劉志祥（廈門ABB開關(guān)有限公司，福建　廈門　361006）

真空斷路器合閘彈跳的技術(shù)探討

劉志祥
（廈門ABB開關(guān)有限公司，福建廈門361006）

摘要：本文針相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及選用導(dǎo)則對(duì)真空斷路器合閘彈跳時(shí)間的要求，通過對(duì)合閘彈跳現(xiàn)象展開分析，對(duì)影響合閘彈跳因素逐一進(jìn)行技術(shù)剖析。并結(jié)合真空斷路器的實(shí)際運(yùn)行情況，說明當(dāng)前真空斷路器普遍采用新合金材料（CuCr）后，合閘彈跳已經(jīng)不再是影響真空斷路器的主要因素。

關(guān)鍵詞：彈跳；電壽命；燃?。粍傂?；玻璃態(tài)；真空滅弧室

一、標(biāo)準(zhǔn)

GB1984-2014《高壓交流斷路器》中沒有對(duì)斷路器的彈跳進(jìn)行說明，目前能找到的對(duì)斷路器合閘彈跳有相關(guān)條款涉及的主要有以下標(biāo)準(zhǔn)：

1GB50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》

12.0.5測(cè)量斷路器主觸頭的分、合閘時(shí)間，測(cè)量分、合閘的同期性，測(cè)量合閘過程中觸頭接觸后的彈跳時(shí)間，應(yīng)符合下列規(guī)定：

合閘過程中觸頭接觸后的彈跳時(shí)間，40.5kV以下斷路器不應(yīng)大于2ms；40.5kV及以上斷路器不應(yīng)大于3ms。

2DL615-1997《交流高壓斷路器參數(shù)選用導(dǎo)則》

14.8合閘彈跳與分閘反彈

合閘彈跳影響合閘能力和電壽命，分閘反彈影響弧后絕緣。對(duì)12kV真空斷路器以合閘無彈跳，分閘不反彈為好，或者合閘彈跳與分閘反彈量越小越好。

以上標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于合閘彈跳的條款對(duì)應(yīng)文字內(nèi)容沒有黑體字標(biāo)志，屬于非強(qiáng)制性條款。

二、彈跳及其相關(guān)因素

合閘彈跳是真空斷路器固有的一種現(xiàn)象。真空斷路器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定了在動(dòng)靜觸頭高速接觸碰撞后，動(dòng)觸頭的動(dòng)能需要在若干次的彈跳中消耗完畢直至最終穩(wěn)定接觸。

一臺(tái)理想的真空斷路器，其彈跳的大小取決于以下主要因素：

1觸頭材質(zhì)、硬度（正相關(guān)性）；

2合閘速度（正相關(guān)性）；

3動(dòng)觸頭系統(tǒng)的質(zhì)量（正相關(guān)性）；

4觸頭彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)和預(yù)壓縮量（負(fù)相關(guān)性）；

而一臺(tái)實(shí)際的斷路器，還有以下因素對(duì)彈跳會(huì)產(chǎn)生較大影響；

5真空滅弧室機(jī)械支撐系統(tǒng)的剛性（正相關(guān)性）；

6合閘機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工藝，主要是連桿，拐臂等處的間隙配合（相關(guān)性不確定）。

在以上因素中，與真空滅弧室直接相關(guān)的因素1、2、3是決定斷路器基本開斷關(guān)合能力的關(guān)鍵指標(biāo)。因此，觸頭系統(tǒng)因素1、2、3的設(shè)計(jì)必須優(yōu)先考慮更重要的開斷性能，一般不會(huì)也不應(yīng)該因?yàn)楹祥l彈跳而改變觸頭系統(tǒng)的參數(shù)。

三、彈跳對(duì)斷路器性能的影響

如標(biāo)準(zhǔn)DL615所述，彈跳對(duì)斷路器的影響最主要在于電壽命。從理論上來說這完全正確，但是我們應(yīng)深入辨證的看待這一問題。

電壽命包括短路電流下的電壽命和額定電流下的電壽命。

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1關(guān)于電壽命實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

一個(gè)重要事實(shí)是，對(duì)以使用銅鉻合金觸頭為標(biāo)志的現(xiàn)代真空斷路器而言，電壽命實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)得到徹底解決了的問題。

真空開關(guān)生產(chǎn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，全球范圍內(nèi)還沒有一臺(tái)真空斷路器完全是因?yàn)殡妷勖K結(jié)而退出運(yùn)行的。類似統(tǒng)計(jì)中國電科院也得出過，在中國，至今沒有任何實(shí)際的案例表明有任何型號(hào)任何廠家生產(chǎn)的真空斷路器是因?yàn)檎嬲碾妷勖K結(jié)而退出運(yùn)行的。

從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來說，國內(nèi)使用真空斷路器操作次數(shù)最為頻繁的應(yīng)用場(chǎng)合是35kV電弧煉鋼爐的操作。由于目前市場(chǎng)上沒有成熟的35kV接觸器，因此在控制此電壓等級(jí)的負(fù)載時(shí)只能使用真空斷路器。在某鋼廠，35kVVD4開關(guān)操作次數(shù)最高達(dá)每天100～200次。在機(jī)構(gòu)維護(hù)保養(yǎng)良好的狀況下，35kVVD4的壽命可以達(dá)到3萬次，最終由于機(jī)械壽命達(dá)到極限退出運(yùn)行，其服役時(shí)間僅為半年即必須更換新開關(guān)。在這種最嚴(yán)苛的場(chǎng)合，也沒有出現(xiàn)一例真空滅弧室達(dá)到其觸頭電氣壽命而必須退出運(yùn)行的。

2進(jìn)一步從試驗(yàn)和理論計(jì)算解釋如下：

（1）短路電流下的電壽命

短路電流下的電壽命由型式試驗(yàn)驗(yàn)證。在GB1984中詳細(xì)規(guī)定了短路電壽命的試驗(yàn)和評(píng)級(jí)程序。國內(nèi)大多數(shù)開關(guān)設(shè)備制造廠家的斷路器也通過了這一級(jí)別的試驗(yàn)。在數(shù)十次國內(nèi)型式試驗(yàn)中，沒有任何開關(guān)是由于合閘彈跳的原因而不能通過短路開合電壽命型式試驗(yàn)的。

（2）負(fù)載電流下的電壽命

由于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)成本的限制，沒有任何一家試驗(yàn)站和制造商能夠直接進(jìn)行完整的額定電流下的電壽命試驗(yàn)。

然而基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算的結(jié)果表明，一臺(tái)裝配VG4型號(hào)滅弧室的10kV630AVD4X斷路器，其合閘彈跳按ABB的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5ms。在400A的負(fù)載情況下操作20,000次，其觸頭磨損量僅為0.073mm。此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于觸頭設(shè)計(jì)允許磨損厚度1mm。并且，在電弧引起的觸頭燒蝕中，絕大部分是在分閘長達(dá)約5ms～10ms的燃弧過程中產(chǎn)生的。合閘彈跳過程中，真正觸頭分離的時(shí)間并不長，觸頭開距也非常短，電弧能量很低，因此在總磨損量0.073mm中由觸頭彈跳引起的部分微乎其微。計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1

四、降低彈跳的手段

VD4澆注（固封）極柱斷路器與使用完全相同機(jī)構(gòu)的VD4組裝極柱斷路器相比，某些型號(hào)其合閘彈跳時(shí)間約長0.5ms，其最主要的原因有兩個(gè)：

因素3，動(dòng)觸頭系統(tǒng)的質(zhì)量更大。在12kV固封極柱斷路器大電流型號(hào)上，已經(jīng)通用了與35kVVD4同樣的真空滅弧室VG6。大的真空滅弧室的使用一方面有更好的開斷和溫升性能，更長的壽命，另一方面統(tǒng)一真空滅弧室的型號(hào)可以更好的進(jìn)行質(zhì)量控制確保工藝水平。

因素5，真空滅弧室的機(jī)械支持系統(tǒng)的剛性比以前有所增加。由于采用固封工藝，真空滅弧室受到環(huán)氧樹脂的整體包圍，在合閘過程中真空滅弧室很穩(wěn)定，其徑向和軸向振顫大幅減少，因此這中振蕩消耗的合閘觸頭動(dòng)量也相應(yīng)減少，引起部分型號(hào)的彈跳時(shí)間延長。

如第二段中所述，可以通過改變以下的參數(shù)來影響合閘彈跳：觸頭彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)和預(yù)壓縮量（負(fù)相關(guān)性）；真空滅弧室機(jī)械支撐系統(tǒng)的剛性（正相關(guān)性）；合閘機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工藝，主要是連桿，拐臂等處的間隙配合（相關(guān)性不確定）。

制造商多采用真正有意義的的手段是第4、5點(diǎn)。第6點(diǎn)合閘機(jī)構(gòu)的調(diào)整很難有穩(wěn)定的效果，在很多情況下，機(jī)構(gòu)的間隙越大，合閘彈跳反而越小。

（1）增加觸頭彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)和預(yù)壓縮量是一個(gè)降低彈跳的方法。但是這增加了機(jī)構(gòu)的負(fù)荷和沖擊，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和真空滅弧室的機(jī)械壽命都有明顯的不利影響。

（2）降低真空滅弧室機(jī)械支撐系統(tǒng)的剛性是一個(gè)更常見也更不妥的做法。目前我們?cè)谑袌?chǎng)上看到一些超低合閘彈跳時(shí)間的真空斷路器，有的甚至合閘彈跳為零。從技術(shù)上來說，合閘彈跳為零代表發(fā)生了完全非彈性碰撞，而完全非彈性碰撞意味著動(dòng)能完全由碰撞系統(tǒng)的變形來吸收。這對(duì)一臺(tái)真空開關(guān)而言，并不是一個(gè)好現(xiàn)象。

事實(shí)上，我們看到的某些具有超低合閘彈跳時(shí)間的固封極柱斷路器，經(jīng)研究其環(huán)氧樹脂材料玻璃化溫度僅達(dá)到85度。（玻璃化溫度是電器標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定的一個(gè)重要的指標(biāo)，其含義在于在玻璃化溫度以上，環(huán)氧樹脂會(huì)從固態(tài)轉(zhuǎn)換為玻璃態(tài)，其機(jī)械強(qiáng)度急劇降低。斷路器任何部位使用的環(huán)氧樹脂都應(yīng)該保證溫度在其玻璃化溫度以下。否則在短路電流沖擊下斷路器部件很可能會(huì)變形或是破裂）。

也就是說，使用更軟的支撐，可以達(dá)到極低的合閘彈跳時(shí)間。但是由此帶來的巨大隱患是大多數(shù)用戶所不知道的。

20年以前的真空斷路器的觸頭材料在開斷電流時(shí)磨損量大，所以對(duì)合閘彈跳比較敏感。但如今的真空斷路器使用了性能優(yōu)越的CrCu合金觸頭，觸頭的磨損量更是降低到幾個(gè)數(shù)量級(jí)的水平，所以觸頭的彈跳時(shí)間不管是2ms、3ms還是5ms，對(duì)用戶使用或斷路器的壽命而言，都是很安全的。

結(jié)語

理論上合閘彈跳對(duì)真空滅弧室的電氣壽命的影響是負(fù)面的，但是無論從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和定量的理論計(jì)算來分析，這種負(fù)面影響都是微乎其微，到完全可以忽略不計(jì)的。

每種斷路器根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，都有一個(gè)不同的理論合閘彈跳時(shí)間。這個(gè)彈跳時(shí)間是判斷斷路器裝配質(zhì)量的重要指標(biāo)。如果實(shí)測(cè)值偏離典型的合閘彈跳標(biāo)準(zhǔn)，不論是太大還是太小，都代表這臺(tái)斷路器的裝配可能有異?，F(xiàn)象。

12kVVD4斷路器的大電流規(guī)格采用了40.5kV的真空滅弧室，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)也完全相同。由于觸頭系統(tǒng)的增大相應(yīng)的合閘彈跳也更大，這也是和GB50150等標(biāo)準(zhǔn)的制訂精神相符合的。根據(jù)國標(biāo)要求的40.5kV真空泡彈跳時(shí)間允許3ms以下能夠滿足電氣壽命的要求，將其用于10kV系統(tǒng)則電氣壽命裕度會(huì)更大。

真空斷路器是一個(gè)綜合的系統(tǒng)，為了過于追求沒有實(shí)際意義的合閘彈跳時(shí)間指標(biāo)，而使用不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和材料而影響更重要的開斷、機(jī)械性能，其實(shí)是一種不合適的做法。

[1]GB1984-2014,高壓交流斷路器[S]．

[2]徐國政．高壓斷路器原理和應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000．

[3]張京山．金屬及合金材料書冊(cè)[M]．北京：金盾出版社，2005．

中圖分類號(hào)：TM561

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A