真空断路器触头弹跳性能分析_交通运输_工程科技_专业资料。( 2006/ 3) 研究与分析 华通技术 HUATonGJISHU 真空断路器触头弹跳性能分析 李洪奎 , 1 谭东现 2 ( 1 沈阳理工大学 理学院 , 辽宁 沈阳 110168;
( 2006/ 3) 研究与分析 华通技术 HUATonGJISHU 真空断路器触头弹跳性能分析 李洪奎 , 1 谭东现 2 ( 1 沈阳理工大学 理学院 , 辽宁 沈阳 110168; 2 上海电器股份有限公司人民电器厂 上海 200042) 摘要: 触头的弹跳性能是真空断路器稳定工作的重要指标之一 , 通过对 VS1- 12 型真空断路器 ( 配用 永磁操动机构) 的分合闸弹跳性能进行理论和试验分析, 得出了其产生弹跳的原因及处理的基本方法。 关键词: 真空断路器 ; 弹跳; 测试 L I H ongkui , 1 Analysis on anti pumping performance of a vacuum circuit breaker contact T AN Dongx ian 2 ( 1 Physical College of Sheny ang Science and Eng ineering U niversity, Sheny ang, Liaoning 110168, China) ( 2 T echnical center of Shanghai Renmin Electrical Apparatus Wo rks, Shanghai, 200042 China) Abstract: T he ant i pumping performance of cont act is one of im port ant indexes in a vacuum circuit breaker. T hrough theoret ical and t est ing analysis of ant i pum ping performance in closing and opening oper ations of VS1- 12 vacuum circuit breaker w orking w ith permanent magnet operat ing mechanism, t his pa per g ives off the cause of pumping and basic met hod of solvabilit y. Key words: vacuum circuit breaker; 中图分类号 : T M 561. 2 pum ping; measurement and testing 文章编号 : 1672- 1314( 2006) 03- 0001- 04 文献标识码 : A 一、 前 言 随着真空技术的快速发展 , 真空断路器的优 越性能日益突出 , 它在电力系统中的应用越来越 广泛 , 并逐步取得主导地位。近年来, 一种电磁 操动、永磁保持、电子控制的新型操动机构 - 永 磁操动机构与真空断路器取得完美的配合。由于 永磁操动机构的真空断路器工作原理与其它操动 机构断路器相比 , 其关合、开断及 2 个终端位置 的保持性能有其自身的特点。双稳态永磁机构终 端位置的保持力都由永磁体来单独提供 , 取消了 原有传统操动机构的锁、脱扣机构 , 大大减少了 运动零部件; 降低机械故障率 ; 提高了断路器的 稳定工作性能; 可真正实现免维护。但由于分合 闸实现机理的不同, 触头弹跳产生的原因也就颇 有差异。现详细地分析了配永磁操动机构 VS112 型真空断路器分合闸弹跳 的原因, 并提出克 服的方法。 二、 断路器分、 合闸功能 实现的基本原理 永磁操动机构真空断路器在分合闸终端位置 时, 都由永磁体提供的磁能来实现稳定保持 , 断路 器接到分合闸指令时 , 由电容器组或者直流电源 向分合闸激磁线圈提供电流产生电磁力 , 当电磁 力逐渐增大到足以克服永磁体所提供的保持力及 系统摩擦阻力时, 断路器的动触头开始运动并达 到一定的速度值 , 从而成功实现分合闸功能。因 此, 电源给激磁线圈的供电时间、 所提供操作功的 大小及永磁体提供保持力大小是影响触头碰撞速 度大小的主要因素 , 进而影响到断路器分合闸的 弹跳性能。 三、 动触头弹跳性能分析的重要性 1 合闸弹跳产生的原因及危害性 合闸弹跳是指断路器的动触头碰撞静触头后 被其反作用力推开, 然后再接触再被推开, 如此 1 华通技术 HUATonGJISHU 研究与分析 ( 2006/ 3) 反复的现象叫做合闸弹跳。带载工作的断路器由 于触头弹跳的反复动作将产生很高的过电压 , 从 而影响整个电力系统的供电稳定性。同时也将产 生电流 很大的电弧引 起高温烧损触 头, 甚至熔 焊, 这一现象在投入容性负载及断开关合的情况 下更加严重。由于真空电弧是高温等离子体 , 其 温度值通常可达几千 C 。在此高温下 , 由于触头 分离瞬间触头接触电阻的急剧增大容易产生局部 严重的熔焊现象。熔化的金属粘连着动静触头, 形成了所谓的 ! 液态金属桥? , 随着动触头的分 离动作将使触头表面凹凸不平。这给限制型电弧 的产生提供了有利条件, 在电弧电流非常大的情 况下 , 限制型电弧将转变成扩散性电弧 ; 从而使 关合动作失败。在永磁操动机构真空断路器的操 作过程中 , 由于操动机构动作原理的特殊性 , 因 为弹跳还可能使断路器处于 ! 死区? 状态, 即断 路器处于半开半合的状态。由于在永磁操动机构 真空断路器中有时还配有分闸弹簧 , 如果合闸时 在弹跳严重的情况下 , 使动铁心很容易进入永磁 保持力的 ! 死区? 最终使断路器的分合闸操作难 以实现。合闸弹跳的衡量标准为合闸弹跳时间 t 的大小是否小于相关标准所规定之值。它是指动 触头刚接触、到稳定接触静触头的时间段。从理 论上讲, t 值越小越好。目前国家电力部门对各 种类型断路器的分合闸弹跳时间都有相应的时间 规定。 2 分闸弹跳产生的原因及危害性 分闸弹跳是指断路器在接到分闸指令时, 动 触头在操动机构提供的动力作用下离开静触头后 又被机构反力使其回到合闸状态, 然后再拉开再 合上 , 如此反复的现象叫做分闸弹跳。对触头所 造成损伤的原理及危害程度与合闸弹跳相似。在 永磁操动机构作用下真空断路器的分合闸性能的 实现总伴随着分闸弹簧的作用。在永磁操动机构 真空断路器由于分合闸的动力来源比其它机构要 复杂的多; 而且永磁体所提供的保持力在分合闸 过程中所起作用是变化的 ( 在双稳态永磁操动机 构中当动铁心的位置处于中心对称点两侧时, 永 磁体所提供的保持力在一侧起动力作用 , 在相反 的另一侧就起反力作用 , 在单稳态永磁机构中情 2 况有所不同 , 永磁体只为断路器合闸状态提供保 持力, 分闸状态的保持力由在合闸过程中为分闸 弹簧所储能量来提供 ) , 所以, 弹跳性能的分析相 对其它类型操动机构断路器的分析更具有难度。 四、 分析弹跳性能的方法与实例 1 动触头的动力学关系式 在永磁操动机构作用下的真空断路器其分、 合闸动力由以下几个部分组成 : ( 1) 电磁力 : 线圈在直流电源或电容组所提供 的操作电压下产生激磁电流, 在一定激磁电流下, 产生磁场力驱使操动机构的动铁心运动 , 从而实 现断路器的分、 合闸功能。 ( 2) 永磁力: 永磁体所产生的永磁力在永磁操 动机构的结构形式不同的情况下、 动铁心运动过程 中所处的位置不同, 或起动力作用; 或起反力作用。 ( 3) 运动系统的摩擦 阻力: 不管 在分闸过程 中, 还是在合闸过程中总起阻碍作用。可见 , 摩擦 阻力是不利于断路器的分合闸性能的实现 ; 所以 在断路器设计时要合理设计其机械传统系统, 使 系统的摩擦力越小越好。 总结上述分析的结果, 得出永磁机构断路器 动力学关系式 : F = f ( x , kx , B , f m ) 式中 F x kx B fm 式中 Hr Js 动触头的位移; 分闸弹簧的力系数 ; 永磁体和激磁线圈中电流所产生的 磁通密度; 动触头运动时机械摩擦力大小。 B = f ( H r , Js ) ( 2) 永磁体矫顽力( 由永磁体材料所决 定) ; 激磁线圈区域所提供的激磁电流密 度。 2 触头振动关系式 断路器触头振动时的位移关系式 x k= f ( k, ( 1) 断路器动触头所受到的合力大小; , cx , x x , m k ) ( 3) ( 2006/ 3) 式中 研究与分析 动触头在与静触头直接碰撞前的瞬 华通技术 HUATonGJISHU k 时速度 ; 动触头瞬时速度的恢复系数 ; cx xx mk 触头弹簧 ( 超程弹簧 ) 刚度; 触头弹簧的预压缩长度; 动触头的归算质量。 五、 解决合闸弹跳的基本方法 弹跳其本身作为一种受迫阻尼振荡运动, 其 振荡幅值和频率由以上的动力学关系式、 触头振 动关系式可以看出: 取决于瞬时速度的大小、 运动 系统的归算质量、 弹簧刚度、 恢复系数等, 在综合 考虑各种影响因素的前提下, 通常可以采取以下 几种措施来改善其弹跳性能。 1 由力学冲量 原理减少动触头的刚合分瞬 时速度 Ft = m k ( 式中 Ft mk 1、0 10) 图 1 合闸时触头运动速 度随触头位移的变化关系 运动合力 ; 动触头的归算质量 ; 动触头的始末速度值。 图 2 合闸时触头位移、 速度随时间的变化关系 图 1~ 2 为配永磁操动机构真空断路器合闸 时动触头位移、 速度与时间的关系 , 通过测试验证 得到断 路器的 合闸 平均速 度 ( 合 闸平 均速 度 = 行程 刚动到刚合的时间间隔 ) 满足标准要求 , 但从图 1 ~ 2 中可以看出, 由于弹跳使得动触头的速度曲 线很不规则 , 其弹跳性能有待于通过上述提出的 改善措施进行调整。 因此, 在合理满足断路器正常工作速度的情 况下 , 适当减少动触头的刚合、 刚分的瞬时速度, 从而减少其始末速度差值达到适当减少弹跳危害 程度的目的。 2 适当提高弹跳系统的刚度系数 运动系统的整体刚性是影响断路器弹跳的主 要因素之一。 3 合理改善断 路器动力传动系统的轴与孔 的配合因素 轴与孔之间的间隙太大也是不利于防止断路 器弹跳的因素, 但间隙太小可能阻碍断路器的正 常运动。 六、 试验与分析 通过对 VS1- 12 型真空断路器( 配用永磁操动 机构) 的分合闸性能进行测试, 得到动触头的位移、 速度与时间及位移与速度的变化关系。见图 1~ 4。 图 3 分闸时触头 位移与速度的关系 3 华通技术 HUATonGJISHU 研究与分析 ( 2006/ 3) 从真空断路器弹 跳产生的普遍 原因分析入 手, 提出了配永磁操动机构真空断路器动触头的 动力学方程及其触头振动关系式。由关系式可以 看出断路器触头弹跳 与其它性能参 数是相互影 响、 紧密联系的, 并通过对 VS1- 12 型真空断路 器( 配用永磁操动机构) 进行了试验测试。通过图 形清晰地反映该型永磁机构断路器地触头弹跳性 能, 为合理选材、 精确设计各零部件及改善断路器 弹跳性能提供有益指导。 参考文献 图4 分闸时触头速度、 位移与时间的变化关系 [ 1] 李建基 . 高中压开 关设备实 用技术 [ M ] , 北 京 : 机械 工业出 版 社 , 2001. [ 2] 张冠生 , 陆俭国 . 电磁铁与自动电磁元件 [ M ] , 北京 : 机械工 业 出版社 , 1982. [ 3] 张冠生 . 电磁 机构 的动态 分析 [ M ] , 北 京: 机械 工业 出版 社 , 1982. [ 4] 范凌海 , 吴耀祺 . ZN 18- 12 型 真空断路 器弹跳 原因分 析 [ J ] . 机电工程技术 , 2002( 31) 7, P. 138、 174. [ 5] 吴伟光 , 马履中 . 真空断路器触头合闸弹跳特性 的研究 [ J] . 江 苏理工大学学报 ( 自然科学版 21- 3) , 2000( 5) , P. 58~ 61. 收稿日期 : 2006- 05- 26 图 3~ 4 为配永磁操动机构真空断路器分闸 时动触头的位移、 速度与时间的变化关系图, 由测 试得到的数据计算可 知断路器的分 闸平均速度 行程 ( 分 闸平 均 速度 = 刚分到稳定分闸的时间间隔 ) 符合产品规定的要求 , 但其弹跳性能也较复杂 , 速 度曲线也相对较差 , 需要进一步采取调整措施进 行改进, 从而提高断路器的分闸稳定性 , 使断路器 能够安全可靠地工作。 六、 结 论 #信 息# 我国第一条百万伏级特高压交流工程投入建设 我国首条特高压电网 东南 国家电网公司的晋 汉江, 全 长 653 8 km 。工程静 态投资 人民 币约 56 88 亿元。该电网系统额定电压 1 000 kV, 最 高运行电压 1 100 kV, 自然输送功率 5 000 MV 。 按照国家电网公司规划, 该试验示范工程向 北可延申至山西、 陕西、 内蒙古西部 , 向东南可延 伸至武汉 , 向东北可延伸至北京, 将填补我国百万 伏电压等级特高压的空白。 (朱 未) 南阳 荆门特高压交流试验示范工程近日 在山西省长治市奠基 , 这标志着我国百万伏电压 等级的特高压交流工程进入启动建设阶段。 这条 1 000 kV 交流和 ? 800 kV 直流输电网 络的晋东南至荆门特高压交流试验示范工程, 具 有距离远、 容量大、 损耗低的输电和节约土地资源 等特点。北起山西长治南至湖北荆门, 跨越黄河、 4
