真空断路器合闸弹跳的技术探讨

刘志祥（厦门ABB开关有限公司，福建　厦门　361006）

真空断路器合闸弹跳的技术探讨

刘志祥
（厦门ABB开关有限公司，福建厦门361006）

摘要：本文针相关标准及选用导则对真空断路器合闸弹跳时间的要求，通过对合闸弹跳现象展开分析，对影响合闸弹跳因素逐一进行技术剖析。并结合真空断路器的实际运行情况，说明当前真空断路器普遍采用新合金材料（CuCr）后，合闸弹跳已经不再是影响真空断路器的主要因素。

关键词：弹跳；电寿命；燃弧；刚性；玻璃态；真空灭弧室

一、标准

GB1984-2014《高压交流断路器》中没有对断路器的弹跳进行说明，目前能找到的对断路器合闸弹跳有相关条款涉及的主要有以下标准：

1GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》

12.0.5测量断路器主触头的分、合闸时间，测量分、合闸的同期性，测量合闸过程中触头接触后的弹跳时间，应符合下列规定：

合闸过程中触头接触后的弹跳时间，40.5kV以下断路器不应大于2ms；40.5kV及以上断路器不应大于3ms。

2DL615-1997《交流高压断路器参数选用导则》

14.8合闸弹跳与分闸反弹

合闸弹跳影响合闸能力和电寿命，分闸反弹影响弧后绝缘。对12kV真空断路器以合闸无弹跳，分闸不反弹为好，或者合闸弹跳与分闸反弹量越小越好。

以上标准中关于合闸弹跳的条款对应文字内容没有黑体字标志，属于非强制性条款。

二、弹跳及其相关因素

合闸弹跳是真空断路器固有的一种现象。真空断路器的设计结构决定了在动静触头高速接触碰撞后，动触头的动能需要在若干次的弹跳中消耗完毕直至最终稳定接触。

一台理想的真空断路器，其弹跳的大小取决于以下主要因素：

1触头材质、硬度（正相关性）；

2合闸速度（正相关性）；

3动触头系统的质量（正相关性）；

4触头弹簧的倔强系数和预压缩量（负相关性）；

而一台实际的断路器，还有以下因素对弹跳会产生较大影响；

5真空灭弧室机械支撑系统的刚性（正相关性）；

6合闸机构系统的工艺，主要是连杆，拐臂等处的间隙配合（相关性不确定）。

在以上因素中，与真空灭弧室直接相关的因素1、2、3是决定断路器基本开断关合能力的关键指标。因此，触头系统因素1、2、3的设计必须优先考虑更重要的开断性能，一般不会也不应该因为合闸弹跳而改变触头系统的参数。

三、弹跳对断路器性能的影响

如标准DL615所述，弹跳对断路器的影响最主要在于电寿命。从理论上来说这完全正确，但是我们应深入辨证的看待这一问题。

电寿命包括短路电流下的电寿命和额定电流下的电寿命。

参考文献

[1]刘树才．浅析火电厂电气工程项目进度优化管理[J]．中国高新技术企业，2015 （03）．

[2]刘毅．project软件在建筑工程项目进度优化管理中的应用[J]．河北工程大学，2011（06）．

[3]江冬玉．电气工程项目进度优化管理浅析[J]．科技风，2009（12）．

1关于电寿命实际运行经验

一个重要事实是，对以使用铜铬合金触头为标志的现代真空断路器而言，电寿命实际上已经是一个得到彻底解决了的问题。

真空开关生产和运行经验表明，全球范围内还没有一台真空断路器完全是因为电寿命终结而退出运行的。类似统计中国电科院也得出过，在中国，至今没有任何实际的案例表明有任何型号任何厂家生产的真空断路器是因为真正的电寿命终结而退出运行的。

从实际运行经验来说，国内使用真空断路器操作次数最为频繁的应用场合是35kV电弧炼钢炉的操作。由于目前市场上没有成熟的35kV接触器，因此在控制此电压等级的负载时只能使用真空断路器。在某钢厂，35kVVD4开关操作次数最高达每天100～200次。在机构维护保养良好的状况下，35kVVD4的寿命可以达到3万次，最终由于机械寿命达到极限退出运行，其服役时间仅为半年即必须更换新开关。在这种最严苛的场合，也没有出现一例真空灭弧室达到其触头电气寿命而必须退出运行的。

2进一步从试验和理论计算解释如下：

（1）短路电流下的电寿命

短路电流下的电寿命由型式试验验证。在GB1984中详细规定了短路电寿命的试验和评级程序。国内大多数开关设备制造厂家的断路器也通过了这一级别的试验。在数十次国内型式试验中，没有任何开关是由于合闸弹跳的原因而不能通过短路开合电寿命型式试验的。

（2）负载电流下的电寿命

由于试验条件和试验成本的限制，没有任何一家试验站和制造商能够直接进行完整的额定电流下的电寿命试验。

然而基于经验数据和理论计算的结果表明，一台装配VG4型号灭弧室的10kV630AVD4X断路器，其合闸弹跳按ABB的设计标准为5ms。在400A的负载情况下操作20,000次，其触头磨损量仅为0.073mm。此值远远低于触头设计允许磨损厚度1mm。并且，在电弧引起的触头烧蚀中，绝大部分是在分闸长达约5ms～10ms的燃弧过程中产生的。合闸弹跳过程中，真正触头分离的时间并不长，触头开距也非常短，电弧能量很低，因此在总磨损量0.073mm中由触头弹跳引起的部分微乎其微。计算结果如图1所示。

图1

四、降低弹跳的手段

VD4浇注（固封）极柱断路器与使用完全相同机构的VD4组装极柱断路器相比，某些型号其合闸弹跳时间约长0.5ms，其最主要的原因有两个：

因素3，动触头系统的质量更大。在12kV固封极柱断路器大电流型号上，已经通用了与35kVVD4同样的真空灭弧室VG6。大的真空灭弧室的使用一方面有更好的开断和温升性能，更长的寿命，另一方面统一真空灭弧室的型号可以更好的进行质量控制确保工艺水平。

因素5，真空灭弧室的机械支持系统的刚性比以前有所增加。由于采用固封工艺，真空灭弧室受到环氧树脂的整体包围，在合闸过程中真空灭弧室很稳定，其径向和轴向振颤大幅减少，因此这中振荡消耗的合闸触头动量也相应减少，引起部分型号的弹跳时间延长。

如第二段中所述，可以通过改变以下的参数来影响合闸弹跳：触头弹簧的倔强系数和预压缩量（负相关性）；真空灭弧室机械支撑系统的刚性（正相关性）；合闸机构系统的工艺，主要是连杆，拐臂等处的间隙配合（相关性不确定）。

制造商多采用真正有意义的的手段是第4、5点。第6点合闸机构的调整很难有稳定的效果，在很多情况下，机构的间隙越大，合闸弹跳反而越小。

（1）增加触头弹簧的倔强系数和预压缩量是一个降低弹跳的方法。但是这增加了机构的负荷和冲击，对操动机构和真空灭弧室的机械寿命都有明显的不利影响。

（2）降低真空灭弧室机械支撑系统的刚性是一个更常见也更不妥的做法。目前我们在市场上看到一些超低合闸弹跳时间的真空断路器，有的甚至合闸弹跳为零。从技术上来说，合闸弹跳为零代表发生了完全非弹性碰撞，而完全非弹性碰撞意味着动能完全由碰撞系统的变形来吸收。这对一台真空开关而言，并不是一个好现象。

事实上，我们看到的某些具有超低合闸弹跳时间的固封极柱断路器，经研究其环氧树脂材料玻璃化温度仅达到85度。（玻璃化温度是电器标准未规定的一个重要的指标，其含义在于在玻璃化温度以上，环氧树脂会从固态转换为玻璃态，其机械强度急剧降低。断路器任何部位使用的环氧树脂都应该保证温度在其玻璃化温度以下。否则在短路电流冲击下断路器部件很可能会变形或是破裂）。

也就是说，使用更软的支撑，可以达到极低的合闸弹跳时间。但是由此带来的巨大隐患是大多数用户所不知道的。

20年以前的真空断路器的触头材料在开断电流时磨损量大，所以对合闸弹跳比较敏感。但如今的真空断路器使用了性能优越的CrCu合金触头，触头的磨损量更是降低到几个数量级的水平，所以触头的弹跳时间不管是2ms、3ms还是5ms，对用户使用或断路器的寿命而言，都是很安全的。

结语

理论上合闸弹跳对真空灭弧室的电气寿命的影响是负面的，但是无论从实际运行经验和定量的理论计算来分析，这种负面影响都是微乎其微，到完全可以忽略不计的。

每种断路器根据其具体结构设计的不同，都有一个不同的理论合闸弹跳时间。这个弹跳时间是判断断路器装配质量的重要指标。如果实测值偏离典型的合闸弹跳标准，不论是太大还是太小，都代表这台断路器的装配可能有异常现象。

12kVVD4断路器的大电流规格采用了40.5kV的真空灭弧室，其操动机构也完全相同。由于触头系统的增大相应的合闸弹跳也更大，这也是和GB50150等标准的制订精神相符合的。根据国标要求的40.5kV真空泡弹跳时间允许3ms以下能够满足电气寿命的要求，将其用于10kV系统则电气寿命裕度会更大。

真空断路器是一个综合的系统，为了过于追求没有实际意义的合闸弹跳时间指标，而使用不恰当的设计和材料而影响更重要的开断、机械性能，其实是一种不合适的做法。

[1]GB1984-2014,高压交流断路器[S]．

[2]徐国政．高压断路器原理和应用[M]．北京：清华大学出版社，2000．

[3]张京山．金属及合金材料书册[M]．北京：金盾出版社，2005．

中图分类号：TM561

文献标识码：A