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(dòng)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(yán)重者反復(fù)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(biāo)準(zhǔn)中的定義：（合閘的）動(dòng)觸頭合閘彈跳時(shí)間為從觸頭第一次接觸開始到觸頭穩(wěn)定接通時(shí)刻的時(shí)間，彈跳采用時(shí)間的計(jì)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(guān)合峰值電流時(shí)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致熔焊。另外在關(guān)合容性電流則會(huì)產(chǎn)生較大的合閘涌流，會(huì)使得動(dòng)、靜觸頭發(fā)生熔焊。

有研究者提出把真空開關(guān)的合閘彈跳和過電壓聯(lián)系起來，基于這個(gè)認(rèn)識(shí)而對合閘彈跳提出非常嚴(yán)格的要求，甚至于追求零彈跳的真空開關(guān)，花了很大的代價(jià)來解決此問題，交流開關(guān)都是在電流過零點(diǎn)附近熄弧的，對于50Hz的交流電兩次過零點(diǎn)的時(shí)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(huì)熄滅，因此也不會(huì)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(jì)了近10年的開關(guān)平均彈跳時(shí)間，從中可以發(fā)現(xiàn)總體來說彈跳時(shí)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(gè)問題。

表

4 合閘彈跳機(jī)理過程分析

在關(guān)合短路電流過程中，在觸頭振動(dòng)時(shí)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(dǎo)致觸頭關(guān)合時(shí)發(fā)生熔焊。為了避免電弧的不利影響，應(yīng)當(dāng)盡量減小觸頭的振動(dòng)時(shí)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(yīng)對關(guān)合短路電流時(shí)避免被彈開，然而這樣又會(huì)要求機(jī)構(gòu)具要有足夠的動(dòng)能來實(shí)現(xiàn)正常分合閘，在動(dòng)、靜觸頭發(fā)生碰撞后能量會(huì)在三處進(jìn)行釋放，即合閘碰撞的能量損失、觸頭彈簧的儲(chǔ)能和動(dòng)觸頭彈跳的動(dòng)能。產(chǎn)生彈跳的主要原因是在動(dòng)、靜觸頭合閘碰撞時(shí)，能量沒有完全被材料變形的勢能和觸頭壓力彈簧儲(chǔ)能全部吸收掉，剩余能量產(chǎn)生了回彈。

如下是動(dòng)、靜觸頭發(fā)生振動(dòng)物理過程：

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

圖3

圖4

觸頭反跳的最大距離xm和時(shí)間tm。

設(shè)動(dòng)觸頭的質(zhì)量為m，彈簧質(zhì)量忽略不計(jì)，動(dòng)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(dòng)能為：

當(dāng)觸頭材料彈性變形恢復(fù)后，動(dòng)觸頭發(fā)生反跳，設(shè)動(dòng)觸頭的反跳初速度為v20，所具備的動(dòng)能為：

1）若動(dòng)靜觸頭材料為理想彈性體，則動(dòng)觸頭碰撞前后的動(dòng)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(shí)，會(huì)有一部分能量消耗在觸頭的塑性變形上。假設(shè)其塑性變形所消耗的能量為WA，則動(dòng)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(fù)系數(shù)。

現(xiàn)以動(dòng)觸頭開始回彈時(shí)刻為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t之后，動(dòng)觸頭會(huì)反彈，并且還會(huì)壓縮觸頭壓力彈簧一段位移X。就在同一時(shí)刻動(dòng)觸頭的支撐座在其驅(qū)動(dòng)力的作用下向靜觸頭方向也會(huì)運(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的反跳，一般會(huì)在裝配時(shí)觸頭彈簧的時(shí)候會(huì)預(yù)壓縮一段距離l0（即觸頭彈簧預(yù)壓縮）。當(dāng)動(dòng)觸頭在第一次碰撞之后且反跳t時(shí)間之后，動(dòng)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(dòng)觸頭在反跳過程中，實(shí)際的能量交換（彈簧儲(chǔ)能變化）為：

動(dòng)觸頭反跳t時(shí)間后能量平衡方程式：

當(dāng)動(dòng)觸頭經(jīng)過tm時(shí)，反跳達(dá)到最大距離xm，動(dòng)觸頭停止反向彈跳，此刻其速度為零V2= 0，對應(yīng)的能量平衡式為：

假設(shè)動(dòng)觸頭反跳速度隨時(shí)間線性變化，取其平均速度：

反跳達(dá)到最大距離xm：

代入其中：

因觸頭預(yù)壓力F0等于彈簧剛度C乘以預(yù)壓長度L0。F0=Cl0得到：

從演算結(jié)果來看：動(dòng)觸頭第一次反跳達(dá)到的最大距離Xm與動(dòng)觸頭在剛剛閉合時(shí)候的速度v1，動(dòng)觸頭自身的質(zhì)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(fù)系數(shù)K等因素密切相關(guān)聯(lián)。

同時(shí)可以得出初步結(jié)論：實(shí)際產(chǎn)品中盡量采用較大的觸頭預(yù)壓縮力、選用彈簧剛度系數(shù)較大的觸頭彈簧，盡量減小動(dòng)觸頭的閉合時(shí)候的速度、盡量減輕動(dòng)觸頭自身質(zhì)量、盡量選用恢復(fù)系數(shù)接近1的觸頭材料，從而盡可能實(shí)現(xiàn)觸頭的無危險(xiǎn)振動(dòng)。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(shí)際的，這就必須根據(jù)實(shí)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(yīng)對措施

真空斷路器產(chǎn)品電壓等級(jí)和電流等級(jí)很多，從而每一種的動(dòng)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(huì)有，綜合實(shí)際近十幾年的生產(chǎn)、試制、試驗(yàn)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)來看，存在的主要因素以及應(yīng)對措施有以下八條：

從上述分析看出真空滅弧室本身材質(zhì)、動(dòng)觸頭的合閘速度、觸頭初壓力為主要影響因素；然而從實(shí)際產(chǎn)品來看整體動(dòng)端質(zhì)量、零部件之間的配合程度和裝配、調(diào)試方法和手段、操作機(jī)構(gòu)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(qiáng)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(dǎo)電回路、導(dǎo)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(zhì)及加工工藝多會(huì)對合閘彈跳有影響的，首先從觸頭來看，觸頭采用的材質(zhì)決定了機(jī)械強(qiáng)度，不同性能要求的材質(zhì)機(jī)械性能差異很大（見圖6），材料密度不一樣導(dǎo)致質(zhì)量差異，加工工藝不一樣導(dǎo)致表面的平面的不一樣。當(dāng)觸頭的強(qiáng)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(zhì)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(dǎo)致吸收能量不足，彈跳就越大。另外導(dǎo)向需要保持盡量在中心，如果偏離導(dǎo)致觸頭接觸不好，彈跳會(huì)越大。當(dāng)然真空滅弧室作為一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要綜合各方面的要求來設(shè)計(jì)，既要考慮機(jī)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(guān)合速度指開關(guān)在合閘過程中，動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸瞬間的運(yùn)動(dòng)速度。合閘速度過快或過慢都有不利的后果。當(dāng)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(guān)合電動(dòng)力的排斥作用，會(huì)引起振動(dòng)或停滯，導(dǎo)致觸頭燒損，當(dāng)內(nèi)部壓力過大則導(dǎo)致滅弧室爆炸。但如果合閘速度過快，各運(yùn)動(dòng)零部件將承受較大的沖擊力，使各零部件變形或損壞，進(jìn)而影響真空斷路器的機(jī)械壽命。因此，在產(chǎn)品初期就應(yīng)該設(shè)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(gè)或多個(gè)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(shí)候產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，出現(xiàn)動(dòng)作不流暢或者卡澀。真空斷路器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)的絕緣拉桿組件運(yùn)動(dòng)（見圖8），當(dāng)其與真空滅弧室中心軸同軸度較差合閘彈跳就越大。當(dāng)不同軸時(shí)，真空滅弧室則會(huì)被機(jī)構(gòu)動(dòng)力迫使運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成動(dòng)導(dǎo)電桿傾斜，甚至靜端蓋板會(huì)因?yàn)槭艿綇澢Χ冃危瑒?dòng)、靜觸頭在閉合時(shí)觸頭面之間產(chǎn)生夾角，碰撞時(shí)接觸面積減小，能量損失也就小，使得彈跳增大。另動(dòng)導(dǎo)電桿傾斜，合閘過程中運(yùn)動(dòng)不暢，會(huì)使彈跳時(shí)間加長。因此，需要通過零部件加工時(shí)候就要控制好各自的同軸度。

圖8

（4）影響因素之四：觸頭預(yù)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(guān)系。如圖9所示，初壓力越大彈跳越小。為了保證在關(guān)合短路電流的時(shí)候合閘動(dòng)作可靠到位，需要增加動(dòng)、靜觸頭間的接觸壓力，動(dòng)、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(yù)壓縮量有關(guān)聯(lián)。終壓力與彈簧剛度和超程有關(guān)聯(lián)；根據(jù)相關(guān)聯(lián)的因素設(shè)計(jì)合理的初壓力和終壓力。初壓力會(huì)使觸頭在合閘碰撞時(shí)得到緩沖和能量釋放，將碰撞的動(dòng)能轉(zhuǎn)為觸頭壓力彈簧的彈性勢能，抑制動(dòng)觸頭彈跳。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候首先要滿足合閘機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙

零部件裝配必然存在間隙，或大或小。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)需要對傳動(dòng)間隙做標(biāo)準(zhǔn)化要求并進(jìn)行有效的工藝和質(zhì)量控制，通常情況下間隙控制在30~50μm之間。當(dāng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙越大彈跳就會(huì)越大，動(dòng)作的可靠性降低，會(huì)發(fā)生合閘不到位甚至?xí)霈F(xiàn)合不上閘的情況，見圖10。

圖10

（6）影響因素之六：機(jī)構(gòu)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(dǎo)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(jī)械磨合操作后超程會(huì)逐漸變小從而導(dǎo)致觸頭壓力變小。為確保機(jī)械特性參數(shù)的穩(wěn)定需要進(jìn)行300次的合、分操作機(jī)械磨合試驗(yàn)，目的是達(dá)到機(jī)械磨合的最佳狀態(tài)，另外經(jīng)過300次的機(jī)械磨合操作試驗(yàn)后動(dòng)、靜觸頭表面的平面度也都會(huì)有所改善，有助于降低合閘彈跳。完成機(jī)械磨合試驗(yàn)之后還需重新調(diào)整好各機(jī)械參數(shù)，滿足產(chǎn)品出廠試驗(yàn)報(bào)告要求，見圖11。（7）影響因素之七：安裝和調(diào)試

圖11

斷路器安裝、調(diào)試是否做到位和是否造成彈跳大有關(guān)聯(lián)的。需要加強(qiáng)真空斷路器的裝配、調(diào)試工藝要求。嚴(yán)格遵守作業(yè)指導(dǎo)書的要求進(jìn)行裝配和調(diào)試，確保整個(gè)分合閘操作順暢不卡澀。特別需要調(diào)整好整體運(yùn)動(dòng)的傳遞順暢，使操作機(jī)構(gòu)輸出的中心軸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中心軸、真空滅弧室動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)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(gè)支撐零部件的機(jī)械強(qiáng)度，標(biāo)準(zhǔn)件安裝到位，遵循設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選擇標(biāo)準(zhǔn)件，無錯(cuò)裝無漏裝無松動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件在較短的行程內(nèi)迅速停下來，在此可以安裝制動(dòng)裝置，但也不能簡單地采用在行程終了處安裝制動(dòng)裝置，而是需要用緩沖器來吸收運(yùn)動(dòng)部分的動(dòng)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(fù)位彈簧和端蓋等零部件組成。油壓緩沖器工作原理：當(dāng)撞頭受到撞擊時(shí)，液壓油通過排油孔來緩解撞擊能，油進(jìn)到儲(chǔ)油室，壓縮復(fù)位彈簧；撞擊結(jié)束后，復(fù)位彈簧反過來推動(dòng)活塞，完成緩沖器的復(fù)位。

油緩沖對于開關(guān)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(jié)束語

綜上所述，根據(jù)理論分析推導(dǎo)和計(jì)算以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(shù)參數(shù)的要求，在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)候需要具體問題進(jìn)行相應(yīng)地分析和試驗(yàn)來找到適合的方法和措施來滿足彈跳的要求，當(dāng)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(jìn)行檢驗(yàn)要求的制定和標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)制定并實(shí)施。