大容量真空断路器的设计

大容量真空断路器的设计

何洪亮

（广东必达电器有限公司广东佛山528309）

摘要：本文主要针对大容量真空断路器在设计时遇到的问题，并从温升、操作功、刚分速度、结构刚性、合闸弹跳方面进行论述设计注意的重点，并就断路器所用的弹簧操动机构如何与灭弧室配合进行分析，结合生产的实际经验，规范的装配工艺工装必要性。

关键词：真空断路器回路电阻趋肤效应触头压力合闸弹跳

随着国民经济的快速发展，用电负荷的不断攀升，区域供电容量正在不断的提升，因此迫切需求大容量开关。长期以来我国在大容量开关的研究与国外相比是落后的，尤其是大容量真空断路器的研究的不足，因此大容量真空断路器的设计、生产也直接体现了制造厂的技术水平。现根据我厂研制该产品时遇到的问题为大家论述设计时注意的重点，大容量真空断路器的特点就是大额定电流，大开断容量，它们就直接导致了相关问题的产生，例如温升、操作功、分闸、结构刚性、合闸弹跳等等问题。

1、长期温升问题

大电流开关的长期温升问题是令世界各国头疼的问题，长期以来不能得到很好的解决，这也直接的制约了大电流开关的发展。众所周知断路器的温升是由导电体在通过电流后产生的热量不能及时的散出在导体之外而导致热量的累积，导电体就会出现温度的升高，长期运行至最终达到一个热交换的平衡。在开关设计中温升的数值是为国家标准GB/T11022-1999规定的，其中有两项是我们必须注意的：

（1）触头：裸铜或裸铜合金触头在空气中的使用情况下，周围空气温度不超过40℃时的温升最大值为35K。镀银或镀镍触头在空气中的使用情况下，周围空气温度不超过40℃时的温升最大值为65K。

（2）用螺栓或与其等效的联结：裸铜或裸铜合金在空气中的使用情况下，周围空气温度不超过40℃时的温升最大值为50K。镀银或镀镍在空气中的使用情况下，周围空气温度不超过40℃时的温升最大值为75K。

（3）解决措施：

1）尽量的减小导电回路的电阻

开关热量来源就是电流的平方乘以电阻，因此控制电阻的大小直接影响到热量大小，只有热量产生的少了，在同等的使用条件下温升才会低，只有电阻小了开关的运行损耗才低，才是真正符合国际倡导的环保开关，可见减小电阻的重要意义。我们应合理布局结构，尽量减少导电体的搭接次数，减少接触电阻。其次就是选择合理的导电体的截面积。以上措施我们解决的主要是直流电阻，而我们产品的运行条件在额定频率为50Hz的三相交流电力系统中，由于交流频率的存在，导电体的实际电阻就不是单纯直流电阻而是要在此基础上加上一个交流附加损耗系数，因此我们设计导电体时要注意这个问题的影响。

2）设计合理的热通路

热传导的基本机理是不同温度的物体或物体不同温度的各部分间，分子动能的相互传递，在开关中由于其绝缘的特殊性，因此传热基本是在空气中的传递，而空气的热导率λ=0.02W/(m?K)，在实际验证中基本可以不予考虑。而热辐射在这主要讲的是由于温差引起的电磁波的传播，在我们的产品采用的是全封闭绝缘结构，所以当电磁波遇到其它物体时，一部分电磁波能量被其它物体吸收转变为热能，剩下的一部分能量则被反射回来，这一去以来之间靠热辐射传递的热量是极其有限的，因此可以不予考虑。

在开关的传热设计中主要研究的还是对流换热，因此热通路的设计是非常重要的。众所周知温度高的物体放在通风良好的的地方比放在空气不流动的地方的温度下降是快很多的，这是因为空气的对流将热量带走了。同理在开关长期运行过程中，温度较高的导电体周围存在着空气流体，导电体首先将热量通过热传导的方式传给与它紧靠着的流体层，这一层流体受热后，体积膨胀，密度变小，就向上流动，而边界层以外未受热的、密度大的流体过来补充补充来的流体又吸热向上流动，如此循环导电体表面的热量不断的被带走，从而使导电体的温度不断的下降，降低了温升。

2、操作功问题

大容量真空断路器的大开断容量直接带来的影响就是核心元件真空灭弧室的直径大、真空触头大、质量大、触头压力大，触头压力的影响最大。在40kA开断容量的触头压力是4500N左右而50kA开断容量的触头压力是6500N左右，可以明显看出差别巨大。因此我们必须加大操动机构的操作功。我们在设计时不能违背规律避免只能是使用合理的设计缓和这个反力特性矛盾，主要从以下两点进行处理：

（1）合理的合闸凸轮曲线

断路器弹簧操动机构设计中均采用四连杆设计，合闸弹簧带动凸轮轴，释放合闸弹簧时凸轮轴上的凸轮驱动机构的四连杆进行合闸动作，这里就要合理的安排凸轮轴的转角，必须根据断路器整体的受力情况，即计算好驱动到真空灭弧室后的连杆受力情况，使凸轮轴的转动的每个角度应满足断路器本身的负载特性，因此合闸凸轮曲线的设计是及其重要的，它直接影响到整个机构的传动效率和机构的操作寿命。

（2）合理的主轴传动结构

断路器的主轴传动结构连接的是弹操机构与真空灭弧室的两端，传动结构设计的是否合理直接影响到弹操机构负载。设计时我们应分化大的触头压力所带来的对弹操机构负载的影响，通常我们采用省力结构的设计，优化合闸转角的设计，使主轴受力始终平稳，在进行触头弹簧压缩一部分时负载力达到最大，然后必须逐步的减小，以减小弹操机构的负担，这是我们必须注意的，否则增大合闸簧后同样是影响断路器的整体性能。

3、分闸的问题

在大容量开关设计中分断的过程原理与其它类型的真空开关是一样的，电弧产生的能量是电流的平方关系，所以50kA开断容量的电弧能量是40kA开断容量的1.6倍，因此刚分速度是必须要保证的且比小容量开关要更高我们一般要求在1.3m/s，由于触头压力大对提高刚分速度是有好处的，通过分闸弹簧力的增加，主轴传动的设计是可以保证刚分速度的。如果遇到强烈振动就会使触头上方飞溅金属悬浮微粒降低绝缘强度以及不平整的触头表面导致电场恶化，这些都是重击穿和开断失败的直接因素。

4、结构刚性问题

断路器结构框架是支撑相装配和弹操机构的基体，它的刚性直接会影响到开关开断运行的的稳定性。由于大的合闸功是框架承载着巨大的作用力，受限于开关体积和开关成本我们不能无限制的增加开关的高度等，因此我们必须充分的利用本身金属材料的内力特性，抗弯受力的一定要加强筋进行补强。我们开关设计采用三角支撑结构，支撑真空灭弧室的绝缘筒的底部安装在框架上，使其在合闸过程中受拉力，减小了合闸变形，从而保证了开断时的开关稳定性。

5、合闸弹跳问题

合闸弹跳问题是真空开关设计中很难有明确认识的东西，实际生产中遇到的弹跳问题，处理的方式也有很多的方法，但不能直接的找出是什么原因引起的，我们一般采用排除法，逐项去除。但我们设计必须要有预见性，理论分析，着重解决，根据我们多年的生产经验设计主要应主要以下方面：

（1）要有足够大的触头压力

由于大容量开关电动力的关系，它所要求的触头压力一般都可以满足要求的，我们主要还是看重触头弹簧的预压力，预压力过小是不能抑制合闸弹跳的。

（2）传动件的加工精度

主轴转动部件的配合精度对于合闸弹跳的影响是很大的间隙过大就会出现弹跳的不稳定性，不利于产品质量的控制。

（3）真空灭弧室触头的垂直度

真空灭弧室触头的垂直度是必须保证的，我们一般通过工艺工装保证，由于真空灭弧室触头为平板接触结构，合闸时的能量是很大的，如果安装时触头不垂直，仅仅是触头的边缘在接触，就会产生摇摆式震动，严重影响了合闸弹跳的数值，我们装配时一定要避免。

6、结论

以上的设计思路都已在我们开发的ZN55(VS1)-12/T5000-50型户内高压交流真空断路器得到了验证和体现，在大容量真空断路器设计中的长期温升问题和操作功问题是它的重中之重，我们设计人员应多进行理论分析和实践的验证，设计中的各项参数是相互作用影响的，我们只能是有目的的去取舍。我们有优秀的设计，但国内企业在生产、制造环节的落后也直接造成了与国外产品的差距。