真空断路器机械特性设计分析

【摘 要】真空断路器的机械特性设计水平，决定了断路器的开合能力和机械寿命，对断路器具有重要的研究意义，根据产品在实际应用和试验过程的数据分析，真空断路器的电寿命开合能力，一方面取决于真空灭弧室的技术水平，另一方面关键取决于断路器固有的机械特性，只有设计高水平的机械特性，才能充分发挥灭弧室的能力，从而提高真空断路器的可靠性和稳定性。因此，本文通过对10kV真空断路器进行研究，分析探讨真空断路器机械特性设计的一些关键技术。

【关键词】真空断路器；机械特性；参数；设计

真空断路器的机械特性技术参数设计比较关键，是保障真空断路器具备精准、安全和可靠的重要技术指标，通过分析验证机械特性的关键设计技术，提高真空断路器的保护能力，适应不同运行环境的可靠性，降低运行安全风险。真空断路器的机械特性设计，关键是优化分合闸特性曲线、开距、速度、时间、弹跳等技术指标，促使其满足故障电流的开合能力要求，进而规避运行中的风险。

1 真空断路器的机械特性设计

以10kV真空断路器设计为例，分析真空断路器中比较典型的机械特性参数，保障10kV真空断路器发挥卓越的电气性能。

1.1 触头开距设计

触头开距是真空断路器处于断开位置时，动触头与静触头两者之间，拉开的最小距离。触头开距由断路器电压、电寿命等因素决定，根据断路器的实际应用，规划机械特性的设计[1]。触头开距是10kV真空断路器机械特性中的重要参数，其在设计方面可以分为动态和静态两种。

动态开距有最大和最小两种情况。最大开距用于表示触头可能出现的最大距离，10kV真空断路器中设定了额定的开距，但是据有关实践应用的数据显示，有将近40%的触头会超出设定的开距，影响断路器的使用寿命[1]。最小动态开距表示触头之间可能出现的最短距离，也是断路器的有效开距。开距影响灭弧室的寿命和绝缘水平以及断路器能否开断故障电流的能力，所以在设计中要综合考虑，遵循动态原则，最大动态开距要通过控制合闸过冲来控制，最小开距要通过控制反弹幅值的设计方式来实现，分闸缓冲器对最小开距的影响不能忽视，否则会造成电弧重燃，开断失败。

静态开距的设计需要以动导电杆为研究对象，取基准的分、合点，选择参照距离，设计静止状态的触头开距[2]。为确保静态开距设计的准确性，需使断路器处于合闸和分闸的不同状态，进行两次测定，为静态开距设计提供最基础的数据，尽量避免静态开距发生分散，由此得出最真实的机械特性。

1.2 消除或降低合闸弹跳设计

合闸弹跳能够反应10kV真空断路器是否具备安全应用的价值。消除和降低弹跳在断路器设计中是非常重要的，弹跳过程能够引发严重的过电压，导致断路器电弧重燃，造成开断失败。断路器的动触头在发生弹跳时，呈现反向运动，在连续的合闸弹跳后，触头应保持在原来的位置，不能出现位移。针对合闸弹跳中的一级、二级弹跳进行设计分析，如下：

1.2.1 一级弹跳

控制和消除合闸弹跳，重点要分析计算动触头及运动部分的质量，控制断路器合闸动能，也就是说合理匹配运动部分质量和合闸动能之间的关系；提高断路器静触座合闸支撑点的强度和刚性，在触头部分利用材料本身的性能，做阻尼设计，如果一级弹跳中出现多余的动能，通过触头本身消耗剩余动能，消除和改善合闸弹跳。

1.2.2 二级弹跳

二级弹跳的改善主要依靠工艺技术来实现，提高触头初压力，提高触头弹簧的刚性；控制操纵机构零件的加工精度，提高机构传动的精密配合性能。以上所述主要依靠严谨科学的装配工艺保证，依靠严格的零部件精密生产工艺来实现消除或降低弹跳，严格将合闸弹跳时间控制在2ms以内。

1.3 分闸速度设计

分闸速度与真空断路器燃弧、介质恢复存在直接的关系，断路器分闸速度根据试验表明也不是速度越快越好，合理的速度对开断才是有利的。一是要考虑6mm的刚分速度，二是要考虑有效开距区段的平均速度。断路器的初始速度主要是触头弹簧（超行程）和分闸弹簧共同作用下达到的，对刚分速度影响很大，触头弹簧主要在分闸初期为静触头分离时提供强大的动能，以克服触头受电弧灼烧形成的熔焊点产生的拉力，分闸弹簧在分闸的全过程都在起作用，对断路器全程平均速度的影响较大，在设计断路器分闸速度参数时，着重要测算触头弹簧压力和分闸弹簧的拉力，但是分闸缓冲器的设计和调试对速度和有效开距的影响不能忽视，主要是缓冲器的复位、剩余能量吸收等，只有这些参数配合合理，才能得到有效的分闸速度和最优的特性曲线。

2 真空断路器机械特性设计的重点

为保障真空断路器的安全性和可靠性，必须严格按照规定的参数设计，确保参数设计达到标准，保障断路器的安全应用[3]。10kV真空断路器广泛应用在电力系统内，结合10kV真空断路器的应用，简要规划其机械特性设计的重点。

（1）触头开距设计，开距是断路器机械特性参数中的核心参数之一，属于既定的数据，对断路器的绝缘水平和机械寿命有重要影响，开距增大有利于发挥真空绝缘水平，开距减小有利于断路器灭弧室波纹管寿命，这里就要考虑参数配合特别是静态开距和动态开距之间的关系，才可发挥10kV真空断路器的性能。

（2）消除和减少弹跳幅值和时间，防止过电压、触头熔焊和波纹管疲劳漏气绝缘破坏，导致开合失败。

（3）断路器合闸与分闸时间参数的设计，合闸时间计算范围是由触头启动时刻到换位时刻，对断路器开合直流分量的比率有很大关系，分闸时间与断路器的速度有直接的关系，两者要紧密配合。

（4）分合速度，要考虑断路器操纵机构的出力特性，仔细研究运动部分的质量和配重计算对合分闸动能计算都很重要，触头初压力、终压力（超行程）和分闸弹簧拉力等之间众多参数配合协调才能实现需要的分合闸速度。

3 结束语

真空断路器的机械特性，是断路器设计的关键环节，通过科学的设计方法，提高断路器的安全性和可靠性，以免其在运行中因机械特性参数设计缺陷造成开断失败。所以断路器机械特性的设计，是保证断路器可靠运行的重要环节，有利于发挥其在应用中的优势。

参考文献：

[1]王勇.真空断路器机械特性的探讨[J].中国高新技术企业，2011（09）.

[2]姚积坤.改进10kV真空断路器机械特性测试方法[J].电气技术，2011（06）.

[3]林心月.真空断路器机械特性和电气性能[J].仪表技术与传感器，2012 （12）.

[4]郎福成.真空断路器机械特征性在线监测[D].沈阳工业大学学报，2012（05）.