浅析真空断路器合闸弹跳与分闸弹振

摘 要：本文主要阐述真空断路器的合闸弹跳与分闸弹振的定义，并通过试验分析说明了其产生的原因：触头材料硬度越大，合闸弹跳越大；而触头压力越大，合闸弹跳越小；较大的合闸弹跳增加了触头熔焊的可能性，从而导致短路开断失败。总结调试真空开关实践经验，给出了几种减小合闸弹跳的方法。针对目前真空开关向“小开距”的方向发展，因此在条件允许的情况下，适当缩小触头开距，增加超行程，可以提高分闸速度，因此可以提高开断短路电流的能力。通过分析指出：分闸速度过大，会产生不利于短路开断的负面影响―分闸弹振。因此需要选择合适的触头开距。

关键词：合闸弹跳；分闸弹振；开距；超行程

一、引言

合闸弹跳是真空断路器短路开断试验失败的主要原因之一。这一点已经逐渐成为真空开关业内的共识。本文尝试用浅显的物理学理论分析合闸弹跳，为实践经验提供理论解释。分闸弹振对开断失败的影响，一直没有引起足够的重视，通过分析，给出分闸弹振与分闸速度的关系。

二、合闸弹跳

1. 合闸弹跳定义、产生原因及其影响

合闸弹跳是指断路器动触头与静触头碰撞接触后被反作用力推开，然后再接触又被推开的现象。严重者反复4～5 次，持续2～6ms。从本质上说，这是一种受迫阻尼振荡。振荡的频率、振幅取决于动触头系统的质量、速度、弹簧的倔强系数及碰撞后阻尼情况。分析说明，触头材料的硬度越大，弹跳时间越长；触头材料的硬度相同时，触头压力越大，弹跳时间越短。当断路器带电操作时，两触头之间若存在弹跳，真空电弧的燃弧时间延长[1 ] 。真空电弧是一种高温等离子体，弧体温度可达到七、八千度。燃弧时间的增加使触头表面熔化的深度和广度都增加，合闸时就会造成两触头液面接触，瞬间冷却后两触头熔焊在一起。这种熔焊，靠操作机构几千牛顿的分闸力是拉不开的。有时熔焊点很小，分闸力能拉开，但常常把触头表面拉变形，造成开断后恢复电压短路。因此，熔焊的结果可能使短路开断失败。

2. 如何消除合闸弹跳

合闸时，动触头系统在操动机构的带动下，相对于静触头作合闸运动。合闸时触头撞击力F 是决定断路器产生弹跳大小的关键因素。设碰撞前后的速度分别为v1 、v2，作用时间为t 。则由牛顿力学理论可知：

Ft=mv2-mv1 F=m（v2 -v1）/t

减小F，弹跳也减小。由上式，可又三种方法实现减小触头撞击力F：

a. 降低动触头系统的质量m。这可以通过缩短导电杆的长度，减小导电夹、软连接的尺寸，选用轻质绝缘子等来实现；

b. 减小碰撞前后速度差的绝对值。根据经验，这不能通过减小合闸速度v1实现：因为当v1太小，会使合闸功不足，反而会加剧弹跳的幅度。只能设法减小v2。方法是：在动触头系统上加装压簧，在断路器合闸时，使其压缩，产生一个预压力即触头的初压力，以抵消动触头回弹力。

c. 增大动静触头的碰撞时间t。有两种方法实现：其一是生产开关管时设法保证开关管的动静导电杆的同轴度，在整机调整时还要把开关管装正，尽可能使两触头为平面接触，不要形成线或点接触；其二是在静端使用缓冲元件（如橡胶垫圈、油缓冲器等），以增加撞击接触时间。

三、分闸弹振

1. 开距与分闸速度

开距即开关分闸状态两触头间的距离。目前，被多数人所接受的观点是：真空开关在小开距时，开断能力强。随着开距的增加，极限开断电流减小。其原因是开距增加后，磁场减弱，电弧能量损失大，不利于开断。分闸速度是一种平均速度，即开距与分闸时间的比值。而分断过程中，真正起作用的是刚分速度，即两触头刚刚离开的瞬间的速度。刚分速度要靠超行程提供。当分闸传动连杆运行完超行程所需要的时间后，达到了一定的速度（刚分速度），动静触头才开始分离。实践经验表明，在条件允许的情况下，适当缩小触头开距，增加超行程，可以提高刚分速度，提高开断能力。

2. 分闸速度和分闸弹振

真空开关在分闸过程中，动触头不可能运动到预定的开距时就完全停止运动。因为此时动触头系统存在着动能（va是触头分闸处于开距点位置a时的速度），此时操动系统与缓冲器作用，以设定的开距位置为中心进行阻尼震动，即所说的分闸弹振。分闸弹振的动触头位移―时间曲线如图一所示：

在图一中，分闸时动触头运动到设定的开距点处，即 a 点处动触头系统的势能为零。根据能量守恒定律，有关系式：

式中 v 表示分闸弹振过程中任意位置的速度，x 是动触头相对开距点的位移，k表示分闸弹簧的倔强系数， WZ 是缓冲器转换出去的能量。由图一可见，b 点的位移就是分闸弹振的最大振幅，用A 表示。因此在b 点，触头瞬时速度vb=0，故在b 点式（1）变为

从式（2） 可以看出，因为k ， m 不变，分闸弹振最大振幅A 随va及Wz的变化而变化。当缓冲器性能稳定时，可认为Wz 不变，所以va越大，分闸弹振的最大振幅越大。要想成功地分断电流， 要求在分闸的最初半个周期（10 ms） 内，动触头至少应走完总开距的50 %～90 % ，即分闸时间变化范围不大。为了使问题简化，可以假定分闸时间不变，故由图二可知va越大，其平均分闸速度越大。因此可得出结论，当其它条件不变时，平均分闸速度越大，分闸弹振就越大。

近年来，由于触头新材料的采用，真空开关的开距趋小。分闸弹振在小开距情况下，影响尤其显著，常导致真空灭弧室由于反弹击穿，应引起高度重视。5

四、结束语

开关的性能参数是相互影响的，调整要统筹兼顾。另外，有些公司对开关的一些关键零部件的生产工艺把握得不好，如在金属材料的调质处理上，刚度、韧性不适度，致使开关动态参数与静态参数严重偏离，直接影响开断试验的成功率，影响了开关的使用寿命，生产厂家对此应给以充分的重视。