真空斷路器機(jī)械特性的技術(shù)探討
摘要： 通過使用先進(jìn)儀器對真空斷路器機(jī)械特性進(jìn)行測試分析，探討了目前真空斷路器機(jī)械特性參數(shù)存在的一些問題。 （www.csxinglv.com)
參數(shù)存在的一些問題。
關(guān)鍵詞： 真空斷路器； 機(jī)械特性； 參數(shù)
中圖分類號： TM561.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B
1 引言
真空斷路器的主要特點(diǎn)在于利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)，由于觸頭為對接式結(jié)構(gòu)，使得其機(jī)械特性參數(shù)與其它結(jié)構(gòu)(如插入式)不同。真空斷路器的機(jī)械特性表現(xiàn)為動觸頭相對于靜觸頭的運(yùn)動特性。筆者通過對真空斷路器機(jī)械參數(shù)的試驗(yàn)和分析，對傳統(tǒng)分析、測試方法進(jìn)行探討，對機(jī)械參數(shù)在設(shè)計、使用、測試等方面存在的問題提出看法。
2 測試系統(tǒng)簡圖
以12 kv真空斷路器為例分析真空斷路器的機(jī)械特性，圖1為系統(tǒng)簡圖。測試是針對動導(dǎo)電桿下端點(diǎn)A相對于滅弧室靜端面的運(yùn)動特性。傳感器是基于霍耳效應(yīng)的線性傳感器，采用XBT型進(jìn)口測試儀。
3 觸頭開距
觸頭開距是指分閘位置時，開關(guān)一極的各觸頭間或其連接的任何導(dǎo)電部分之間的總間隙[1]。
真空斷路器的觸頭開距取決于額定電壓、分?jǐn)嘈再|(zhì)、耐壓水平及壽命要求。為提高絕緣水平，應(yīng)適當(dāng)增大觸頭開距；為適應(yīng)頻繁操作，提高真空斷路器的壽命，應(yīng)減小觸頭開距。真空滅弧室的機(jī)械壽命主要取決于波紋管，波紋管是真空滅弧室中最薄弱的元件。理論分析表明，波紋管的疲勞壽命與壓縮行程的3 5次冪成正比[2]。顯然，減小壓縮行程對提高波紋管的機(jī)械壽命非常有效。因此，調(diào)試時應(yīng)防止波紋管受到過量的壓縮，操作時，還應(yīng)注意過沖行程不宜過大。又由于真空斷路器分閘時有重?fù)舸┈F(xiàn)象發(fā)生，所以對于減小觸頭開距應(yīng)慎重。
為便于探討觸頭開距，將分閘狀態(tài)的觸頭開距稱為靜態(tài)開距，而將分閘操作中的觸頭開距稱為動態(tài)開距。
3.1 靜態(tài)開距
通過儀器對真空斷路器進(jìn)行合閘操作測試，其C相時間行程特性曲線如圖2所示。圖中，縱坐標(biāo)0點(diǎn)恢枚雜Χ下菲鞣終⑽恢�，触头开巨\?.70 mm(動觸頭由分閘位置到動、靜觸頭剛接觸點(diǎn)的行程)，即動、靜觸頭導(dǎo)電部分間的間隙。
測量觸頭開距的傳統(tǒng)方法是：分別測量動導(dǎo)電桿上一點(diǎn)在分、合閘位置時相對于同一基準(zhǔn)的距離，二者之差則為觸頭開距，對應(yīng)于圖2中，分閘位置到合閘位置的行程10.28 mm，與真實(shí)間隙相差2.58 mm。
分析兩種方法所測值出現(xiàn)誤差的原因：①加工制造產(chǎn)生的誤差：動、靜觸頭表面微觀不平；觸頭表面相互不平行，對接不理想；②零件設(shè)計產(chǎn)生的誤差：動、靜觸頭材料、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電桿剛度較��；基體支撐部分剛度較小等。觸頭接觸后，在觸頭彈簧壓力及沖擊力作用下，產(chǎn)生彈、塑性變形而導(dǎo)致。
由于傳感器是機(jī)械固定在動導(dǎo)電桿端及上支架上，而且傳感器的質(zhì)量很小，所以對于該測量系統(tǒng)可認(rèn)為是剛性的，同時，該例中對于測量基準(zhǔn)也采用的相同基準(zhǔn)，分析也基于同一曲線，所以由測量方法產(chǎn)生的誤差可忽略。根據(jù)統(tǒng)計，誤差值因斷路器及滅弧室的不同而有所不同，約為O～3 mn，分散性很大。
為使測量結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定，可使斷路器空載合、分操作一定次數(shù)，拍平觸頭毛刺，增加接觸面積，盡可能消除可能出現(xiàn)的塑性變形，增強(qiáng)整體抗變形能力，以減小測量值的分散性。同時，由于系統(tǒng)彈性變形仍然存在，所以建議采用測試儀器直接讀數(shù)，也可用歐姆表等監(jiān)測觸頭剛接觸位置時，測量動觸頭在分閘位置與觸頭剛接觸位置間的真實(shí)距離作為觸頭開距。
3.2 動態(tài)開距
3.2.1 最小動態(tài)開距——有效開距
真空斷路器在分閘操作過程中，動、靜觸頭間可能出現(xiàn)的最小間隙即最小動態(tài)開距。
圖3為重合閘測試的時間行程特性曲線圖。
2次分閘過程中的最小動態(tài)開距是不同的，對于該斷路器的最小動態(tài)開距應(yīng)取第2次分閘時的最小動態(tài)開距，即觸頭剛接觸位置與第2次分閘反彈最高點(diǎn)之間的距離為7.10 mm。在2次分閘過程中，觸頭最小動態(tài)開距的不同是由緩沖器不穩(wěn)定造成的。
目前，控制最小動態(tài)開距的辦法是通過控制觸頭開距和分閘反彈幅值，二者差表征最小動態(tài)開距。但從上面分析可知，影響最小動態(tài)開距的因素除觸頭開距、分閘反彈幅值外，還有緩沖器復(fù)位情況。很多出現(xiàn)開斷失敗及重?fù)舸┈F(xiàn)象的原因是有效開距過小，故應(yīng)規(guī)定斷路器的最小動態(tài)開距。
同樣，在測量靜態(tài)開距時，也需考慮緩沖器的影響，由此可見，分閘緩沖器是十分重要的。
有效開距將直接影響開斷及弧后絕緣，它同時考慮了合閘觸頭變形、分閘反彈、緩沖器復(fù)位等情況，使各影響因素有機(jī)地聯(lián)系在一起，解決了以往各自獨(dú)立考慮時可能出現(xiàn)的問題。對于真空滅弧室的最小動態(tài)開距，應(yīng)根據(jù)它所要完成的開斷任務(wù)，通過型式試驗(yàn)確定。
3.2.2 最大動態(tài)開距
在合、分閘操作中動觸頭的最大行程即為最大動態(tài)開距。從圖3中可以看出，最大動態(tài)開距為合閘過沖極值點(diǎn)與第1次分閘過沖極值點(diǎn)間的距離13.88 mm，遠(yuǎn)大于額定開距11 mm。可見，最大動態(tài)開距將直接影響真空滅弧室波紋管的壽命，從而影響滅弧室壽命及機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。
3.2.3 分閘觸頭反彈幅值
分閘反彈影響觸頭有效開距，反彈值較大時，可能導(dǎo)致開斷后的重?fù)舸瑫r使波紋管由于受大振幅的強(qiáng)迫振動而過早出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致滅弧室漏氣，影響壽命。對于分閘反彈幅值，標(biāo)準(zhǔn)鵬3855中沒有給定測量方法。出于對電氣性能(耐壓和開斷等)的考慮，應(yīng)以靜態(tài)觸頭開距和有效開距為準(zhǔn)，而出于對機(jī)械性能(壽命等)的考慮，應(yīng)控制其振動的最大幅值，盡可能減小最大振幅。
綜上所述，為從根本上解決目前真空斷路器性能不穩(wěn)定、真空滅弧室性能離散性較大等問題，使產(chǎn)品性能有質(zhì)的提高，有必要改進(jìn)對真空斷路器觸頭開距的要求，在規(guī)定額定觸頭開距的同時，對最小動態(tài)開距、最大動態(tài)開距進(jìn)行規(guī)定。
4 合閘彈跳
目前，真空斷路器均采用對接式觸頭，且合閘速度較高，觸頭在合閘時就可能產(chǎn)生彈跳。由于彈跳不但會使觸頭熔焊，產(chǎn)生過電壓，而且還會使波紋管受強(qiáng)迫振動而出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致滅弧室漏氣，所以合閘彈跳越小越好。
在圖4的合閘時間行程特性曲線中，合閘時都出現(xiàn)了彈跳。有必要說明的是，真空斷路器的彈跳應(yīng)為動靜觸頭在接觸后出現(xiàn)反向運(yùn)動(觸頭彈開)，并經(jīng)若干次彈開至觸頭最終持續(xù)接觸這一過程。當(dāng)無相對位移(接觸后沒有彈開)時，開關(guān)無彈跳。
分析彈跳曲線圖4(a)，從觸頭剛接觸一直到彈跳結(jié)束，動觸頭下端點(diǎn)的運(yùn)動沒有出現(xiàn)突變，運(yùn)動特性仍為線性。說明反彈沒有出現(xiàn)在動觸頭下端點(diǎn)，而出現(xiàn)在動、靜觸頭部分(包括動靜導(dǎo)電桿及基體)，即動、靜觸頭間形成了一個碰撞反彈系，在碰撞過程中，動能沒有完全被消耗掉，出現(xiàn)了彈跳，又由于動觸頭以后部分傳動間隙較小及觸頭彈簧剛性較大，激振力沒有能夠激起動導(dǎo)電桿及以后部分的響應(yīng)，而靜端支撐剛度相對較小或觸頭剛性小，動、靜觸頭的分離，即彈跳(稱一級彈跳)，由靜觸頭位移或動、靜觸頭形變完成。
分析彈跳曲線圖4(b)，在彈跳過程中，動觸頭下端點(diǎn)的運(yùn)動出現(xiàn)突變，發(fā)生反彈，說明在動靜觸頭碰撞后，動觸頭末端對彈跳激振出現(xiàn)了響應(yīng)。由于動、靜觸頭間碰撞過程中動能沒有完全消耗掉，又由于傳動間隙較大及觸頭彈簧剛性較小(主要為間隙)，沒有能夠抑制住動觸頭末端的位移，一級彈跳系統(tǒng)與動導(dǎo)電桿以后部分一起組成二級彈跳系統(tǒng)，并出現(xiàn)二級彈跳，反彈表現(xiàn)在動觸頭位移，或動觸頭與靜觸頭兩部分位移上。
對這2種合閘彈跳情況進(jìn)行試驗(yàn)分析，有這樣一個統(tǒng)計規(guī)律：曲線(a)的彈跳時間普遍較小(一般小于1.5ms)；而曲線(b)彈跳時間相對較長�？梢哉J(rèn)為，小的傳動間隙和大的觸頭彈簧剛度能很好地抑制動導(dǎo)電桿以后部分參與彈跳系，對反彈有很好的抑制作用，可減小彈跳時間。
通過分析，影響合閘彈跳的因素有：觸頭材料、觸頭結(jié)構(gòu)和動、靜導(dǎo)電桿及支撐部分的剛度、觸頭彈簧剛度及預(yù)壓力、傳動件間隙等。
減小彈跳僅靠減小傳動環(huán)節(jié)間隙、提高觸頭彈簧的壓力是不夠的，必須減小并消除一級彈跳，并采取相應(yīng)措施，才能從根本上解決彈跳問題。
對于一級彈跳，需盡量減小合閘時動觸頭系統(tǒng)的動能，增加靜端支撐部分剛性，同時利用兩物體相互碰撞后動能損失的原理，在觸頭淺表加上阻尼器或利用材料本身的阻尼或觸頭的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出能吸收多余能量的觸頭，使其不產(chǎn)生或減小一級彈跳。
對于二級彈跳，采用一些諸如增加觸頭彈簧預(yù)壓力，增加觸頭彈簧剛性，提高零件加工精度，減小傳動環(huán)節(jié)間隙等措施抑制二級彈跳。
當(dāng)然，合閘無彈跳或彈跳越小越好，但大量試驗(yàn)證明，將觸頭彈開時間限制在足夠小的范圍內(nèi)(如小于2—)，就足以保證觸頭高質(zhì)量的工作。
5 分閘速度
真空斷路器對分閘速度是有一定要求的，因?yàn)樗绊懭蓟r間和弧后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度。
為分析方便，將圖3中第1個分閘操作與合閘操作放大，同時打開時間速度特性通道，如圖5所示。在動、靜觸頭剛分離瞬間，動觸頭下端已經(jīng)具有一定的速度，但此時，動觸頭位置與觸頭剛合位置尚有一段距離(2.29 mm)，觸頭變形尚未恢復(fù)。說明在機(jī)構(gòu)脫扣后，動觸頭在分閘彈簧和觸頭彈簧及動靜觸頭變形能的共同作用下，在分離前已經(jīng)開始運(yùn)動。
由于觸頭恢復(fù)變形的速度方向(朝著減小觸頭開距的方向)與動觸頭分閘速度方向(朝著增大觸頭開距的方向)相反，所以，當(dāng)分閘速度大于觸頭變形速度時，觸頭分離，觸頭間的相對速度為分閘速度與觸頭形變速度之差，此相對速度為有效(增大開距)速度，該相對速度一直持續(xù)到觸頭恢復(fù)變形為止。所以，雖然剛分絕對速度較快，但并非動靜觸頭的相對速度。影響觸頭間隙增加快慢的速度為有效速度，它將決定弧后介質(zhì)恢復(fù)速度，也決定燃弧時間的長短。由此可見，提高剛分速度，減小觸頭形變，對提高真空斷路器的開斷能力十分有利。目前，對于分閘速度的測試區(qū)段各不相同，有的規(guī)定為全開距，有的規(guī)定從剛分到接觸緩沖器前，有的規(guī)定為分后一定區(qū)段。根據(jù)圖5，若按剛分6 mm區(qū)段來計算平均分閘速度，通過儀器測試出的速度為動觸頭相對于合閘位置的位移6 mm區(qū)段的平均速度，此時開距約為3.8 mm，實(shí)際計算的是從剛分到有效開距為3.8 mm時的平均速度。對于12 kV斷路器來說，此間隙尚不夠所需的安全間隙。在這種情況下，若要規(guī)定分閘速度為一定區(qū)段內(nèi)的平均速度，就應(yīng)將觸頭變形考慮進(jìn)去。比較合理的辦法是將觸頭變形最大值加上觸頭間的安全間隙(即有效開距，如6 mm)，作為剛分后控制平均速度的區(qū)段，即保證動靜觸頭在一定時間內(nèi)建立起足夠的絕緣滅弧間隙。
分閘彈簧在全部分閘過程中都起作用，不僅影響斷路器的剛分速度，而且還影響最大分閘速度。分閘彈簧的力越大，釋放能量越多，則剛分速度和最大速度越大。觸頭彈簧只在超行程階段起作用，因此對剛分速度有直接影響[2]。而且，觸頭本身的彈性及靜觸頭系統(tǒng)的支撐部分的剛性也對分閘速度，尤其是剛分速度有很大影響。
6 超行程
合閘操作中，開關(guān)觸頭接觸后動觸頭繼續(xù)運(yùn)動的距離為超行程(對某些結(jié)構(gòu)，如對接式觸頭，為觸頭接觸后產(chǎn)生閉合力的動觸頭部件繼續(xù)運(yùn)動的距離[1]。
超行程的作用是保證觸頭在一定程度電磨損后仍能保持一定的接觸壓力和可靠的電接觸；在分閘時，使動觸頭獲得一定的初始沖擊動能，提高動觸頭的初始加速度和拉斷觸頭熔焊點(diǎn)；使真空斷路器在合閘時能夠借助于觸頭彈簧力得到平滑的緩沖，減輕沖擊力。
通常，真空斷路器的超行程只取觸頭開距的15％～40％[3]。各種真空斷路器超行程各不相同，目前基本都用觸頭彈簧在分合閘時彈簧壓縮量來表示，就12 kV真空斷路器來說，數(shù)值從2mm到10mm不等。而對于運(yùn)行著的開關(guān)，習(xí)慣上用超行程的減小值來表示觸頭的磨損量，以此間接估算真空斷路器的剩余電壽命，并依據(jù)超行程的減小值來確定觸頭接觸壓力是否仍在規(guī)定范圍內(nèi)。
同樣的彈簧、同樣的超行程將因其在機(jī)構(gòu)中所處位置不同、所服務(wù)的斷路器的不同而不同，所以，對超行程及觸頭彈簧的設(shè)計應(yīng)綜合考慮。
首先，對于接觸壓力：①為保證觸頭在剛接觸之后就能立即可靠地接觸，必須保證一定的觸頭初壓力；⑦為保證觸頭在正常工作時可靠接觸，其終壓力應(yīng)在要求范圍內(nèi)；④為保證在一定程度電磨損(應(yīng)包括機(jī)械性縮短)下仍能可靠接觸，應(yīng)要求其對觸頭磨損具有一定的補(bǔ)償作用。
其次，對于提高觸頭剛分速度來說，應(yīng)將觸頭彈簧在超行程部分釋放能量加大。
最后，對于合閘時的緩沖作用，應(yīng)綜合考慮合閘彈簧、分閘彈簧及機(jī)構(gòu)等其它零部件的情況。
參考文獻(xiàn)：陜西伊科電力技術(shù)有限公司（http://www.csxinglv.com)
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