度。 为分析方便，将图3中第1个分闸操作与合闸操作放大，同时打开时间速度特性通道，如图5所示。在动、静触头刚分离瞬间，动触头下端已经具有一定的速度，但此时，动触头位置与触头刚合位置尚有一段距离(2.29mm)，触头变形尚未恢复。说明在机构脱扣后，动触头在分闸弹簧和触头弹簧及动静触头变形能的共同作用下，在分离前已经开始运动。 由于触头恢复变形的速度方向(朝着减小触头开距的方向)与动触头分闸速度方向(朝着增大触头开距的方向)相反，所以，当分闸速度大于触头变形速度时，触头分离，触头间的相对速度为分闸速度与触头形变速度之差，此相对速度为有效(增大开距)速度，该相对速度一直持续到触头恢复变形为止。所以，虽然刚分绝对速度较快，但并非动静触头的相对速度。影响触头间隙增加快慢的速度为有效速度，它将决定弧后介质恢复速度，也决定燃弧时间的长短。由此可见，提高刚分速度，减小触头形变，对提高真空断路器的开断能力十分有利。目前，对于分闸速度的测试区段各不相同，有的规定为全开距，有的规定从刚分到接触缓冲器前，有的规定为分后一定区段。根据图5，若按刚分6 mm区段来计算平均分闸速度，通过仪器测试出的速度为动触头相对于合闸位置的位移6 mm区段的平均速度，此时开距约为3.8mm，实际计算的是从刚分到有效开距为3.8 mm时的平均速度。对于12 kV断路器来说，此间隙尚不够所需的安全间隙。在这种情况下，若要规定分闸速度为一定区段内的平均速度，就应将触头变形考虑进去。比较合理的办法是将触头变形最大值加上触头间的安全间隙(即有效开距，如6mm)，作为刚分后控制平均速度的区段，即保证动静触头在一定时间内建立起足够的绝缘灭弧间隙。 分闸弹簧在全部分闸过程中都起作用，不仅影响断路器的刚分速度，而且还影响最大分闸速度。分闸弹簧的力越大，释放能量越多，则刚分速度和最大速度越大。触头弹簧只在超行程阶段起作用，因此对刚分速度有直接影响[2]。而且，触头本身的弹性及静触头系统的支撑部分的刚性也对分闸速度，尤其是刚分速度有很大影响。 6 超行程 合闸操作中，开关触头接触后动触头继续运动的距离为超行程(对某些结构，如对接式触头，为触头接触后产生闭合力的动触头部件继续运动的距离[1]。 超行程的作用是保证触头在一定程度电磨损后仍能保持一定的接触压力和可靠的电接触；在分闸时，使动触头获得一定的初始冲击动能，提高动触头的初始加速度和拉断触头熔焊点；使真空断路器在合闸时能够借助于触头弹簧力得到平滑的缓冲，减轻冲击力。 通常，真空断路器的超行程只取触头开距的15％～40％[3]。各种真空断路器超行程各不相同，目前基本都用触头弹簧在分合闸时弹簧压缩量来表示，就12kV真空断路器来说，数值从2mm到10mm不等。而对于运行着的开关，习惯上用超行程的减小值来表示触头的磨损量，以此间接估算真空断路器的剩余电寿命，并依据超行程的减小值来确定触头接触压力是否仍在规定范围内。　　同样的弹簧、同样的超行程将因其在机构中所处位置不同、所服务的断路器的不同而不同，所以，对超行程及触头弹簧的设计应综合考虑。 首先，对于接触压力：①为保证触头在刚接触之后就能立即可靠地接触，必须保证一定的触头初压力；⑦为保证触头在正常工作时可靠接触，其终压力应在要求范围内；④为保证在一定程度电磨损(应包括机械性缩短)下仍能可靠接触，应要求其对触头磨损具有一定的补偿作用。 其次，对于提高触头刚分速度来说，应将触头弹簧在超行程部分释放能量加大。 最后，对于合闸时的缓冲作用，应综合考虑合闸弹簧、分闸弹簧及机构等其它零部件的情况。 参考文献： [1]GB／T 2900 20 1994电工术语 高压开关设备[S] [2]徐国政，张节容，钱家骊，等高压断路器原理和应用[M]北京清华大学出版社，2000. [3]王季梅，吴维忠，魏一钧，等真空开关[M]北京机械工业出版社，1983. 作者简介：姜生(1969—)，男，辽宁大连普兰店人，工程师，从事高压电器技术开发工作。