双断点塑壳断路器触头机构在极限短路分断能力试验中的振动性研究

曾 谊, 陈卢明, 吴建生, 李继丹, 欧阳海军, 童 伟

(巨邦集团有限公司, 浙江 乐清 325600)

0 引 言

塑料外壳式断路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)普遍存在合闸过程中因触头振动明显产生的弹跳问题。究其原因:一是合闸冲击刚性过大导致动触头发生轴向反弹;二是动触头导向不良,晃动过大;三是触头机构传动环节间隙过大;四是动触头平面与动触头定位轴垂直度不好,动、静触头接触产生横向滑动等所致[1-3]。在极限短路分断试验过程中触头闭合接触瞬间产生弹跳,触头弹跳过程中产生的高温电弧造成触头严重烧损或熔焊,导致极限短路分断能力试验失败。本文从减弱或防止触头弹跳的角度提出了一种触头机构,减弱或防止动、静触头接通瞬间因振动导致弹跳而影响极限短路分断能力。

1 触头在闭合过程中的振动分析

动、静触头在闭合接触过程中会产生弹跳,使得接触电阻周期性地增大,产生分离电弧,造成触头熔焊或烧损。由形变-反弹时间关系图像可知,减小触头反弹最大形变量xm和触头反弹时间tm是解决此问题的关键,当在8 ms以后,触头反弹最大形变量xm小于触头闭合最大形变量xd时,动、静触头接触瞬间虽有振动,但动触头不会出现弹跳,因此要减小动、静触头接通瞬间造成的振动,需要满足xm≤xd。

1.1 最大反弹距离计算

动、静触头接触瞬间(碰撞前后)动量守恒:

(1)

式中:m1——动触头质量;

v1——动触头碰撞前速度;

v20——反跳初速度;

WA——塑性变形消耗能量;

ε——触头材料弹性系数(0:塑性,1:弹性,取0～1);

K——触头材料恢复系数,取1-ε2;。

动触头在反跳过程中能量守恒:碰撞前动触头初动能Ek=碰撞中瞬时能量WA+动触头达到最大反跳时弹簧获得的最大弹性势能Ep。

(2)

式中:C——触头弹簧刚度;

l0——弹簧自由高度;

F0——弹簧预压力。

结论:提高弹簧预压力F0和触头弹簧刚度C,减小触头质量,选用触头材料恢复系数K值接近于1的触头材料,即可改善触头振动。触头反弹距离与时间的关系如图1所示;动静触头最大反弹距离和最大形变量如图2所示。

5、机油泵性能差。为解决大修或检修后的机车初次启动机油泵泵不上来油的问题，应将机油滤清器或出油管卸掉，然后用注油器从机体出油孔注满机油，即刻上好滤清器或通向机油指示器的机油管，启动后，机油就会泵上来。

图1 触头反弹距离与时间的关系

图2 动静触头最大反弹距离和最大形变量

1.2 触头弹跳过程中产生的触头动熔焊问题

在触头接通与分断过程中因触头振动或触头被电动力斥开产生电弧或预击穿电弧,引起的熔焊多发生于触头闭合过程中或接触压力较小的闭合状态的触头中。触头闭合产生动熔焊过程:电弧预击穿 →触头振动反弹→产生电弧触头熔化→重新闭合 →…反复闭合→最终触头无法分断导致触头熔焊。

由以上分析可知,减轻触头熔焊的方法为采用电阻率小、抗拉强度小和熔化温度高的材料加入少量其他元素,在熔焊面形成脆性相;减小触头弹跳。

2 失效分析及设计改善措施

2.1 技改前触头机构

技改前动触头机构在接通和分断过程中,动触头、触头弹簧轴与转轴之间固定为一整体,触头弹簧与触头弹簧轴二者将动触头固定在转轴中,随转轴一起整体转动。在极限短路分断能力试验中,触头机构会受到交变载荷和高温的作用,引起转轴、触头弹簧及触头弹簧轴变形或烧损。技改前触头弹簧是以双拉簧结构设计,优点是结构简单,装配工艺容易实现。但双拉簧加工工艺复杂,力值波动大,稳定性差,不宜检测。由于多处折弯,容易因应力集中而导致弹簧断裂,易在高温下衰减,造成恶性循环。同时触头弹簧轴之间无连杆加以平衡,在动、静触头闭合碰撞瞬间容易造成触头振动。技改前触头机构结构及分解图如图3所示。

2.2 技改后触头机构

技改后触头机构结构及分解图如图4所示。技改后动触头、触头弹簧轴、触头弹簧、连杆轴、连杆为一个独立单元。该触头弹簧的主要作用是为动触头提供足够的终压力。为保证终压力始终保持在一个合理范围内,动触头弹簧的力值衰减必须得到控制,并合理选择弹簧材料,力值一般应控制到 5%以内,热处理温度应不低于 320 ℃。本技改方案采用2根单拉簧设计结构,优点是可靠性高,弹簧的加工工艺性好,力值精度高且稳定,拉簧两端折弯处圆弧过渡,大大降低了受应力集中的影响,不容易出现断裂、力值衰减等现象。连杆是连接动触头和触头弹簧轴的片状零件,其作用是把触头弹簧产生的拉力传递给动触头,使动触头弹簧轴沿着转轴弧面滑动。连杆与连杆轴一起穿过动触头并分布在两侧,触头弹簧轴组装在连杆两端圆孔中,整个机构在接通或分断过程中保持平衡。

图3 技改前触头机构结构及分解图

图4 技改后触头机构结构及分解图

技改后触头机构动作示意图如图5所示。

图5 技改后触头机构动作示意图

当动、静触头闭合且动触头尚未弹跳时,触头弹簧轴卡入转轴限位槽中,增设连杆目的是减弱动、静触头在接触碰撞瞬间因合闸冲击刚性过大造成的振动问题,使触头机构在旋转过程中触头弹簧过渡更加平稳。即使触头机构各零部件之间间隙及晃动过大,当动触头接触碰撞瞬间沿逆时针(箭头)方向弹跳时,触头弹簧轴立即滑入动触头限位槽中,使得动触头无法继续发生弹跳。若触头机构恢复到弹跳前状态,则需要对塑壳断路器进行手柄操作。

2.2.1 转轴设计

提高塑壳断路器极限短路分断能力试验时要充分考虑转轴机械强度及力学性能,一般选用热固性塑料。热固性塑料具有耐高温,耐电弧,机械强度高等优点,但缺陷是成型零件毛刺不可避免。一般在制造极限短路分断能力试验样品时合理选用转轴常用材料牌号、成型工艺、力学指标。SMC材料成本比DMC材料成本高,压制成型比挤注成型工艺复杂,应根据实际情况选用最优方案。转轴采用不同热固性塑料和成型方法的强度对比如表1所示。

表1 转轴采用不同热固性塑料和成型方法的强度对比

2.2.2 触头弹簧

触头弹簧设计要考虑耐高温、韧性、弹性及力学等参数。各种不同弹簧材料性能比较如表2所示。不同类型弹簧钢丝做成的弹簧,其耐温、韧性、弹性有较大差异,韧性较差弹簧钢丝在合闸过程中伴随着高强度冲击容易造成弹簧疲劳。弹簧在成形加工后应经淬火和回火处理;弹簧为冷硬钢丝时,在成形加工后只需进行去应力回火处理。 经淬火或回火处理弹簧表面必须光洁,不允许有氧化皮及明显的脱碳现象,不应有肉眼可见的裂纹、伤痕、变形及毛刺等缺陷。 弹簧表面应及时进行防腐处理,经氧化或镀覆处理后还需进行去氢处理。

表2 各种不同弹簧材料性能比较

2.2.3 连杆设计

连杆承受触头弹簧作用力及其本身摆动和触头转动惯性影响,受力大小和方向周期性变化。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。疲劳强度不足,往往会造成连杆断裂,进而产生整机破坏的重大事故。若刚度不足,则会造成连杆变形,影响触头转动及触头参数。连杆选用冷轧钢板45,表面淬火硬度为HRC35～HRC45。

3 试验结果论证

对改进前、后的动触头防跌落装置塑壳断路器进行极限短路分断能力试验,改进前示波图如图6所示;改进后示波图如图7所示。由图6和图7可见,改进前塑壳断路器极限短路分断能力Icu=100 kA(AC 400 V),通断时间为7.78 ms,燃弧时间为6.53 ms;改进后塑壳断路器极限短路分断能力Icu=150 kA(AC 400 V),通断时间为1.51 ms,燃弧时间为1.16 ms。通过试验数据对比可知,极限分断能力提高,通断时间和燃弧时间大大降低,减小了在试验过程中高温电弧或大电流对动、静触头烧损程度。改进前后的分断能力对比如表3所示。

图6 改进前示波图

图7 改进后示波图

表3 改进前后的分断能力对比

4 结 语

本文旨在探究塑壳断路器触头振动性问题对极限短路分断能力试验的影响,并提出改进后触头机构,有效改善断路器动、静触头接触瞬间因振动产生的弹跳问题,通过设计方案实施并通过改进后的样品试验验证使得塑壳断路器极限短路分断能力指标达到150 kA(AC 400 V)。