一种抑制40. 5 kv真空断路器合闸弹跳的设计方案研究

0引言

真空断路器凭借其可靠性、环保性和经济性,在40.5 kv及以下电压等级交流断路器中占主导地位。真空灭弧室目前大多采用平板对接式触头结构,导致在断路器合闸时,因机械冲击和弹性变形影响,动、静触头会产生短暂的分离和再次闭合现象,这种现象称为合闸弹跳。合闸弹跳通常发生在几毫秒内,表现为触头多次弹跳接触,最终稳定闭合。

1合闸弹跳的影响

真空断路器发生合闸弹跳时触头间隙会引发电弧,电弧高温烧蚀触头表面,会缩短触头电寿命,另外多次电弧烧蚀导致触头材料蒸发,也会污染真空灭弧室内部环境,导致绝缘性能下降,影响产品可靠性。

弹跳时触头反复分离,还会引起瞬态过电压,威胁电力系统中变压器、隔离开关等其他设备的绝缘性能。合闸弹跳还会影响断路器合闸时间的稳定性,影响到电力系统的同步操作(如电容器组投切)[1]。

综上,合闸弹跳对于真空灭弧室本身或电力系统的稳定性都有负面影响,因此在产品设计时应尽可能考虑减短合闸弹跳时间。国家电网、南方电网电力设备验收试验标准中明确要求40.5 kv真空断路器合闸弹跳时间不允许超过3 ms[2],因此断路器产品设计时应满足此技术指标。

2研究对象及目标

本文以ZW39—40.5型真空断路器为研究对象,其整体结构如图1所示,三相本体固定在横梁上,共用一个弹簧操动机构,通过相间连杆传动实现三相机械联动操作。

3优化目标及设计方案

3.1优化目标

优化之前的ZW39—40.5断路器合闸弹跳时间不稳定,时有超出3 ms的情况,笔者以国家电网验收试验标准≤3 ms的控制要求为目标,对产品进行优化设计。

3.2 凸轮轮廓优化设计方案

3.2.1 凸轮优化设计理论

根据成守勇等人[3]的研究,降低刚合点速度,有利于减小合闸弹跳,而当前产品无法通过调节合闸弹簧将合闸速度由1.0 m/s降低到0.8 m/s及以下。因此,为了满足降低合闸速度的需求以及合闸可靠性要求,同时也为了保证弹簧操动机构输出力(矩)特性与负载特性相匹配,采用基于输出力特性设计凸轮的方法对凸轮轮廓进行优化改进。

在断路器合闸过程中,凸轮一方面要将合闸弹簧能量转变为输出拐臂、连接机构及本体的动能,另一方面要给分闸弹簧储能,凸轮机构设计的关键是,依据输出力特性确定从动件的运动规律,从而确定凸轮轮廓曲线。

3.2.2储能输入转矩

凸轮机构输入转矩即合闸弹簧驱动储能轴转矩,驱动储能轴力矩与储能轴转角关系曲线如图2所示。用于凸轮优化设计的合闸弹簧及合闸传动结构为公司保密信息,本文不介绍具体的机构传动结构和过程参数。

3.2.3输出轴等效负载转矩

输出轴等效负载转矩主要来源于分闸弹簧作用力、真空泡自闭力、波纹管回弹力、灭弧室内部导电杆与带状触指摩擦阻力、灭弧室内部运动件重力。输出轴等效负载力矩与输出轴转角关系的曲线如图3所示,由于触头弹簧的原因,刚合点负载力矩发生突变。

3.2.4构造凸轮优化输出力矩曲线

ZW39-40.5真空断路器设计总行程30 mm,输出轴转角60°,开距为23mm,超程为7mm,刚合点对应输出轴转角45.5°,凸轮等效输出力矩曲线设置四个断点,分别为ψ0=0,ψ1=8× π/180,ψ2=45.5 × π/180, ψ3=60× π/180。

根据闫静等人[4]的研究设计一种凸轮优化输出力矩曲线,凸轮优化输入力矩曲线1在断点ψ0、ψ1、ψ2、ψ3分别取放大系数3.0、2.3、0.9、1.26,由此确定凸轮优化输入力矩曲线方程为:

转矩Mds1(ψ)所做的功与储能轴转角对应关系为：

3.2.5确定合闸优化凸轮运动规律

由可建立储能轴转角和输出轴转角的一一对应关系φ-ψ,即确定优化凸轮运动规律。

输出轴转角ψ以分闸位置为0°线,通过多项式拟合得到凸轮优化输出力矩曲线1对应的φ-ψ方程:

3.2.6计算优化凸轮轮廓曲线

在确定凸轮运动规律后,凸轮转向为顺时针,输出拐臂推程摆动方向为逆时针,可得理论轮廓线上任一点坐标表示为:

式中:a表示输出轴与储能轴中心距;l表示摆杆长度;ψ0为输出轴初始角,ψ0=acos[(a2+l2-Rb2)/2al],其中,Rb表示理论基圆半径。

通过设计不同的凸轮等效驱动力矩曲线可以得出不同的凸轮轮廓线,对理论轮廓线坐标方程两边求导可得:

其中,dψ/dφ可由φ-ψ拟合曲线求导得出。

滚子从动件盘形凸轮的实际廓线是圆心在理论廓线上的一簇滚子圆的包络线,由微分几何可知,包络线的方程为:

式中:RT为凸轮滚子半径。

凸轮实际轮廓线上点坐标可表示为:

3.3灭弧室连接结构优化

灭弧室原连接结构如图4(a)所示,灭弧室与静侧法兰之间的固定方案采用刚性连接方式,即通过螺栓直接连接。笔者设计了一种柔性弹簧连接结构,如图4(b)所示,考虑刚度、允许工作行程、内外径安装空间、工作载荷、强度等各方面限制因素,设计8组均匀分布的弹簧。

4基于ADAMS的动力学仿真分析

4.1 计算模型

针对上述新设计的凸轮优化方案及柔性连接结构,搭建虚拟样机仿真模型,对真空断路器模型进行适当简化,建立如图5所示的动力学仿真模型,进行动力学仿真验证其改善效果。

1)将模型中不参与分合闸运动、对系统运动特性没有影响的零部件做失效(Deactivate)处理或删除;

2)将运动部件中的螺栓、螺母等结构连接件删除,而把其等效质量附加于其相邻部件上。

4.2边界条件

4.2.1初始状态

仿真模型以断路器处于合闸(合闸弹簧储能)状态为动力学分析初始位置,机构处于1g的标准重力场作用下,以充气压力为0.02 Mpa(表压)状态下运动阻力为仿真初始条件。

4.2.2运动输入

为了缩短仿真时间、简化分析过程,模型将分闸、合闸设置在同一模型中连续进行。具体时间分配如下:总仿真时间为0.35 s,其中0~0.1 ms机构处于合闸储能位置;0.1s时,分闸电磁铁得到分闸命令,机构开始分闸动作,CB完成分闸,进入分闸保持状态;在0.2 s时刻,合闸电磁铁得到合闸命令,机构开始合闸动作;完成合闸后,CB处于合闸状态。

4.3 分合闸运动特性分析

提取动触头位移曲线如图6所示,动触头位移为23 mm,超程为7 mm,即总行程为30 mm,分闸速度即刚分点至刚分点后23 mm间平均速度,仿真可得分闸速度V分=1.95 m/s;合闸速度即刚合点至刚合点前23 mm间平均速度,仿真可得合闸速度V合=0.85 m/s。而根据40.5 kv真空断路器技术规范要求:动触头总行程s=29.5~31 mm,V分=(2.0±0.3)m/s,V合=(0.8±0.2)m/s,因此分合闸弹簧参数匹配特性满足使用要求。

4.4合闸弹跳特性分析

在机构合闸过程中,动静触头接触力随时间变化曲线如图7所示,根据合闸弹跳时间的定义“动静触头从刚接触直至动静触头稳定接触瞬间为止的时间间隔”,按动静触头接触力曲线可得合闸弹跳时间段为0.254 6~0.255 9 s,即合闸弹跳时间为1.3ms (0.255 9—0.254 6=0.001 3 s),满足预期≤3 ms的目标。

5 实物样机合闸弹跳测量结果

按上述优化方案搭建实物测试样机,测量仪器采用汉迪特性测试仪,并采用转角传感器采集行程信号,测量时传感器安装于断路器中相拐臂的位置,如图8(a)所示。测量结果显示如图8(b)所示,测量的合闸弹跳时间为零,证明改善措施切实有效。

6 结论

1)基于输出力特性的凸轮设计理论优化凸轮轮廓,可以有效降低刚合点速度,并且不影响合闸可靠性;

2)动力学仿真分析及实物样机测试表明,在降低刚合点速度及在静侧增加柔性缓冲结构两种优化方案耦合下,合闸弹跳时间得到有效抑制,动力学仿真显示其可缩短为1.3 ms,实物样机测试为0 ms,满足预期≤3 ms的要求。

[参考文献]

[1]余乐,黄建华,林启文.真空开关操作过电压及其防护[J].江苏电机工程,2002(1):5—8.

[2] 变电站设备验收规范:Q/GDW 11651—2016[S].

[3]成守勇,臧凤欣,金吉华,等.真空断路器合闸速度与动触头合闸弹跳探析[J].电气制造,2010(1):62—63.

[4] 闫静,马志瀛,金黎.真空断路器弹簧操动机构中凸轮机构的优化设计[J].高压电器,2004(6):420—423.

《机电信息》2025年第22期第9篇