10 kV跌落式熔斷器的觸頭設(shè)計(jì)

張百運(yùn)，富 巍，王淑慧

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門ABB電器控制設(shè)備有限公司，福建 廈門 361003)

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10 kV跌落式熔斷器的觸頭設(shè)計(jì)

張百運(yùn)1，富 巍1，王淑慧2

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門ABB電器控制設(shè)備有限公司，福建 廈門 361003)

針對目前國產(chǎn)跌落式熔斷器的觸頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械壽命和接觸可靠性低等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的觸頭結(jié)構(gòu).該新型觸頭結(jié)構(gòu)由動觸頭組和靜觸頭組構(gòu)成，靜觸頭組由導(dǎo)向支架、彈簧、靜觸頭、散熱片、接線端子組成，動觸頭為圓球結(jié)構(gòu)，靜觸頭為圓槽型.通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證和對比分析，結(jié)果表明，研發(fā)的動觸頭結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、接觸性能良好、分?jǐn)嘈阅芸煽?、成本低等?yōu)點(diǎn).

跌落式熔斷器；觸頭；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跌落式熔斷器是10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)電器之一，是一種既安全可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的過電流和短路保護(hù)電器.在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，它通常作為一個(gè)線路保護(hù)裝置于10kV變壓器的一次側(cè)、支線、進(jìn)出線處，一直是變壓器性價(jià)比高的首選[1].隨著電網(wǎng)容量的飛速發(fā)展，在發(fā)電、輸電、配電、用電環(huán)節(jié)，跌落式熔斷器的需求量越來越大，用戶對它的性能越來越關(guān)注，要求也不斷在提高[2].近年來，由于跌落式熔斷器具有分?jǐn)嗄芰Ω?、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外公司都在不斷開發(fā)和改進(jìn)這種產(chǎn)品的性能.對比國內(nèi)外跌落式熔斷器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尤其是雙噴式結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的產(chǎn)品觸頭結(jié)構(gòu)都是一種較為復(fù)雜、類似鴨嘴式的結(jié)構(gòu)[3].在類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用相同的材料等條件下，跌落式熔斷器的市場競爭越來越激烈.隨著國家電網(wǎng)的公開招標(biāo)，很多公司為了保住市場，不得不使用價(jià)格戰(zhàn)，從而進(jìn)入一個(gè)惡性競爭的環(huán)境.因此，研制出結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)的新型跌落式熔斷觸頭結(jié)構(gòu)迫在眉睫，對提高產(chǎn)品的市場占有率也具有重要意義.針對該問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的觸頭結(jié)構(gòu)，并通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證和對比分析發(fā)現(xiàn)，研發(fā)的動觸頭結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，接觸性能良好，分?jǐn)嘈阅芸煽浚杀镜?

1 現(xiàn)有觸頭結(jié)構(gòu)的分析

目前常見的跌落式熔斷器多為雙噴式，采用鴨嘴式結(jié)構(gòu)，如圖1所示.此類跌落式熔斷器雖分?jǐn)嗄芰Ω?，結(jié)構(gòu)緊湊，但設(shè)計(jì)及工藝也較復(fù)雜，容易出現(xiàn)問題，如：觸頭接觸方式為線接觸，其閉合方式是兩個(gè)銅片依靠彈簧的壓緊力與動觸頭桿相接觸.

分析很多高壓跌落式熔斷器的開斷失敗故障原因[4]，這種接觸方式常會因制造過程中工藝和現(xiàn)場安裝的實(shí)況而兩端不平衡，造成接觸不夠良好，從而提高主回路的接觸電阻和溫升，導(dǎo)致使用壽命受到影響.這種結(jié)構(gòu)還常常出現(xiàn)對中性問題，在熔管跌落時(shí)由于產(chǎn)生干涉直接影響開斷的結(jié)果.

2 新型觸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對目前的熔斷器產(chǎn)品運(yùn)行中的故障原因分析，同時(shí)參考很多公司產(chǎn)品觸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、相關(guān)專利技術(shù)[5]，總結(jié)得出關(guān)于熔斷器運(yùn)行中開斷失敗問題的原因.基于此，本文研發(fā)一種由動觸頭組和靜觸頭組構(gòu)成(見圖2)、新型的觸頭結(jié)構(gòu)，并借鑒單噴式熔斷器的觸頭結(jié)構(gòu)，提出一種球形觸頭，其中：靜觸頭組由導(dǎo)向支架、彈簧、靜觸頭、散熱片、接線端子組成；動觸頭為圓球結(jié)構(gòu)，靜觸頭為圓槽型與之相對應(yīng).

與圖1傳統(tǒng)的跌落式熔斷器結(jié)構(gòu)相比，圖2新設(shè)計(jì)的觸頭結(jié)構(gòu)大大簡化了常規(guī)的觸頭組結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本.相比傳統(tǒng)的跌落式熔斷器觸頭接觸方式，圓形觸頭根據(jù)基本數(shù)學(xué)原理三點(diǎn)固定一個(gè)圓，其接觸面上導(dǎo)電斑點(diǎn)至少有3個(gè)，而線接觸至少是2個(gè)，所以圓形觸頭的設(shè)計(jì)增加了動靜觸頭之間接觸的可靠性.同時(shí)，球形觸頭不存在線性接觸時(shí)關(guān)于熔管的對中性不好的問題.

由于跌落式熔斷器動觸頭為中心對稱結(jié)構(gòu)，需要考慮球頭的尺寸和材料對接觸電阻和溫升的影響.因此，本文通過改變球頭尺寸、鍍銀材料和鍍錫材料進(jìn)行幾組試驗(yàn)對比，最后得出：球頭的直徑為20mm，采用T2銅材料，且其表面鍍銀材料符合國家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的要求.動觸頭頂部與上靜觸頭凸包底部距離5mm，動靜觸頭尺寸配合如圖3所示.

另外，靜觸頭組的散熱片設(shè)計(jì)需考慮運(yùn)行中載流量和散熱的問題[6].為了設(shè)計(jì)觸頭的主回路，常常采用速算法，其計(jì)算公式：載流量=排寬×厚度系數(shù).根據(jù)對200A電流下載流量的估算和查厚度系數(shù)表，同時(shí)考慮到散熱的問題，需設(shè)計(jì)銅片排寬為17mm，排厚為5mm.

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，靜觸頭組的彈簧壓力對溫升沒有影響，但彈簧的壓力值對主回路的電阻和其自身的壽命有一定影響.由動靜觸頭的尺寸配合可知，彈簧的壓縮量為5mm.在動靜觸頭閉合時(shí)，彈簧施加在靜觸頭上的力為100N，測量其主回路電阻滿足接觸電阻的需求.

參考圖2和尺寸要求加工出相應(yīng)部件，并對各部件進(jìn)行一個(gè)簡單的安裝，生產(chǎn)出一個(gè)新型觸頭，與其他部件組裝成一個(gè)跌落式熔斷器樣品，如圖4所示.跌落式熔斷器開斷時(shí)，裝配好的觸頭結(jié)構(gòu)在熔管和鉸鏈的重力作用下隨鉸鏈結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動先垂直墜落，然后動觸頭脫離靜觸頭的束縛弧形跌落，開斷電路形成可見斷口.閉合時(shí)，動觸頭由于其形狀緊緊卡在槽型靜觸頭里，不會有任何松動，更不會產(chǎn)生對中性問題.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)跌落式熔斷器對觸頭設(shè)計(jì)的要求可知：觸頭的接觸電阻應(yīng)該小而穩(wěn)定；觸頭的溫升應(yīng)始終不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值；觸頭結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受開斷短路電流時(shí)的最大電動力.下面就這3方面進(jìn)行試驗(yàn)及分析.

3.1 溫升試驗(yàn)及主回路電阻測量

為驗(yàn)證新型觸頭結(jié)構(gòu)是否有溫升超標(biāo)問題，制作的樣機(jī)如圖4所示，并進(jìn)行測試.溫升試驗(yàn)中，采用圖5的溫升布點(diǎn)圖，具體測量每一處的溫升變化.表1為本文設(shè)計(jì)的球形觸頭的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù).根據(jù)圖5的溫升布點(diǎn)圖，參照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行溫升試驗(yàn).溫升試驗(yàn)前測得主回路電阻為894μΩ，溫升試驗(yàn)后主回路電阻為890μΩ，未發(fā)生較大變化，均小于2 000μΩ，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求.同時(shí)，從表1中可以得知，本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合GB/T15166.3—2008[7]中對電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)溫升的要求.

表1 球形觸頭結(jié)構(gòu)的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 Temperaturerisetestdataofball-typecontact布點(diǎn)各點(diǎn)溫升/K允許溫升/K111.465232.250333.850449.465523.265619.850719.050813.565912.5651014.465

3.2 機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)

本試驗(yàn)主要考慮新型觸頭在規(guī)定的開斷次數(shù)內(nèi)其穩(wěn)定性的變化，即對觸頭壽命的驗(yàn)證.通過手柄關(guān)合開斷樣品500次，觀察觸頭結(jié)構(gòu)并無明顯變化.

另外，觸頭組的結(jié)構(gòu)中有彈簧元件，因此仍需要考慮彈簧的機(jī)械性能.彈簧壓縮到72h后測量彈簧力值，測量力值衰減未超過5%.測量機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)后主回路電阻為1 485μΩ，仍小于標(biāo)準(zhǔn)要求值2 000μΩ.因此，觸頭結(jié)構(gòu)在機(jī)械穩(wěn)定性方面均符合設(shè)計(jì)要求.

3.3 開斷時(shí)的受力分析

跌落式熔斷器的主要功能是開斷短路電流[8]，而觸頭結(jié)構(gòu)在開斷短路電流時(shí)會受到很大的電動力.因此，觸頭結(jié)構(gòu)能否承受最大的電動力也是觸頭設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵因素.但由于開斷過程是一個(gè)暫態(tài)過程，且熔斷器結(jié)構(gòu)中受到電動力的不僅是觸頭結(jié)構(gòu)，還有熔管及底部鉸鏈等，因此無法針對觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行電動力的仿真分析.

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，本文進(jìn)行了最大短路電流的開斷試驗(yàn).本試驗(yàn)所用檢驗(yàn)儀器及設(shè)備為220kV回路測量系統(tǒng)、220kV回路試驗(yàn)控制系統(tǒng)和220kV開斷及關(guān)合能力試驗(yàn)成套裝置.檢驗(yàn)方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15166.3—2008.試驗(yàn)電路如圖6所示.

試驗(yàn)電壓回路預(yù)期瞬態(tài)電壓，Uc=23.8kV，t3=121μs；開斷電流為額定開斷電流12.5kA.試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.從表2中可以看出，在12.5kV的電壓下開斷12.6kA各種角度的短路電流，試品狀況均完好.同時(shí)，上述的6組實(shí)驗(yàn)是在國家標(biāo)準(zhǔn)中較為苛刻的方式一、方式二進(jìn)行.試品開斷試驗(yàn)前后的狀態(tài)如圖7(a)、圖7(b)所示.對比圖7(a)、圖7(b)試驗(yàn)前后樣品的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上并沒有發(fā)生任何破壞性變化.同時(shí)，從表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的觸頭結(jié)構(gòu)在開斷12.5kA電流時(shí)，其結(jié)構(gòu)可以承受相應(yīng)的電動力，并能可靠開斷電路.

表2 開斷試驗(yàn)

4 結(jié)語

本文研發(fā)了新型的跌落式熔斷器的觸頭，該新型觸頭結(jié)構(gòu)由動觸頭組和靜觸頭組構(gòu)成，靜觸頭組由導(dǎo)向支架、彈簧、靜觸頭、散熱片、接線端子組成，動觸頭為圓球結(jié)構(gòu)，靜觸頭為圓槽型.簡化了觸頭組的結(jié)構(gòu)，大大降低了觸頭組的成本，同時(shí)解決了對中性和接觸可靠性的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高、接觸良好、分?jǐn)嘈阅芸煽康葍?yōu)勢.通過樣機(jī)的測試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)原理及尺寸設(shè)計(jì)正確、合理、可靠，符合跌落式熔斷器工程設(shè)計(jì)的要求.

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(責(zé)任編輯 李 寧 雨 松)

Design of Contact Structure of 10 kV Fuse Cutout

ZHANG Baiyun1， FU Wei1，WANG Shuhui2

(1.SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，XiamenUniversityofTechnology，Xiamen361024，China;2.ABBXiamenElectricalControlgear，Xiamen361003，China)

Anewtypeofcontactstructurewasdesignedtoimprovethecomplexstructure，lowmechaniclifeandlowcontactreliabilityofthecontactstructureoffusecutoutnowinuseinChina.Thenewcontactstructureiscomposedofaball-typemovablecontactgroupandastaticcontactgroupwhichincludesaguidebracket，aspring，astaticcontact,aheatsinkandaconnectingterminal.Prototypetestingandanalysishasprovedthatthenewcontacthassimplestructure，goodcontactperformance，reliablebreakingperformanceandlowcost.

fusecutout;contact;structuredesign

2016-05-16

2016-06-30

張百運(yùn)(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù).通訊作者：富巍(1963-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)樽詣踊?E-mail：fuwei665@yahoo.com.cn

TP

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1673-4432(2016)05-0025-05