关于高压断路器灭弧室摩擦力的分析与检测

【摘要】本文主要就高压断路器中灭弧室的摩擦力进行了较为详尽的论述，并介绍了自制计算机辅助检测系统（CAS）的设计原理及应用情况。

关键词：高压，断路器，摩擦力

【 abstract 】 this article mainly in high voltage circuit breaker arcing chamber the friction of a very detailed discussion, and introduced the homemade computer aided testing system (CAS) of the design principle and the application.

Keywords: high pressure, circuit breakers, friction

中图分类号：TM561文献标识码：A 文章编号：

前言

在本文中，我们对断路器中开断元件（灭弧室）摩擦力进行了详尽地分析，并提出了一种方法，用以测量灭弧室的摩擦力。属于对瑞士ABB公司的技术引进项目，在国内高压开关行业尚属首次应用。

高压断路器及其操动机构

高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护电器。无论被控电路处在何种工作状态，例如空载、负载或短路故障状态，断路器都应可靠动作，或是接通，或是断开电路。概括地讲，断路器在电网中起两方面的作用：一是控制作用，即根据电网运行需要，将一部分电力设备或线路投入或退出运行；二是保护作用，即在电力设备或线路发生故障时，通过继电保护装置作用于断路器，将故障部分从电网中迅速切除，保证电网的无故障部分正常运行。

高压断路器的类型很多，但就其结构来讲，都是由开断元件、支撑绝缘件、传动元件、基座及操动机构五个基本部分组成，如图2-1所示。图中开断元件是断路器的核心元件，控制、保护等方面的任务都由它来完成。其他组成部分，都是配合开断元件，为完成上述任务而设置的。开断元件包括有触头、导电部分及灭弧室等。触头分合动作是靠操动机构来带动的。开断元件一般安放在绝缘支柱上，使处于高电位的触头及导电部分与地绝缘。绝缘支柱则安装在基座上。

传统的高压电器都是带触头的电器，通过触头的分、合动作达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操作系统才能完成。断路器的操动机构是用来使断路器合闸、分闸，并维持合闸状态的设备，断路器所配用的操动机构应当工作可靠、动作迅速、结构简单、重量轻和操作方便。断路器合闸所需功率较大，因为合闸过程要克服导电回路的电动力、摩擦力、小压气缸的反力及运动部件的重量等。

断路器操动机构受力分析

断路器与操作系统的组成，可见图3-1。作用在断路器操作

机构上的力有：操作力、压气缸反力、摩擦力和缓冲器的阻力等。断路器在合闸过程中负载力主要有：分闸弹簧力、缓冲器的阻力、各运动部件之间的摩擦力和重力。分闸时，合闸弹簧处于储能状态不起作用，动、静触头自接触位置至触头刚分离的过程中（超

程阶段），分闸力为分闸弹簧力、摩擦力、重力的合力。在触头从刚分离位置至完全分离的过程中（正常行程阶段），分闸力为分闸弹簧力、摩擦力、小压气缸的反力、重力。以动触头为等效构件，操动机构等效分闸力可以写为：

F＋Fg－Ff－Fs1----------在正常行程阶段

Fdf＝

F＋Fg－Ff－Fs2---------在超行程阶段

式中F——分闸弹簧等效力；

Fg——重力；

Ff——摩擦力；

Fs1、Fs2——小压气缸的反力；

灭弧室摩擦力的分析

4.1分析灭弧室摩擦力的意义

由上面的公式可知，掌握灭弧室摩擦力的大小对于分合闸弹簧的计算是很重要的；另外，从经济学的角度考虑，掌握灭弧室摩擦力的大小，可根据实际情况适当减少操作机构的设计裕度。不可否认，在单个情况下，节约的价值一般很少，但就总量来说却很可观。有资料表明，世界上的能量约有一半是以某种形式消耗在克服摩擦上。因此，从现实的角度来看，由于较好地进行了摩擦学设计而带来的节约，在为全人类的未来而保存资源的斗争中具有重大意义。为此，工业发达国家的政府已日益重视摩擦学的经济意义。根据英国教育科研部1966年的报告“（摩擦学）、教育与研究”指出，英国由于较好地应用了摩擦学的知识，每年可节约不下五亿一千五百万英镑。

4.2灭弧室摩擦力的计算

摩擦必定是由于两配对表面之间有相互作用而引起的，其结果产生相对运动的阻力。当两个物体相互摩擦时，在接触表面上发生某种形式的相互作用，以阻止二者作相互运动。大多数摩擦理论均假设单位接触面积上的阻力为常数。因此，

F＝As

式中F——摩擦力；

A——实际接触面积；

s——阻止相对运动的单位面积上恒力，即单位摩擦力。

如果假设s为常数是合理的，我们就可以看出A的重要性。在断路器灭弧室中的主要摩擦力来自触头和触子之间，触头为圆柱形、触子通常都被加工成圆弧形，这类形状物体的接触被称为赫兹接触。当两个弹性圆柱在单位轴向长度的法向载荷P的作用下接触时，设形成的平面接触区的宽度为2a（图4-1）。由于接触区中心的法向变形比两端的大，所以可以预期实际的接触压力p的分布形式为

p＝2P/πa（1-x2/a2）1/2

在许多情况下，接触体所承受的切向载荷小于P，大多数教科书是设摩擦系数从零增大到发生滑动时的极限值来解释这种情况的。这显然是不能采纳的，因为这样将一个物理常量成为一个变量。而我们所遇到的接触体不是刚体而是变形体。

将灭弧室的摩擦力控制在一定范围内，是十分必要的。当然，无论用什么方法计算得来的数值都只是近似的，所以如果用一种装置来直接测量灭弧室的摩擦力的大小将是非常理想的。

摩擦力检测装置的设计

5.1摩擦力检测装置的设计依据及原理

在瑞士ABB公司，有一种这样的测量装置。可以直接测出灭弧室摩擦力的大小，它是由专业厂家设计制造的，属于专用设备，如果采用该厂家生产的同类设备，则需要昂贵的费用。因而我们决定自己在消化理解国外资料的基础上，自行设计制造这一测量装置。投入使用后，运行良好，事实证明完全可以替代国外同类进口产品。而制造成本仅为进口产品的一半。

5.2计算机辅助检测系统的构想及实施

如果可以将测量装置测得的数据直接通过计算机绘制成曲线并通过打印机打印出来，那么所得出的曲线部分就是我们所测得的灭弧室摩擦力。

参考文献

J.Halling.The roll of the wheel.Wear,1973

重庆电力技工学校.电气设备.电力工业出版社，1982

林莘.现代高压电器技术. 机械工业出版社，2002

清华大学高压教研组.高压断路器（上）.水利电力出版社，1978

徐国政，张节容，钱家骊，黄瑜珑.高压断路器原理和应用.清华大学出版社，2000

〔英〕J.霍林.摩擦学原理.机械工业出版社，1981

孙以材，刘玉岭，孟庆浩.压力传感器的设计、制造和应用.冶金工业出版社，2000

许耀昌.计算机辅助系统.中国科学技术出版社，1992