真空斷路器合閘彈跳的技術探討

劉志祥（廈門ABB開關有限公司，福建　廈門　361006）

真空斷路器合閘彈跳的技術探討

劉志祥
（廈門ABB開關有限公司，福建廈門361006）

摘要：本文針相關標準及選用導則對真空斷路器合閘彈跳時間的要求，通過對合閘彈跳現象展開分析，對影響合閘彈跳因素逐一進行技術剖析。并結合真空斷路器的實際運行情況，說明當前真空斷路器普遍采用新合金材料（CuCr）后，合閘彈跳已經不再是影響真空斷路器的主要因素。

關鍵詞：彈跳；電壽命；燃弧；剛性；玻璃態；真空滅弧室

一、標準

GB1984-2014《高壓交流斷路器》中沒有對斷路器的彈跳進行說明，目前能找到的對斷路器合閘彈跳有相關條款涉及的主要有以下標準：

1GB50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》

12.0.5測量斷路器主觸頭的分、合閘時間，測量分、合閘的同期性，測量合閘過程中觸頭接觸后的彈跳時間，應符合下列規定：

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

2DL615-1997《交流高壓斷路器參數選用導則》

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。

以上標準中關于合閘彈跳的條款對應文字內容沒有黑體字標志，屬于非強制性條款。

二、彈跳及其相關因素

合閘彈跳是真空斷路器固有的一種現象。真空斷路器的設計結構決定了在動靜觸頭高速接觸碰撞后，動觸頭的動能需要在若干次的彈跳中消耗完畢直至最終穩定接觸。

一臺理想的真空斷路器，其彈跳的大小取決于以下主要因素：

1觸頭材質、硬度（正相關性）；

2合閘速度（正相關性）；

3動觸頭系統的質量（正相關性）；

4觸頭彈簧的倔強系數和預壓縮量（負相關性）；

而一臺實際的斷路器，還有以下因素對彈跳會產生較大影響；

5真空滅弧室機械支撐系統的剛性（正相關性）；

6合閘機構系統的工藝，主要是連桿，拐臂等處的間隙配合（相關性不確定）。

在以上因素中，與真空滅弧室直接相關的因素1、2、3是決定斷路器基本開斷關合能力的關鍵指標。因此，觸頭系統因素1、2、3的設計必須優先考慮更重要的開斷性能，一般不會也不應該因為合閘彈跳而改變觸頭系統的參數。

三、彈跳對斷路器性能的影響

如標準DL615所述，彈跳對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。

參考文獻

[1]劉樹才．淺析火電廠電氣工程項目進度優化管理[J]．中國高新技術企業，2015 （03）．

[2]劉毅．project軟件在建筑工程項目進度優化管理中的應用[J]．河北工程大學，2011（06）．

[3]江冬玉．電氣工程項目進度優化管理淺析[J]．科技風，2009（12）．

1關于電壽命實際運行經驗

一個重要事實是，對以使用銅鉻合金觸頭為標志的現代真空斷路器而言，電壽命實際上已經是一個得到徹底解決了的問題。

真空開關生產和運行經驗表明，全球范圍內還沒有一臺真空斷路器完全是因為電壽命終結而退出運行的。類似統計中國電科院也得出過，在中國，至今沒有任何實際的案例表明有任何型號任何廠家生產的真空斷路器是因為真正的電壽命終結而退出運行的。

從實際運行經驗來說，國內使用真空斷路器操作次數最為頻繁的應用場合是35kV電弧煉鋼爐的操作。由于目前市場上沒有成熟的35kV接觸器，因此在控制此電壓等級的負載時只能使用真空斷路器。在某鋼廠，35kVVD4開關操作次數最高達每天100～200次。在機構維護保養良好的狀況下，35kVVD4的壽命可以達到3萬次，最終由于機械壽命達到極限退出運行，其服役時間僅為半年即必須更換新開關。在這種最嚴苛的場合，也沒有出現一例真空滅弧室達到其觸頭電氣壽命而必須退出運行的。

2進一步從試驗和理論計算解釋如下：

（1）短路電流下的電壽命

短路電流下的電壽命由型式試驗驗證。在GB1984中詳細規定了短路電壽命的試驗和評級程序。國內大多數開關設備制造廠家的斷路器也通過了這一級別的試驗。在數十次國內型式試驗中，沒有任何開關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的。

（2）負載電流下的電壽命

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

然而基于經驗數據和理論計算的結果表明，一臺裝配VG4型號滅弧室的10kV630AVD4X斷路器，其合閘彈跳按ABB的設計標準為5ms。在400A的負載情況下操作20,000次，其觸頭磨損量僅為0.073mm。此值遠遠低于觸頭設計允許磨損厚度1mm。并且，在電弧引起的觸頭燒蝕中，絕大部分是在分閘長達約5ms～10ms的燃弧過程中產生的。合閘彈跳過程中，真正觸頭分離的時間并不長，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。計算結果如圖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構的VD4組裝極柱斷路器相比，某些型號其合閘彈跳時間約長0.5ms，其最主要的原因有兩個：

因素3，動觸頭系統的質量更大。在12kV固封極柱斷路器大電流型號上，已經通用了與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，另一方面統一真空滅弧室的型號可以更好的進行質量控制確保工藝水平。

因素5，真空滅弧室的機械支持系統的剛性比以前有所增加。由于采用固封工藝，真空滅弧室受到環氧樹脂的整體包圍，在合閘過程中真空滅弧室很穩定，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量也相應減少，引起部分型號的彈跳時間延長。

如第二段中所述，可以通過改變以下的參數來影響合閘彈跳：觸頭彈簧的倔強系數和預壓縮量（負相關性）；真空滅弧室機械支撐系統的剛性（正相關性）；合閘機構系統的工藝，主要是連桿，拐臂等處的間隙配合（相關性不確定）。

制造商多采用真正有意義的的手段是第4、5點。第6點合閘機構的調整很難有穩定的效果，在很多情況下，機構的間隙越大，合閘彈跳反而越小。

（1）增加觸頭彈簧的倔強系數和預壓縮量是一個降低彈跳的方法。但是這增加了機構的負荷和沖擊，對操動機構和真空滅弧室的機械壽命都有明顯的不利影響。

（2）降低真空滅弧室機械支撐系統的剛性是一個更常見也更不妥的做法。目前我們在市場上看到一些超低合閘彈跳時間的真空斷路器，有的甚至合閘彈跳為零。從技術上來說，合閘彈跳為零代表發生了完全非彈性碰撞，而完全非彈性碰撞意味著動能完全由碰撞系統的變形來吸收。這對一臺真空開關而言，并不是一個好現象。

事實上，我們看到的某些具有超低合閘彈跳時間的固封極柱斷路器，經研究其環氧樹脂材料玻璃化溫度僅達到85度。（玻璃化溫度是電器標準未規定的一個重要的指標，其含義在于在玻璃化溫度以上，環氧樹脂會從固態轉換為玻璃態，其機械強度急劇降低。斷路器任何部位使用的環氧樹脂都應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變形或是破裂）。

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

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

結語

理論上合閘彈跳對真空滅弧室的電氣壽命的影響是負面的，但是無論從實際運行經驗和定量的理論計算來分析，這種負面影響都是微乎其微，到完全可以忽略不計的。

每種斷路器根據其具體結構設計的不同，都有一個不同的理論合閘彈跳時間。這個彈跳時間是判斷斷路器裝配質量的重要指標。如果實測值偏離典型的合閘彈跳標準，不論是太大還是太小，都代表這臺斷路器的裝配可能有異常現象。

12kVVD4斷路器的大電流規格采用了40.5kV的真空滅弧室，其操動機構也完全相同。由于觸頭系統的增大相應的合閘彈跳也更大，這也是和GB50150等標準的制訂精神相符合的。根據國標要求的40.5kV真空泡彈跳時間允許3ms以下能夠滿足電氣壽命的要求，將其用于10kV系統則電氣壽命裕度會更大。

真空斷路器是一個綜合的系統，為了過于追求沒有實際意義的合閘彈跳時間指標，而使用不恰當的設計和材料而影響更重要的開斷、機械性能，其實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用[M]．北京：清華大學出版社，2000．

[3]張京山．金屬及合金材料書冊[M]．北京：金盾出版社，2005．

中圖分類號：TM561

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