一款柱上真空斷路器合閘彈跳問題的解決方案

芮祖存

（上海庫柏電力電容器有限公司）

1 合閘彈跳的定義

合閘彈跳是指斷路器動觸頭與靜觸頭碰撞接觸后被反作用力推開，然后再接觸又被推開的現(xiàn)象。嚴重者反復4~5次，持續(xù)2~6ms。

依據(jù)JB/T 3855—2008《高壓交流真空斷路器》標準中的定義：（合閘的）動觸頭合閘彈跳時間為從觸頭第一次接觸開始到觸頭穩(wěn)定接通時刻的時間，彈跳采用時間的計量單位即n ms。

2 合閘彈跳的危害

真空斷路器彈跳的存在必然帶來危害，如在關合峰值電流時動觸頭發(fā)生合閘彈跳，真空滅弧室內(nèi)部的電弧能量集聚，觸頭之間高溫發(fā)熱會導致熔焊。另外在關合容性電流則會產(chǎn)生較大的合閘涌流，會使得動、靜觸頭發(fā)生熔焊。

有研究者提出把真空開關的合閘彈跳和過電壓聯(lián)系起來，基于這個認識而對合閘彈跳提出非常嚴格的要求，甚至于追求零彈跳的真空開關，花了很大的代價來解決此問題，交流開關都是在電流過零點附近熄弧的，對于50Hz的交流電兩次過零點的時間為10ms，在電流過零之前的10ms內(nèi)觸頭再怎么跳電弧都不會熄滅，因此也不會產(chǎn)生過電壓。

3 問題的提出

現(xiàn)有產(chǎn)品彈跳問題描述：如下表所示，統(tǒng)計了近10年的開關平均彈跳時間，從中可以發(fā)現(xiàn)總體來說彈跳時間在增長，特別從2016年開始彈跳增長明顯，鑒于此，2019年公司特提出為了確保產(chǎn)品電壽命的長期和可靠，決定從根本上來解決這個問題。

表

4 合閘彈跳機理過程分析

在關合短路電流過程中，在觸頭振動時間tv頭內(nèi)，觸頭間產(chǎn)生擊穿電壓，從而將產(chǎn)生電弧，可能導致觸頭關合時發(fā)生熔焊。為了避免電弧的不利影響，應當盡量減小觸頭的振動時間tv，如圖1和圖2所示。

圖1

圖2

眾所周知，真空斷路器需要有足夠的觸頭壓力來應對關合短路電流時避免被彈開，然而這樣又會要求機構具要有足夠的動能來實現(xiàn)正常分合閘，在動、靜觸頭發(fā)生碰撞后能量會在三處進行釋放，即合閘碰撞的能量損失、觸頭彈簧的儲能和動觸頭彈跳的動能。產(chǎn)生彈跳的主要原因是在動、靜觸頭合閘碰撞時，能量沒有完全被材料變形的勢能和觸頭壓力彈簧儲能全部吸收掉，剩余能量產(chǎn)生了回彈。

如下是動、靜觸頭發(fā)生振動物理過程：

如圖3和圖4所示，當真空滅弧室的動觸頭以v10的速度快速向右側移動，與靜觸頭發(fā)生撞擊，觸頭表面會產(chǎn)生彈性和塑性兩種變形?？梢妱佑|頭動能除小部分在接觸面的摩擦和介質阻尼過程中消耗外，大部分轉變成為表面材料的變形能，從而產(chǎn)生動觸頭的彈跳，并且多次的反復振動。

圖3

圖4

觸頭反跳的最大距離xm和時間tm。

設動觸頭的質量為m，彈簧質量忽略不計，動觸頭在施加在其上力的作用下，以v10速度與靜觸頭碰撞瞬間的動能為：

當觸頭材料彈性變形恢復后，動觸頭發(fā)生反跳，設動觸頭的反跳初速度為v20，所具備的動能為：

1）若動靜觸頭材料為理想彈性體，則動觸頭碰撞前后的動能不變：

2）然而使用的觸頭材料為非理想彈性體，在碰撞壓縮變形時，會有一部分能量消耗在觸頭的塑性變形上。假設其塑性變形所消耗的能量為WA，則動靜觸頭在碰撞前后的能量守恒方程式：

式中，ε為觸頭材料的彈性系數(shù)，其值在0~1之間；K=1-ε2，觸頭材料的恢復系數(shù)。

現(xiàn)以動觸頭開始回彈時刻為計時零點，當運動時間t之后，動觸頭會反彈，并且還會壓縮觸頭壓力彈簧一段位移X。就在同一時刻動觸頭的支撐座在其驅動力的作用下向靜觸頭方向也會運動一段距離V1t，并使觸頭彈簧再被壓縮一段距離X’=V1t。想要減小觸頭閉合時產(chǎn)生的反跳，一般會在裝配時觸頭彈簧的時候會預壓縮一段距離l0（即觸頭彈簧預壓縮）。當動觸頭在第一次碰撞之后且反跳t時間之后，動觸頭觸頭壓力彈簧將被壓縮的總距離則為：

則彈簧所具有的彈性勢能為：式中，C為 彈簧剛度。

那么動觸頭在反跳過程中，實際的能量交換（彈簧儲能變化）為：

動觸頭反跳t時間后能量平衡方程式：

當動觸頭經(jīng)過tm時，反跳達到最大距離xm，動觸頭停止反向彈跳，此刻其速度為零V2= 0，對應的能量平衡式為：

假設動觸頭反跳速度隨時間線性變化，取其平均速度：

反跳達到最大距離xm：

代入其中：

因觸頭預壓力F0等于彈簧剛度C乘以預壓長度L0。F0=Cl0得到：

從演算結果來看：動觸頭第一次反跳達到的最大距離Xm與動觸頭在剛剛閉合時候的速度v1，動觸頭自身的質量m1，觸頭彈簧的彈簧剛度C，觸頭彈簧的初壓力F0，觸頭材料自身的恢復系數(shù)K等因素密切相關聯(lián)。

同時可以得出初步結論：實際產(chǎn)品中盡量采用較大的觸頭預壓縮力、選用彈簧剛度系數(shù)較大的觸頭彈簧，盡量減小動觸頭的閉合時候的速度、盡量減輕動觸頭自身質量、盡量選用恢復系數(shù)接近1的觸頭材料，從而盡可能實現(xiàn)觸頭的無危險振動。然而由于其他電氣性能方面的要求，要完全滿足每一條所述條件顯然是不切實際的，這就必須根據(jù)實際情況，全面合理地予以綜合分析和研判來處理。

5 合閘彈跳的影響因素及應對措施

真空斷路器產(chǎn)品電壓等級和電流等級很多，從而每一種的動觸頭合閘彈跳有所差異，即使同一種也有一致性的問題，各種影響因素都會有，綜合實際近十幾年的生產(chǎn)、試制、試驗、運行經(jīng)驗和教訓來看，存在的主要因素以及應對措施有以下八條：

從上述分析看出真空滅弧室本身材質、動觸頭的合閘速度、觸頭初壓力為主要影響因素；然而從實際產(chǎn)品來看整體動端質量、零部件之間的配合程度和裝配、調試方法和手段、操作機構自身的穩(wěn)定性、能量吸收方法和措施等等方面都需要加強管理和控制，如下逐一展開分析和解決。

（1）影響因素之一：真空滅弧室

真空滅弧室屬于真空斷路器的核心部件，起著接通額定電流和開斷短路電流的作用。整體主要由氣密絕緣外殼、導電回路、導向套、屏蔽系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、波紋管等部分組成陶瓷外殼的真空滅弧室（見圖5）。這些零部件自身材質及加工工藝多會對合閘彈跳有影響的，首先從觸頭來看，觸頭采用的材質決定了機械強度，不同性能要求的材質機械性能差異很大（見圖6），材料密度不一樣導致質量差異，加工工藝不一樣導致表面的平面的不一樣。當觸頭的強度越高變形能力越差，碰撞能量損失越小，吸收能量能力越小，彈跳就越大。觸頭質量越大，沖擊越大，彈跳就越大。觸頭加工表面平面度越差，接觸面小導致吸收能量不足，彈跳就越大。另外導向需要保持盡量在中心，如果偏離導致觸頭接觸不好，彈跳會越大。當然真空滅弧室作為一個系統(tǒng)結構，需要綜合各方面的要求來設計，既要考慮機械性能，又要考慮電氣性能。

圖5

圖6

（2）影響因素之二：合閘速度

真空斷路器觸頭關合速度指開關在合閘過程中，動觸頭與靜觸頭接觸瞬間的運動速度。合閘速度過快或過慢都有不利的后果。當速度過慢，正好斷路器合上短路電流，斷路器則很難抑制住關合電動力的排斥作用，會引起振動或停滯，導致觸頭燒損，當內(nèi)部壓力過大則導致滅弧室爆炸。但如果合閘速度過快，各運動零部件將承受較大的沖擊力，使各零部件變形或損壞，進而影響真空斷路器的機械壽命。因此，在產(chǎn)品初期就應該設定合理的合閘速度，見圖7。

圖7

（3）影響因素之三：同軸度配合

兩個或多個零部件同軸度較差對產(chǎn)品的工作效率有影響，裝配好在工作的時候產(chǎn)生機械應力，出現(xiàn)動作不流暢或者卡澀。真空斷路器的傳動機構推動的絕緣拉桿組件運動（見圖8），當其與真空滅弧室中心軸同軸度較差合閘彈跳就越大。當不同軸時，真空滅弧室則會被機構動力迫使運動，會造成動導電桿傾斜，甚至靜端蓋板會因為受到彎曲力而變形，動、靜觸頭在閉合時觸頭面之間產(chǎn)生夾角，碰撞時接觸面積減小，能量損失也就小，使得彈跳增大。另動導電桿傾斜，合閘過程中運動不暢，會使彈跳時間加長。因此，需要通過零部件加工時候就要控制好各自的同軸度。

圖8

（4）影響因素之四：觸頭預壓力（或初壓力）

合閘彈跳與觸頭壓力彈簧的初壓力存在反比關系。如圖9所示，初壓力越大彈跳越小。為了保證在關合短路電流的時候合閘動作可靠到位，需要增加動、靜觸頭間的接觸壓力，動、靜觸頭的接觸壓力分為觸頭初壓力和觸頭終壓力。初壓力的大小與彈簧剛度和預壓縮量有關聯(lián)。終壓力與彈簧剛度和超程有關聯(lián)；根據(jù)相關聯(lián)的因素設計合理的初壓力和終壓力。初壓力會使觸頭在合閘碰撞時得到緩沖和能量釋放，將碰撞的動能轉為觸頭壓力彈簧的彈性勢能，抑制動觸頭彈跳。因此，在設計的時候首先要滿足合閘機構的合閘功能前提條件之后再盡可能提高觸頭的初壓力。

圖9

（5）影響因素之五：傳動機構的間隙

零部件裝配必然存在間隙，或大或小。實際生產(chǎn)時需要對傳動間隙做標準化要求并進行有效的工藝和質量控制，通常情況下間隙控制在30~50μm之間。當機構的傳動間隙越大彈跳就會越大，動作的可靠性降低，會發(fā)生合閘不到位甚至會出現(xiàn)合不上閘的情況，見圖10。

圖10

（6）影響因素之六：機構穩(wěn)定性

斷路器用真空滅弧室的觸頭材料大都采用銅鉻合金，銅與鉻各占 50%。在上、下觸頭的對接面上各焊上一塊銅鉻合金片，一般厚度各為3mm。其余部分稱為觸頭座，用無氧銅制造即可。無氧銅材料導電性能優(yōu)良但其剛性較差，通常情況下在完成了200次合、分閘機械磨合操作后超程會逐漸變小從而導致觸頭壓力變小。為確保機械特性參數(shù)的穩(wěn)定需要進行300次的合、分操作機械磨合試驗，目的是達到機械磨合的最佳狀態(tài)，另外經(jīng)過300次的機械磨合操作試驗后動、靜觸頭表面的平面度也都會有所改善，有助于降低合閘彈跳。完成機械磨合試驗之后還需重新調整好各機械參數(shù)，滿足產(chǎn)品出廠試驗報告要求，見圖11。（7）影響因素之七：安裝和調試

圖11

斷路器安裝、調試是否做到位和是否造成彈跳大有關聯(lián)的。需要加強真空斷路器的裝配、調試工藝要求。嚴格遵守作業(yè)指導書的要求進行裝配和調試，確保整個分合閘操作順暢不卡澀。特別需要調整好整體運動的傳遞順暢，使操作機構輸出的中心軸、傳動機構中心軸、真空滅弧室動觸頭的運動軌跡與真空滅弧室的軸心盡量保持在一條直線上，另外需要確保各個支撐零部件的機械強度，標準件安裝到位，遵循設計的標準選擇標準件，無錯裝無漏裝無松動，見圖12。

圖12

（8）影響因素之八：緩沖器

真空斷路器本身的分合閘速度都比較快，但觸頭的運動行程卻并不長。從產(chǎn)品使用的角度來說是需要讓速度很高的運動部件在較短的行程內(nèi)迅速停下來，在此可以安裝制動裝置，但也不能簡單地采用在行程終了處安裝制動裝置，而是需要用緩沖器來吸收運動部分的動能，防止斷路器中某些零部件突然受到很大的沖擊力而磨損甚至損壞掉，見圖13。

圖13

斷路器中常用的緩沖器有彈簧、油、橡皮和氣體緩沖器。

油緩沖器主要由油缸、活塞、撞桿、復位彈簧和端蓋等零部件組成。油壓緩沖器工作原理：當撞頭受到撞擊時，液壓油通過排油孔來緩解撞擊能，油進到儲油室，壓縮復位彈簧；撞擊結束后，復位彈簧反過來推動活塞，完成緩沖器的復位。

油緩沖對于開關來說屬于修正和消除其他因素影響的一種措施，但對于其他零部件產(chǎn)生變化之后，油緩沖也需要修正自身來滿足。

6 結束語

綜上所述，根據(jù)理論分析推導和計算以及實際經(jīng)驗來看，對于真空斷路器的彈跳主要有八大影響因素，為了滿足彈跳技術參數(shù)的要求，在實際產(chǎn)品生產(chǎn)的時候需要具體問題進行相應地分析和試驗來找到適合的方法和措施來滿足彈跳的要求，當然遇到問題不可以孤立的用一種方法，還要考慮各種方法之間的影響，辯證的思維來考慮，綜合施效來解決問題。另外對于原材料和生產(chǎn)工藝的一致性需要把控，進行檢驗要求的制定和標準化的作業(yè)制定并實施。