真空斷路器機(jī)械特性的技術(shù)探討
摘要： 通過(guò)使用先進(jìn)儀器對(duì)真空斷路器機(jī)械特性進(jìn)行測(cè)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(wèn)題。 （www.csxinglv.com)
參數(shù)存在的一些問(wèn)題。
關(guān)鍵詞： 真空斷路器； 機(jī)械特性； 參數(shù)
中圖分類號(hào)： TM561.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)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(dòng)觸頭相對(duì)于靜觸頭的運(yùn)動(dòng)特性。筆者通過(guò)對(duì)真空斷路器機(jī)械參數(shù)的試驗(yàn)和分析，對(duì)傳統(tǒng)分析、測(cè)試方法進(jìn)行探討，對(duì)機(jī)械參數(shù)在設(shè)計(jì)、使用、測(cè)試等方面存在的問(wèn)題提出看法。
2 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jiǎn)圖。測(cè)試是針對(duì)動(dòng)導(dǎo)電桿下端點(diǎn)A相對(duì)于滅弧室靜端面的運(yùn)動(dòng)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(cè)試儀。
3 觸頭開(kāi)距
觸頭開(kāi)距是指分閘位置時(shí)，開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(duì)提高波紋管的機(jī)械壽命非常有效。因此，調(diào)試時(shí)應(yīng)防止波紋管受到過(guò)量的壓縮，操作時(shí)，還應(yīng)注意過(guò)沖行程不宜過(guò)大。又由于真空斷路器分閘時(shí)有重?fù)舸┈F(xiàn)象發(fā)生，所以對(duì)于減小觸頭開(kāi)距應(yīng)慎重。
為便于探討觸頭開(kāi)距，將分閘狀態(tài)的觸頭開(kāi)距稱為靜態(tài)開(kāi)距，而將分閘操作中的觸頭開(kāi)距稱為動(dòng)態(tài)開(kāi)距。
3.1 靜態(tài)開(kāi)距
通過(guò)儀器對(duì)真空斷路器進(jìn)行合閘操作測(cè)試，其C相時(shí)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(dòng)觸頭由分閘位置到動(dòng)、靜觸頭剛接觸點(diǎn)的行程)，即動(dòng)、靜觸頭導(dǎo)電部分間的間隙。
測(cè)量觸頭開(kāi)距的傳統(tǒng)方法是：分別測(cè)量動(dòng)導(dǎo)電桿上一點(diǎn)在分、合閘位置時(shí)相對(duì)于同一基準(zhǔn)的距離，二者之差則為觸頭開(kāi)距，對(duì)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(cè)值出現(xiàn)誤差的原因：①加工制造產(chǎn)生的誤差：動(dòng)、靜觸頭表面微觀不平；觸頭表面相互不平行，對(duì)接不理想；②零件設(shè)計(jì)產(chǎn)生的誤差：動(dòng)、靜觸頭材料、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電桿剛度較小；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(dòng)導(dǎo)電桿端及上支架上，而且傳感器的質(zhì)量很小，所以對(duì)于該測(cè)量系統(tǒng)可認(rèn)為是剛性的，同時(shí)，該例中對(duì)于測(cè)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(cè)量方法產(chǎn)生的誤差可忽略。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(cè)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(cè)量值的分散性。同時(shí)，由于系統(tǒng)彈性變形仍然存在，所以建議采用測(cè)試儀器直接讀數(shù)，也可用歐姆表等監(jiān)測(cè)觸頭剛接觸位置時(shí)，測(cè)量動(dòng)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(kāi)距。
3.2 動(dòng)態(tài)開(kāi)距
3.2.1 最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距——有效開(kāi)距
真空斷路器在分閘操作過(guò)程中，動(dòng)、靜觸頭間可能出現(xiàn)的最小間隙即最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距。
圖3為重合閘測(cè)試的時(shí)間行程特性曲線圖。
2次分閘過(guò)程中的最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距是不同的，對(duì)于該斷路器的最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距應(yīng)取第2次分閘時(shí)的最小動(dòng)態(tài)開(kāi)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(guò)程中，觸頭最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距的不同是由緩沖器不穩(wěn)定造成的。
目前，控制最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距的辦法是通過(guò)控制觸頭開(kāi)距和分閘反彈幅值，二者差表征最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距。但從上面分析可知，影響最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距的因素除觸頭開(kāi)距、分閘反彈幅值外，還有緩沖器復(fù)位情況。很多出現(xiàn)開(kāi)斷失敗及重?fù)舸┈F(xiàn)象的原因是有效開(kāi)距過(guò)小，故應(yīng)規(guī)定斷路器的最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距。
同樣，在測(cè)量靜態(tài)開(kāi)距時(shí)，也需考慮緩沖器的影響，由此可見(jiàn)，分閘緩沖器是十分重要的。
有效開(kāi)距將直接影響開(kāi)斷及弧后絕緣，它同時(shí)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(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。對(duì)于真空滅弧室的最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距，應(yīng)根據(jù)它所要完成的開(kāi)斷任務(wù)，通過(guò)型式試驗(yàn)確定。
3.2.2 最大動(dòng)態(tài)開(kāi)距
在合、分閘操作中動(dòng)觸頭的最大行程即為最大動(dòng)態(tài)開(kāi)距。從圖3中可以看出，最大動(dòng)態(tài)開(kāi)距為合閘過(guò)沖極值點(diǎn)與第1次分閘過(guò)沖極值點(diǎn)間的距離13.88 mm，遠(yuǎn)大于額定開(kāi)距11 mm�？梢�(jiàn)，最大動(dòng)態(tài)開(kāi)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(kāi)距，反彈值較大時(shí)，可能導(dǎo)致開(kāi)斷后的重?fù)舸�，同時(shí)使波紋管由于受大振幅的強(qiáng)迫振動(dòng)而過(guò)早出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致滅弧室漏氣，影響壽命。對(duì)于分閘反彈幅值，標(biāo)準(zhǔn)鵬3855中沒(méi)有給定測(cè)量方法。出于對(duì)電氣性能(耐壓和開(kāi)斷等)的考慮，應(yīng)以靜態(tài)觸頭開(kāi)距和有效開(kāi)距為準(zhǔn)，而出于對(duì)機(jī)械性能(壽命等)的考慮，應(yīng)控制其振動(dòng)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(wèn)題，使產(chǎn)品性能有質(zhì)的提高，有必要改進(jìn)對(duì)真空斷路器觸頭開(kāi)距的要求，在規(guī)定額定觸頭開(kāi)距的同時(shí)，對(duì)最小動(dòng)態(tài)開(kāi)距、最大動(dòng)態(tài)開(kāi)距進(jìn)行規(guī)定。
4 合閘彈跳
目前，真空斷路器均采用對(duì)接式觸頭，且合閘速度較高，觸頭在合閘時(shí)就可能產(chǎn)生彈跳。由于彈跳不但會(huì)使觸頭熔焊，產(chǎn)生過(guò)電壓，而且還會(huì)使波紋管受強(qiáng)迫振動(dòng)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(shí)間行程特性曲線中，合閘時(shí)都出現(xiàn)了彈跳。有必要說(shuō)明的是，真空斷路器的彈跳應(yīng)為動(dòng)靜觸頭在接觸后出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)(觸頭彈開(kāi))，并經(jīng)若干次彈開(kāi)至觸頭最終持續(xù)接觸這一過(guò)程。當(dāng)無(wú)相對(duì)位移(接觸后沒(méi)有彈開(kāi))時(shí)，開(kāi)關(guān)無(wú)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(dòng)觸頭下端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有出現(xiàn)突變，運(yùn)動(dòng)特性仍為線性。說(shuō)明反彈沒(méi)有出現(xiàn)在動(dòng)觸頭下端點(diǎn)，而出現(xiàn)在動(dòng)、靜觸頭部分(包括動(dòng)靜導(dǎo)電桿及基體)，即動(dòng)、靜觸頭間形成了一個(gè)碰撞反彈系，在碰撞過(guò)程中，動(dòng)能沒(méi)有完全被消耗掉，出現(xiàn)了彈跳，又由于動(dòng)觸頭以后部分傳動(dòng)間隙較小及觸頭彈簧剛性較大，激振力沒(méi)有能夠激起動(dòng)導(dǎo)電桿及以后部分的響應(yīng)，而靜端支撐剛度相對(duì)較小或觸頭剛性小，動(dòng)、靜觸頭的分離，即彈跳(稱一級(jí)彈跳)，由靜觸頭位移或動(dòng)、靜觸頭形變完成。
分析彈跳曲線圖4(b)，在彈跳過(guò)程中，動(dòng)觸頭下端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)突變，發(fā)生反彈，說(shuō)明在動(dòng)靜觸頭碰撞后，動(dòng)觸頭末端對(duì)彈跳激振出現(xiàn)了響應(yīng)。由于動(dòng)、靜觸頭間碰撞過(guò)程中動(dòng)能沒(méi)有完全消耗掉，又由于傳動(dòng)間隙較大及觸頭彈簧剛性較小(主要為間隙)，沒(méi)有能夠抑制住動(dòng)觸頭末端的位移，一級(jí)彈跳系統(tǒng)與動(dòng)導(dǎo)電桿以后部分一起組成二級(jí)彈跳系統(tǒng)，并出現(xiàn)二級(jí)彈跳，反彈表現(xiàn)在動(dòng)觸頭位移，或動(dòng)觸頭與靜觸頭兩部分位移上。
對(duì)這2種合閘彈跳情況進(jìn)行試驗(yàn)分析，有這樣一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：曲線(a)的彈跳時(shí)間普遍較小(一般小于1.5ms)；而曲線(b)彈跳時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。可以認(rèn)為，小的傳動(dòng)間隙和大的觸頭彈簧剛度能很好地抑制動(dòng)導(dǎo)電桿以后部分參與彈跳系，對(duì)反彈有很好的抑制作用，可減小彈跳時(shí)間。
通過(guò)分析，影響合閘彈跳的因素有：觸頭材料、觸頭結(jié)構(gòu)和動(dòng)、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(dòng)件間隙等。
減小彈跳僅靠減小傳動(dòng)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(jí)彈跳，并采取相應(yīng)措施，才能從根本上解決彈跳問(wèn)題。
對(duì)于一級(jí)彈跳，需盡量減小合閘時(shí)動(dòng)觸頭系統(tǒng)的動(dòng)能，增加靜端支撐部分剛性，同時(shí)利用兩物體相互碰撞后動(dòng)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(jì)出能吸收多余能量的觸頭，使其不產(chǎn)生或減小一級(jí)彈跳。
對(duì)于二級(jí)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(dòng)環(huán)節(jié)間隙等措施抑制二級(jí)彈跳。
當(dāng)然，合閘無(wú)彈跳或彈跳越小越好，但大量試驗(yàn)證明，將觸頭彈開(kāi)時(shí)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(duì)分閘速度是有一定要求的，因?yàn)樗绊懭蓟r(shí)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(gè)分閘操作與合閘操作放大，同時(shí)打開(kāi)時(shí)間速度特性通道，如圖5所示。在動(dòng)、靜觸頭剛分離瞬間，動(dòng)觸頭下端已經(jīng)具有一定的速度，但此時(shí)，動(dòng)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(shuō)明在機(jī)構(gòu)脫扣后，動(dòng)觸頭在分閘彈簧和觸頭彈簧及動(dòng)靜觸頭變形能的共同作用下，在分離前已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。
由于觸頭恢復(fù)變形的速度方向(朝著減小觸頭開(kāi)距的方向)與動(dòng)觸頭分閘速度方向(朝著增大觸頭開(kāi)距的方向)相反，所以，當(dāng)分閘速度大于觸頭變形速度時(shí)，觸頭分離，觸頭間的相對(duì)速度為分閘速度與觸頭形變速度之差，此相對(duì)速度為有效(增大開(kāi)距)速度，該相對(duì)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(duì)速度較快，但并非動(dòng)靜觸頭的相對(duì)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(shí)間的長(zhǎng)短。由此可見(jiàn)，提高剛分速度，減小觸頭形變，對(duì)提高真空斷路器的開(kāi)斷能力十分有利。目前，對(duì)于分閘速度的測(cè)試區(qū)段各不相同，有的規(guī)定為全開(kāi)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(lái)計(jì)算平均分閘速度，通過(guò)儀器測(cè)試出的速度為動(dòng)觸頭相對(duì)于合閘位置的位移6 mm區(qū)段的平均速度，此時(shí)開(kāi)距約為3.8 mm，實(shí)際計(jì)算的是從剛分到有效開(kāi)距為3.8 mm時(shí)的平均速度。對(duì)于12 kV斷路器來(lái)說(shuō)，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(kāi)距，如6 mm)，作為剛分后控制平均速度的區(qū)段，即保證動(dòng)靜觸頭在一定時(shí)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(guò)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(duì)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(duì)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(kāi)關(guān)觸頭接觸后動(dòng)觸頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離為超行程(對(duì)某些結(jié)構(gòu)，如對(duì)接式觸頭，為觸頭接觸后產(chǎn)生閉合力的動(dòng)觸頭部件繼續(xù)運(yùn)動(dòng)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(shí)，使動(dòng)觸頭獲得一定的初始沖擊動(dòng)能，提高動(dòng)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(shí)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(kāi)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(shí)彈簧壓縮量來(lái)表示，就12 kV真空斷路器來(lái)說(shuō)，數(shù)值從2mm到10mm不等。而對(duì)于運(yùn)行著的開(kāi)關(guān)，習(xí)慣上用超行程的減小值來(lái)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(lái)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(duì)超行程及觸頭彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮。
首先，對(duì)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(shí)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(duì)觸頭磨損具有一定的補(bǔ)償作用。
其次，對(duì)于提高觸頭剛分速度來(lái)說(shuō)，應(yīng)將觸頭彈簧在超行程部分釋放能量加大。
最后，對(duì)于合閘時(shí)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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