一款柱上真空断路器合闸弹跳问题的解决方案
时间：2023-04-07 21:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
芮祖存
（上海库柏电力电容器有限公司）
合闸弹跳是指断路器动触头与静触头碰撞接触后被反作用力推开，然后再接触又被推开的现象。严重者反复4~5次，持续2~6ms。
依据JB/T 3855—2008《高压交流真空断路器》标准中的定义：（合闸的）动触头合闸弹跳时间为从触头第一次接触开始到触头稳定接通时刻的时间，弹跳采用时间的计量单位即n ms。
真空断路器弹跳的存在必然带来危害，如在关合峰值电流时动触头发生合闸弹跳，真空灭弧室内部的电弧能量集聚，触头之间高温发热会导致熔焊。另外在关合容性电流则会产生较大的合闸涌流，会使得动、静触头发生熔焊。
有研究者提出把真空开关的合闸弹跳和过电压联系起来，基于这个认识而对合闸弹跳提出非常严格的要求，甚至于追求零弹跳的真空开关，花了很大的代价来解决此问题，交流开关都是在电流过零点附近熄弧的，对于50Hz的交流电两次过零点的时间为10ms，在电流过零之前的10ms内触头再怎么跳电弧都不会熄灭，因此也不会产生过电压。
现有产品弹跳问题描述：如下表所示，统计了近10年的开关平均弹跳时间，从中可以发现总体来说弹跳时间在增长，特别从2016年开始弹跳增长明显，鉴于此，2019年公司特提出为了确保产品电寿命的长期和可靠，决定从根本上来解决这个问题。
表
在关合短路电流过程中，在触头振动时间tv头内，触头间产生击穿电压，从而将产生电弧，可能导致触头关合时发生熔焊。为了避免电弧的不利影响，应当尽量减小触头的振动时间tv，如图1和图2所示。
图1
图2
众所周知，真空断路器需要有足够的触头压力来应对关合短路电流时避免被弹开，然而这样又会要求机构具要有足够的动能来实现正常分合闸，在动、静触头发生碰撞后能量会在三处进行释放，即合闸碰撞的能量损失、触头弹簧的储能和动触头弹跳的动能。产生弹跳的主要原因是在动、静触头合闸碰撞时，能量没有完全被材料变形的势能和触头压力弹簧储能全部吸收掉，剩余能量产生了回弹。
如下是动、静触头发生振动物理过程：
如图3和图4所示，当真空灭弧室的动触头以v10的速度快速向右侧移动，与静触头发生撞击，触头表面会产生弹性和塑性两种变形。可见动触头动能除小部分在接触面的摩擦和介质阻尼过程中消耗外，大部分转变成为表面材料的变形能，从而产生动触头的弹跳，并且多次的反复振动。
图3
图4
触头反跳的最大距离xm和时间tm。
设动触头的质量为m，弹簧质量忽略不计，动触头在施加在其上力的作用下，以v10速度与静触头碰撞瞬间的动能为：
当触头材料弹性变形恢复后，动触头发生反跳，设动触头的反跳初速度为v20，所具备的动能为：
1）若动静触头材料为理想弹性体，则动触头碰撞前后的动能不变：
2）然而使用的触头材料为非理想弹性体，在碰撞压缩变形时，会有一部分能量消耗在触头的塑性变形上。假设其塑性变形所消耗的能量为WA，则动静触头在碰撞前后的能量守恒方程式：
式中，ε为触头材料的弹性系数，其值在0~1之间；
K=1-ε2，触头材料的恢复系数。
现以动触头开始回弹时刻为计时零点，当运动时间t之后，动触头会反弹，并且还会压缩触头压力弹簧一段位移X。就在同一时刻动触头的支撑座在其驱动力的作用下向静触头方向也会运动一段距离V1t，并使触头弹簧再被压缩一段距离X’=V1t。想要减小触头闭合时产生的反跳，一般会在装配时触头弹簧的时候会预压缩一段距离l0（即触头弹簧预压缩）。当动触头在第一次碰撞之后且反跳t时间之后，动触头触头压力弹簧将被压缩的总距离则为：
则弹簧所具有的弹性势能为：式中，C为 弹簧刚度。
那么动触头在反跳过程中，实际的能量交换（弹簧储能变化）为：
动触头反跳t时间后能量平衡方程式：
当动触头经过tm时，反跳达到最大距离xm，动触头停止反向弹跳，此刻其速度为零V2= 0，对应的能量平衡式为：
假设动触头反跳速度随时间线性变化，取其平均速度：
反跳达到最大距离xm：
代入其中：
因触头预压力F0等于弹簧刚度C乘以预压长度L0。F0=Cl0得到：
从演算结果来看：动触头第一次反跳达到的最大距离Xm与动触头在刚刚闭合时候的速度v1，动触头自身的质量m1，触头弹簧的弹簧刚度C，触头弹簧的初压力F0，触头材料自身的恢复系数K等因素密切相关联。
同时可以得出初步结论：实际产品中尽量采用较大的触头预压缩力、选用弹簧刚度系数较大的触头弹簧，尽量减小动触头的闭合时候的速度、尽量减轻动触头自身质量、尽量选用恢复系数接近1的触头材料，从而尽可能实现触头的无危险振动。然而由于其他电气性能方面的要求，要完全满足每一条所述条件显然是不切实际的，这就必须根据实际情况，全面合理地予以综合分析和研判来处理。
真空断路器产品电压等级和电流等级很多，从而每一种的动触头合闸弹跳有所差异，即使同一种也有一致性的问题，各种影响因素都会有，综合实际近十几年的生产、试制、试验、运行经验和教训来看，存在的主要因素以及应对措施有以下八条：
从上述分析看出真空灭弧室本身材质、动触头的合闸速度、触头初压力为主要影响因素；
然而从实际产品来看整体动端质量、零部件之间的配合程度和装配、调试方法和手段、操作机构自身的稳定性、能量吸收方法和措施等等方面都需要加强管理和控制，如下逐一展开分析和解决。
（1）影响因素之一：真空灭弧室
真空灭弧室属于真空断路器的核心部件，起着接通额定电流和开断短路电流的作用。整体主要由气密绝缘外壳、导电回路、导向套、屏蔽系统、触头系统、波纹管等部分组成陶瓷外壳的真空灭弧室（见图5）。这些零部件自身材质及加工工艺多会对合闸弹跳有影响的，首先从触头来看，触头采用的材质决定了机械强度，不同性能要求的材质机械性能差异很大（见图6），材料密度不一样导致质量差异，加工工艺不一样导致表面的平面的不一样。当触头的强度越高变形能力越差，碰撞能量损失越小，吸收能量能力越小，弹跳就越大。触头质量越大，冲击越大，弹跳就越大。触头加工表面平面度越差，接触面小导致吸收能量不足，弹跳就越大。另外导向需要保持尽量在中心，如果偏离导致触头接触不好，弹跳会越大。当然真空灭弧室作为一个系统结构，需要综合各方面的要求来设计，既要考虑机械性能，又要考虑电气性能。
图5
图6
（2）影响因素之二：合闸速度
真空断路器触头关合速度指开关在合闸过程中，动触头与静触头接触瞬间的运动速度。合闸速度过快或过慢都有不利的后果。当速度过慢，正好断路器合上短路电流，断路器则很难抑制住关合电动力的排斥作用，会引起振动或停滞，导致触头烧损，当内部压力过大则导致灭弧室爆炸。但如果合闸速度过快，各运动零部件将承受较大的冲击力，使各零部件变形或损坏，进而影响真空断路器的机械寿命。因此，在产品初期就应该设定合理的合闸速度，见图7。
图7
（3）影响因素之三：同轴度配合
两个或多个零部件同轴度较差对产品的工作效率有影响，装配好在工作的时候产生机械应力，出现动作不流畅或者卡涩。真空断路器的传动机构推动的绝缘拉杆组件运动（见图8），当其与真空灭弧室中心轴同轴度较差合闸弹跳就越大。当不同轴时，真空灭弧室则会被机构动力迫使运动，会造成动导电杆倾斜，甚至静端盖板会因为受到弯曲力而变形，动、静触头在闭合时触头面之间产生夹角，碰撞时接触面积减小，能量损失也就小，使得弹跳增大。另动导电杆倾斜，合闸过程中运动不畅，会使弹跳时间加长。因此，需要通过零部件加工时候就要控制好各自的同轴度。
图8
（4）影响因素之四：触头预压力（或初压力）
合闸弹跳与触头压力弹簧的初压力存在反比关系。如图9所示，初压力越大弹跳越小。为了保证在关合短路电流的时候合闸动作可靠到位，需要增加动、静触头间的接触压力，动、静触头的接触压力分为触头初压力和触头终压力。初压力的大小与弹簧刚度和预压缩量有关联。终压力与弹簧刚度和超程有关联；
根据相关联的因素设计合理的初压力和终压力。初压力会使触头在合闸碰撞时得到缓冲和能量释放，将碰撞的动能转为触头压力弹簧的弹性势能，抑制动触头弹跳。因此，在设计的时候首先要满足合闸机构的合闸功能前提条件之后再尽可能提高触头的初压力。
图9
（5）影响因素之五：传动机构的间隙
零部件装配必然存在间隙，或大或小。实际生产时需要对传动间隙做标准化要求并进行有效的工艺和质量控制，通常情况下间隙控制在30~50μm之间。当机构的传动间隙越大弹跳就会越大，动作的可靠性降低，会发生合闸不到位甚至会出现合不上闸的情况，见图10。
图10
（6）影响因素之六：机构稳定性
断路器用真空灭弧室的触头材料大都采用铜铬合金，铜与铬各占 50%。在上、下触头的对接面上各焊上一块铜铬合金片，一般厚度各为3mm。其余部分称为触头座，用无氧铜制造即可。无氧铜材料导电性能优良但其刚性较差，通常情况下在完成了200次合、分闸机械磨合操作后超程会逐渐变小从而导致触头压力变小。为确保机械特性参数的稳定需要进行300次的合、分操作机械磨合试验，目的是达到机械磨合的最佳状态，另外经过300次的机械磨合操作试验后动、静触头表面的平面度也都会有所改善，有助于降低合闸弹跳。完成机械磨合试验之后还需重新调整好各机械参数，满足产品出厂试验报告要求，见图11。（7）影响因素之七：安装和调试
图11
断路器安装、调试是否做到位和是否造成弹跳大有关联的。需要加强真空断路器的装配、调试工艺要求。严格遵守作业指导书的要求进行装配和调试，确保整个分合闸操作顺畅不卡涩。特别需要调整好整体运动的传递顺畅，使操作机构输出的中心轴、传动机构中心轴、真空灭弧室动触头的运动轨迹与真空灭弧室的轴心尽量保持在一条直线上，另外需要确保各个支撑零部件的机械强度，标准件安装到位，遵循设计的标准选择标准件，无错装无漏装无松动，见图12。
图12
（8）影响因素之八：缓冲器
真空断路器本身的分合闸速度都比较快，但触头的运动行程却并不长。从产品使用的角度来说是需要让速度很高的运动部件在较短的行程内迅速停下来，在此可以安装制动装置，但也不能简单地采用在行程终了处安装制动装置，而是需要用缓冲器来吸收运动部分的动能，防止断路器中某些零部件突然受到很大的冲击力而磨损甚至损坏掉，见图13。
图13
断路器中常用的缓冲器有弹簧、油、橡皮和气体缓冲器。
油缓冲器主要由油缸、活塞、撞杆、复位弹簧和端盖等零部件组成。油压缓冲器工作原理：当撞头受到撞击时，液压油通过排油孔来缓解撞击能，油进到储油室，压缩复位弹簧；
撞击结束后，复位弹簧反过来推动活塞，完成缓冲器的复位。
油缓冲对于开关来说属于修正和消除其他因素影响的一种措施，但对于其他零部件产生变化之后，油缓冲也需要修正自身来满足。
综上所述，根据理论分析推导和计算以及实际经验来看，对于真空断路器的弹跳主要有八大影响因素，为了满足弹跳技术参数的要求，在实际产品生产的时候需要具体问题进行相应地分析和试验来找到适合的方法和措施来满足弹跳的要求，当然遇到问题不可以孤立的用一种方法，还要考虑各种方法之间的影响，辩证的思维来考虑，综合施效来解决问题。另外对于原材料和生产工艺的一致性需要把控，进行检验要求的制定和标准化的作业制定并实施。
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