（机械工程专业论文）zn85a405真空断路器的设计.pdf

z n 8 5 a 一4 0 5 真空断路器的设计 中文摘要 z n 8 5 a 4 0 5 真空断路器的设计 中文摘要中又捅要 真空断路器是输配电系统中的重要保护部件。断路器的性能直接关系到整个系统 的可靠性，因此研究如何提高断路器的性能具有重要的实际应用意义。 真空断路器最重要的性能指标是其合闸特性和分闸特性，而影响这些性能指标的 主要因素是真空断路器的机械结构与参数。确定分合闸机械系统的结构与参数需要经 过反复的理论分析计算与实验验证。本文的主要工作就是针对z n 8 5 a 4 0 5 真空断路 器的机械结构运用a d a m s 软件进行分析计算与运动学仿真，在此基础上对该断路器 的触头弹簧连杆机构进行了改进。将触头弹簧移到绝缘拉杆下面，弹簧力方向与动触 头的运动在同一中心线上，并且触头弹簧采用碟簧。这一改进减少了连杆，简化了机 械结构。仿真与实际测试均表明，改进后的机械结构增大了触头的初压力，减小了断 路器的超程，合闸弹跳、分闸过冲和分闸反弹等现象均有所改善，使真空断路器的动 作更加稳定可靠。 本论文内容分为五章。第一章绪论，介绍了真空断路器的功能、现状及发展趋势， 阐述了本课题的研究目的和意义。第二章详细介绍了真空断路器的结构、性能特点与 有关的技术参数，并特别讨论了真空断路器的机械特性、运动特性及其影响因素。第 三章阐述了虚拟样机技术以及相应的a d a m s 软件。a d a m s 是一个功能强大的动态 仿真软件，运用a d a m s 可以进行机械系统的建模、分析计算以及运动学和动力学的 仿真。对于机械系统的优化设 f h d a m s 是一个非常有力的工具。第四章给出了对于 z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器分合闸机构的改进设计过程。首先对真空断路器的现有结构 进行分析，在此基础上提出了改进方案，再利用a d a m s 软件进行仿真计算和对比分 析。最后给出了实际测试的结果，验证了改进设计的优点。第五章是对所做工作的总 结与未来展望。 对于z n 8 5 a 4 0 5 真空断路器的触头弹簧连杆机构进行的改进是本文的创新点所 在。本文的另一个特点是应用a d a m s 软件，将虚拟样机技术运用于真空断路器的设 中文摘要 z n 8 5 a 一4 0 5 真空断路器的设计 计。a d a m s 是一个功能强大的动态仿真软件，本文在对真空断路器的触头弹簧连杆 结构的性能分析以及对触头弹簧连杆结构的仿真上运用a d a m s 软件，在设计分析中 节省了大量时间，提高了设计效率，简化了设计工作，并通过动态仿真得到了大量的 宝贵数据。 关键词：真空断路器触头弹簧仿真虚拟样机 作 者：张福民 指导教师：王富东 thedesignofz n 8 5 a - 一4 0 5 v a c u u mc i r c u i t b r e a k e r a b s t r a c t - _ - - - _ 一_ t h ed e s i g no fz n b 5 a 一4 0 5v a c u u mc i r c u i t 二b r e a k e r a b s t r a c t v a c u u mc i r c u i t - b r e a k e r sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h ep o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m c i r c u i t b r e a k e rp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eo v e r a l ls y s t e m r e l i a b i l i t y ，s ot h a th o w t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc i r c u i t b r e a k e rh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s o ft 1 1 ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sf o rv a c u u mc i r c u i t b r e a k e r , t h em o s ti m p o r t a n ta l et h e c l o s i n ga n do p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h em a i ni m p a c tf a c t o r st ot h o s ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sa r et h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so ft h ev a c u u mc i r c u i t b r e a k e r d e t e r m i n a t i o no ft h o s em e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n d p a r a m e t e r sr e q u i r er e p e a t i n gc a l c u l a t i o n o ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，as o f t w a r ea d a m s i su s e dt ok i n e m a t i c sc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o no fz n 9 5 a - 4 0 5v a c u u mc i r c u i t b r e a l ( e r ，s m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n dam o d i f i c a t i o ni sm a d et o i m p r o v et h ec o n t a c t o rs p r i n g c o n n e c t i n gr o dc o n f i g u r a t i o no ft h ec i r c u i t b r e a k e r t h ec o n t a c t o rs p r i n gi sc h a n g e dt od i s c s p r i n g ，a n dm o v e dt ou n d e r s i d eo fi n s u l a t e dc o n n e c t i n gr o d s ot h a tt h es p r i n gf o r c ei s c o a x i a lw i t ht h ed i r e c t i o no ft h ec o n t a c t o rm o v e m e n t t h em e c h a n i c a ls t r c t u r ei ss i r n p l i f i e d b ym er e d u c t i o no fl i n k a g e t h ea d v a n t a g eo ft h i si m p r o v e m e n ta r e t h ei n c r e a s i n gc o n t a c t p r e s s u r e ，t h er e d u c t i o no fc o m p r e s s i o nd i s t a n c eo fb r e a k e r ，a sw e l la st h er e d u c t i o no f 也e c l o s i n gb o u n d ，t h eo p e n i n go v e r d i s t a n c ea n dr e b o u n d t h ea c t i o no ft h ec i r c u i t b r e d k e ri s m o r es t a b l ea n dr e l i a b l e t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t o f i v ec h a p t e r s t h ef i r s t c h a p t e ri st h ei n t r o d u c t i o n ，i t i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n , a c t u a l i t ya n dt h ef u t u r e d e v e l o p m e n tt r e n d so ft h ev a c u u m c i r c u i t - b r e a k e r , a n de x p a t i a t e st h ei n t e n t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ft h et a s k t h es c c o n d c h a p t e rg i v e sad e t a i l e dd i s c r i p t i o no nt h es t r u c t u r e , p e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e d s t i c s r e l e v a n t p a r a m e t e r s o ft h ev a c u u mc i r c u i t b r e a k e r ,a n dd i s c u s s e dn l e m e c h a l l i c a 】 c h a r a c t e r i s t i c s ，p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r s t h et h i r dc h a p t e r e x p a t i a t e st h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n da d a m ss o f t w a r e a d a m si sa p o w e r f u ls o f t w a r eo nm e c h a n i c a ls i m u l a t i o n , a d a m sc a l lb eu s e dt o c a r r yo u tt h e i i i a b s t r a c tt h e d e s i g no f z n 8 5 a - 4 0 5v a c u u mc i r c u i t - b r e a k e r m e c h a n i c a ls y s t e mm o d e l i n g ，a n a l y s i s ，c a l c u l a t i o n ，a sw e l la st h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s s i m u l a t i o n a d a m si sa l s oav e r yu s e f u lt o o li no p t i m i z a t i o no fm e c h a n i c a l s y s t e m c h a p t e ri vd e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e s so fi m p r o v i n gt h ez n 8 5 a 一4 0 5v a c u u m c i r c u i t b r e a k e r f i r s t ，t h ee x i s t i n gs t r u c t u r eo fv a c u u mc i r c u i t - b r e a k e ri sa n a l y s e d ，t h e nt h e m o d i f i c a t i o no nt h es t r u c t u r ei sg i v e n ，a n da d a m si su s e dt os i m u l a t ea n da n a l y s et h e m o d i f i c a t i o n f i n a l l yt h ea c t u a lt e s tr e s u l t sa l eg i v e nt ov e r i f yt h ea d v a n t a g e so ft h e i m p r o v e dd e s i g n n ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri st h em o d i f i c a t i o nt ot h ec o n t a c t o rs p r i n gc o n n e c t i n gr o d c o n _ f i g u r a t i o no fz n 8 5 a 一4 0 5v a c u u mc i r c u i t b r e a k e r a n o t h e rf e a t u r eo ft h i sp a p e ri st h e a p p l i c a t i o no fa d a m ss o f t w a r e ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi su s e dt ot h ed e s i g n o fv a c u u mc i r c u i t b r e a k e r a d a m si sap o w e r f u ls o f t w a r eo nm e c h a n i c a ls i m u l a t i o n a p p l i c a t i o no fa d a m st ot h ea n a l y s i so fc o n t a c t o rs p r i n gc o n n e c t i n gr o dc o n f i g u r a t i o n c a ns a v et i m ed u r i n gt h ed e s i g n , a l s oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n ds i m p l i f yt h ed e s i g n p r o c e s s a l s oal o to fv a l u a b l ed a t ac a l lb eg o tb ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t k e yw o r d s ：v a c u u mc i r c u i t b r e a k e r ：c o n t a c t o rs p r i n g ；s i m u l a t i o n ； w r i t t e nb yz h a n gf um i l l s u p e r v i s e db yw a n gf ud o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：毒诞黼日期：2 盟i 尘早 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 期：塑】21 - f 2 飙净悍 z n 8 5 a 一4 0 5 真空断路器的设计 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 1 1 1 概述 高压电器一般是指额定电压在3 k v 及以上的电器，高压电器的种类很多，而高 压断路器是高压电器中最重要的电器之一。断路器是能关合、承载、开断运行回路正 常电流，也能在规定时间内关合、承载及开断规定的过载电流( 包括断路电流) 的开 关设备，其具有如下基本功能： ( 1 ) 在关合状态时应为良好的导体，在长时间工作时各部件温度和温升应低于 最大允许发热温度和允许温升，能够承受短路情况下热的和机械的作用。 ( 2 ) 在开断状态时，具有良好的绝缘性能。在不同环境条件下，能承受相对地 及不同相之间的电压。 ( 3 ) 在关合状态的任意时刻，在尽可能短的时间内，能够开断额定短路开断电 流及以下的各种故障电流。 ( 4 ) 在开断状态的任意时刻，在短时间内能关合处于短路状态下的电路。 高压断路器按灭弧原理可分为油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、空气断 路器等。真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。 真空断路器具有可靠性高、体积小、重量轻、寿命长、灭弧性能好、适用于频繁 操作、维护工作量小，不污染环境、使用安全等一系列的优点，与其它类型的断路器 相比，在中压领域真空断路器具有更强的生命力。发达国家早在上世纪7 0 年代，真 空断路器已在中压系统及配网中广泛得到应用，国内近几年真空断路器发展迅速，性 能不断提高，电网中已基本取代了油断路器，随着无人值班变电所的大量建设，赋于 真空断路器更为广阔的应用前景1 2 】。 从6 0 年代真空断路器在电力系统取得实用价值的成果以来，迄今已有4 0 多年的 发展历史。真空技术、真空工艺、真空灭弧室、操动机构等制造技术的不断创新和改 进，使真空断路器的发展极为迅速，在大容量、小型化、低过电压、智能化及可靠性 研究方面取得了一系列重大成果，并正在向高电压和低电压领域渗透。 第一章绪论 z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计 1 1 2 国内真空断路器的发展现状 我国自2 0 世纪6 0 年代初开始真空开关的研究工作，7 0 年代初真空断路器开始 工业生产。经过近3 0 年的努力，我国已进入真空断路器生产大国的行列，真空断路 器的制造技术水平已成熟，应用已相当普遍。1 2 k v 真空断路器产量已占9 2 以上， 4 0 5 k v 真空断路器，起步较1 2 k v 真空断路器晚，近年来有所上升，占5 5 8 6 。 我国真空断路器发展历程大体上可分为二个阶段【2 】： 7 0 - - - 8 0 年代初为独立研制阶段。在这一阶段，西安高压电器研究所、锦州开关 厂、北京开关厂、4 4 0 1 厂、7 7 7 厂等单位进行了真空断路器的开拓工作，开发了z n 3 、 z n 4 和z n 5 产品，虽然技术水平不高，但不仅满足了当时冶金、矿山等部门的需要， 而且为我国真空断路器的进一步发展提供了宝贵的设计、生产和运行经验。 1 9 8 3 年北京开关厂与西安高压电器研究所等单位率先引进了国外先进的真空断 路器技术，从此开始了真空断路器发展的新阶段。十几年来，我国在引进国外先进技 术的基础上，大力发展我国的真空断路器技术。特别是在城乡电网的建设改造中积极 推广采用真空断路器，不断对产品提出更高的要求，促进了我国真空断路器的发展。 目前，我国生产真空断路器的厂家有2 0 0 多家，生产真空灭弧室的厂家有2 0 多家， 我国真空断路器技术虽然已达到较高水平，但发展并不平衡，存在一些问题： ( 1 ) 我国生产真空断路器的生产厂家多，但形成规模的厂家不多，有的生产只 有几十台，产品品种过多，在发展新产品时应注意产品的系列化和通用性。 ( 2 ) 不少生产厂家加工设备、加工工艺落后，生产经验不足，产品质量波动大， 迅速提高我国真空断路器的机械寿命，提高产品的机械可靠性是我国真空断路器行业 最迫切的任务。 ( 3 ) 真空灭弧室的质量问题应当引起高度重视。 ( 4 ) 我国真空断路器的外观质量与国外产品仍有差距，我们必须在产品外光上多 花功夫，把我国真空断路器做得更精致，更漂亮。 ( 5 ) 售价低导致制造单位使用性能不良的劣质配件。 1 1 3 国外真空断路器的发展现状 国外真空断路器技术进入7 0 年代，已经日趋完善，真空断路器的生产已进入大 规模生产阶段，在中、低压系统得到广泛应用。生产的真空断路器品种，规模繁多， 形成很大的系列。代表性的产品有a b b 公司的v d 4 ，西门子公司的3 a h 。东芝公司 2 z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计 第一章绪论 的v k ，施耐德公司的e v o l i s 等。不容否认，这些产品无论是可靠性、稳定性、寿命 等方面指标均优于国产产品，但是进口真空断路器价格是国产同类产品的2 倍以上， 从性能价格比来看，国产真空断路器还具有极大的生命力【2 】。 c u c r 触头材料和纵磁场的触头结构的采用，提高了开断能力，使真空断路器容 量上有很大突破( 1 0 0 k a ) ；利用低过电压触头材料大大降低了过电压，截流水平降至 常规值的1 1 0 ；减少零部件，提高可靠性，减少真空灭弧室的管径、工艺及材料费用， 从而减低了真空灭弧室的造价，也就减低了真空断路器的造价，真空灭弧室和操动机 构的技术进步促进了真空断路器的发展。 操动机构的改进，提高了断路器的机械可靠性： 就目前制造水平，真空灭弧室的水平已达到相当高的水平，但实际运行开关设备 的可靠性不容乐观，统计资料表明，设备故障中约7 0 - - - - 9 0 以上为操动机构的机械 故障，因此，提高真空断路器可靠性的途径是改进操动机构。而操动机构是由较多零 部件组成，其故障率上升，可靠性下降是和零部件数量成正比的。 为了提高真空断路器的机械可靠性，各制造公司对操动机构下了很大功夫，对配 用的弹簧操动机构不断改进，西门子公司3 a f 系列真空断路器所配用的弹簧机构在 世界上享有盛誉。在此基础上不断创新改进，3 a g 系列真空断路器的弹簧机构在3 a f 的基础上简化设计，减少零部件数量，采用小型减速箱，精减了分闸弹簧，它将分闸 储能作用与触头弹簧合并在一起，用一个安装在主触头和拐臂之间的小弹簧承担两者 的作用，3 a h 系列真空断路器的弹簧操动机构做了很大的改进，具有高的可靠性合 免维护性。 c a d c a e 的广泛应用： 近年来对真空断路器的性能、可靠性、机械性能等要求越来越高，所以产品的实 际理念和设计手法和使用的工具必须更新。现在各个技术领域正在推行三维设计，这 样很容易在产品设计阶段就能立体地把握产品的立体形象，很容易进行结构解析和运 动分析。通过模拟来提高设计精度，实现高度化和最佳设计大大提高设计工作效率。 1 1 4 真空断路器发展趋势 真空断路器的发展趋向于大容量、小型化、智能化、低过电压、免维护和高电压叼【3 】【4 】网。 第一章绪论z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计 ( 1 ) 大容量： 由于真空灭弧室的技术进步，使真空断路器的开断能力不断提高。在1 2 k v 级其容 量一般可达到5 0 - - 6 3 k a ，西安高压电器研究所已成功1 5 k v 1 2 0 k a 发电机操作开关并投 入工业运行，成为投入工业运行的最大开断电流真空开关。其真空灭弧室由7 7 1 厂制造。 北京北开电气股份有限公司依靠自己力量研制成功1 2 k v 、6 3 0 0 a 、8 0 k a 真空断路器( 采 用7 7 1 厂灭弧室) 。日本东芝公司和西门子公司均开发出电机保护真空断路器，其参数 为额定电压1 7 5 k v 、额定电流1 2 5 0 0 a ( 三只真空灭弧室并联) 、额定短路开断电流8 0 k a ； 东芝公司1 3 8 k v 级真空断路器，额定短路开断电流达1 0 0 k a 。 ( 2 ) 小型化、高可靠性： 真空断路器的小型化研究工作进行了很多年，并取得了一定成效。虽然真空断路 器零件数量较少，但各国为了提高可靠性、降低成本一直努力减少零件数，缩小管径。 英国g e c 公司新型真空断路器的零件数为v m x 系列产品零件数的一半，约为1 3 7 个零件，缩小了灭弧室的管径。 真空断路器小型化主要靠缩小灭弧室尺寸来实现。缩小灭弧室尺寸能有效降低成本。 ( 3 ) 智能化： 智能化真空断路器在保留断路器原有的各种功能外，必须具有对电路的异常状况 进行检测与判定以及具有一定的指令功能等。也就是把计算机加入机械系统，使开关 系统有了“大脑”，再加“传感器”采集信息，用光纤传导信息，使开关系统有了“知觉”， 大脑根据“知觉”做出判断与决定，使系统有了“智能”。日本富士公司研制的智能式真 空断路器，采用了光导和电子应用技术及周边技术，在普通真空断路器的基础上附加 了过流继电器、检测用的电流互感器、自诊断功能用传送功能组成了监视、检测和保 护等的信息通讯系统。 开发低过电压真空断路器：真空断路器开断小电流容易发生截流，引起过电压。 过电压是人们使用真空断路器最关心的问题。一般解决方法有二种：( 1 ) 加装过电压 吸收装置，但它作为真空断路器的附加装置，不仅使真空断路器结构复杂化，而且增 加成本。( 2 ) 另一种方法也是今后要致力于研究的课题，采用低过电压触头材料。 ( 4 ) 免维护： 断路器在寿命期内少维护、免维护是各制造公司所追求的目标，对断路器的结构 特别是操动机构优化设计，改进材料，改进工艺减少调整环节。 4 z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计第一章绪论 ( 5 ) 高电压： 随着真空开关制造技术和理论研究水平的不断提高，真空开关的发展已不完全局 限于中压而正向高电压大容量方向发展。 目前，京都议定书s f 6 气体( 最主要的地球温室效应气体之一) 的限制使用 引起各国普遍关注。在1 2 6 k v 及以上电压等级，s f 6 断路器和g i s 一统天下，如何 减少s f 6 气体的使用量是科技工作者肩负的使命。真空断路器对环境污染小，符合环 保要求，发展高电压真空断路器是摆在世界各国面前的课题。 1 2 本课题的主要研究对象 基于国内市场对4 0 5 k v 开关柜和真空断路器的需求，根据国家重点技术发展计 划项目，西安高压电器研究所研发了一种复合绝缘的k y n 6 1 4 0 5 t 1 6 0 0 3 1 5 型户内 交流铠装封闭移动式开关柜和专用的落地手车式z n 8 5 4 0 5 t 16 0 0 31 5 型户内交流 高压真空断路器。该产品性能优越，得到电力部门的一致认可，但是该产品也存在体 积大，局部绝缘裕度偏小，面对市场对产品小型化、智能化，提高可靠性和经济性的 要求，在k y n 6 1 开关柜和z n 8 5 真空断路器的基础上继续开发了它们的小型化产品， 简称k y n 6 1 a 开关柜和z n 8 5 a 真空断路器。它们的设计符合i e c 6 2 2 7 1 、g b 3 9 0 6 、 g b l 9 8 4 和g b l l 0 2 2 等标准的规定，可广泛应用于4 0 5 k v 三相交流5 0 h z 的电力系 统中，作为发电厂、变电所以及工矿企业接受配电之用，对电路具有控制、保护和检 测等功能。除用于一般电力系统中，还可用于频繁操作的场所【6 】【7 】。 本课题主要研究对象就是经小型化后的产品z n 8 5 a - 4 0 5 t 1 6 0 0 3 1 5 真空断路 器。z n 8 5 a - 4 0 5 是采用上下布置结构，充分利用柜体空间，有效减小断路器尺寸； 导电回路固定连接，提高了可靠性；其主绝缘件是三相分离的环氧树脂绝缘筒，绝缘 筒不仅构成断路器的相间及对地的绝缘介质，同时也是一次回路的安装支架，真空灭 弧室和一次导电回路内置其中，大大减少粉尘在真空灭弧室表面聚集，可以防止真空 灭弧室受到影响，还可以在湿热和严重污秽条件下，对电压效应呈高阻态；断路器本 体和操作机构配套柜体同步设计，具有调节方便，操作简洁。 1 3 本课题的主要任务 由于z n 8 5 a - 4 0 5 t 1 6 0 0 3 1 5 真空断路器在小型化过程中已对真空断路器进行了 第一章绪论z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计 电场优化设计，通过计算机仿真和有限元数值计算方法对绝缘筒进行优化设计，在满 足柜体绝缘要求的同时，针对z n 8 5 在试验中表现出的局部绝缘裕度较小的现象进行 改进，提高断路器绝缘可靠性，使绝缘筒各处厚度分布合理，有效减轻绝缘筒质量， 降低绝缘筒制造成本。通过电场软件分析，对z n 8 5 a 4 0 5 断路器动、静支架的电极 形状进行优化，增大静支架前端的曲率半径，加大绝缘筒嵌件对地距离，改变动支架 的安装方式，消除由于小气隙产生的电场不均匀现象，同时增加散热结构。但是在对 z n 8 5 4 0 5 真空断路器小型化过程中，没有对其机构运动学方面进行优化设计， z n 8 5 a 4 0 5 真空断路器的机构、触头弹簧连杆结构等存在许多不足之处，原 z n 8 5 4 0 5 真空断路器的合闸弹跳、分闸反弹和分闸反弹等参数便大，且z n 8 5 a 4 0 5 真空断路器采用优化后的小型化灭弧室t d 4 0 5 1 6 0 0 3 1 5 m ，灭弧室触头质量和开距 减小了。本课题主要对z n 8 5 a 4 0 5 真空断路器的触头弹簧连杆结构进行了研究，改 进了z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的触头弹簧连杆结构，将触头弹簧移至绝缘拉杆下方， 使弹簧压力方向与动触头运动方向在同一中心线，弹簧压力直接传递到动触头，减少 了连杆，简化了结构，动作稳定，并采用碟簧提高了触头初压力，同时将虚拟样机技 术应用到断路器的设计中，建立了断路器触头弹簧连杆结构的虚拟样机模型，利用 a d a m s 仿真断路器的连杆结构的运动，根据仿真结果，分析连杆结构改进使断路器 在机械性能上的积极作用。根据仿真分析结论，测试新连杆结构的各种运动参数，验 证新连杆结构在机械性能上的优点。 6 z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计 第二章真空断路器 第二章真空断路器 人们很早就发现真空间隙具有熄弧能力这一现象，由于受当时条件的限制，未能 被加以利用。自1 9 6 1 年美国g e 公司研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器 的技术水平迅速提高，其应用范围也越来越广泛，在中等电压等级的电力系统中，真 空断路器已逐渐取代了沿用已久的少油开关和空气开关，使用比例越来越高，如日本 中压等级中真空断路器的占有率已达8 0 以上。我国近几年来，真空断路器的发展 也很快。国内现在生产的真空断路器己有5 0 多个品种和型号。但由于习惯和对真空 断路器的认识，真空断路器本身的一些固有特性以及价格等因素的影响，使得真空断 路器在一些地区未能被很好地推广使用。为加深大家对真空断路器的了解，本章将就 我国真空断路器的结构特点、主要技术参数及机械特性作些简要介绍。 2 1 真空灭弧室 真空灭弧室是真空开关的心脏，是不可缺少的重要部件。真空灭弧室的灭弧介质 和绝缘介质是真空。真空开关在进行电流的合、分操作时，是通过位于真空灭弧室外 的操动机构使真空灭弧室内的一对对置触头的闭合或分离来完成的。真空灭弧室的触 头被封闭在抽成真空的绝缘外壳之内。本章将对真空，真空电弧，真空电弧的熄灭作 一些简要介绍。 2 。1 1 真空和真空电弧的熄灭 真空是指低于大气压的状态。真 空灭弧室中，真空度很高，一般为 l o 。1 0 4 帕。图2 1 是击穿电压与气压 的关系的曲线。帕和乇之间的关系为： 1 帕= 7 5 x1 0 q 乇。真空灭弧室的真空 度为5 x 1 0 畸 - 1 0 。乇范围内，在此真空 度下，绝缘强度远远高于1 个大气压的 空气和s f 6 的绝缘强度，比变压器油的 蔷 墨 7 , a t 涠i l 电 图2 1 击穿电压与气压的关系 腿 鸷 糠 l 第二章真空断路器z n 8 5 a 一4 0 5 真空断路器的设计 绝缘强度还要高。正因为真空的绝缘强度很高，真空灭弧所室中的电气间隙都可以做 得很小【引。例如1 2 l 【v 真空灭弧室的触头开距只有8 - - , 1 2 r a m ，4 0 5 k v 级真空灭弧室的触 头开距也只有2 0 - - 2 5 r n m 。 许多人认为，由于真空中没有气体，所以真空开关开断电流时不会产生电弧。这 是一种误解。在真空中开断电流时同样要产生电弧。但真空中的电弧( 真空电弧) 与高 气压电弧、低气压电弧有着本质的区别。真空电弧是依靠电极材料蒸发所形成的金属 蒸气的电离维持的，真空电弧实际上是在电极金属蒸气中燃烧的电弧。 触头在真空中带电分离时接触表面积迅速减小，接触区域的电流密度迅速增加， 最后只留下一个或几个微小的接触点( 金属桥) ，在金属桥上电流密度非常大。随着金 属桥缩小，金属桥通导的电流密度增大，温度也越来越高。最后金属桥熔化并蒸发出 大量的金属蒸气。金属蒸气温度很高，同时又存在很强的电场，这样就会导致强烈的 场致发射和金属蒸气的电离，从而发展成真空电弧。 真空电弧有两种完全不同的形态：扩散型真空电弧和集聚型真空电弧。当电流较 小( 小于1 0 k a ) 时真空电弧由许多并联燃烧的小的电弧组成，这样由众多小电弧并联 燃烧的真空电弧称为扩散型真空电弧。当电弧电流超过1 0 k a 时，组成扩散型真空电 弧的各小电弧开始相互吸引，最后集聚成一个或数个大电弧，这种真空电弧称为集聚 型真空电弧。 任何开关设备开断电流的过程都是一个触头间隙由良导体转变为良好的绝缘体 的过程，真空断路器也不例外。真空断路器的触头间燃烧交流真空电弧时，触头间隙 是良好的导体，要求真空电弧熄灭后，触头间隙迅速转变成绝缘体，能够承受系统施 加在触头之间的迅速上升的恢复电压作用而不击穿。真空断路器开断电流的过程实际 上是触头间真空电弧熄灭后，逐渐增长的介质强度和触头问的恢复电压之间的竞赛。 如果真空电弧的弧后介质强度恢复速度大于瞬态恢复电压上升速度，则电流被开断， 反之则出现重击穿。真空电弧在电流过零熄灭后在微秒数量级时间内，触头间隙已转 变成真空间隙，此时触头间隙的介质强度恢复速度远远高于中压系统的恢复电压上升 速率。这样，触头间隙在电弧熄灭后，就不能发生重击穿，不能再形成电弧，电流就 被开断了。 2 1 2 真空灭弧室的典型结构 真空灭弧室按不同用途可分为真空断路器、真空负荷开关、真空接触器和特殊用 8 z n 8 5 a 一4 0 5 真空断路器的设计第二章真空断路器 途用真空灭弧室。真空灭弧室按绝缘外壳材料的不同可分为陶瓷、玻璃和微晶玻璃真 空灭弧室。真空灭弧室按触头结构的不同可分为圆柱形触头、横向磁场触头、纵向磁 场触头和其它特殊结构触头真空灭弧室。真空灭弧室按整体结构可分为屏蔽罩外露 式、中封式和瓷柱式真空灭弧室三种。 中封式结构是国内外使用得最为广泛的真空灭弧室的结构形式。它的主屏蔽罩固 定在绝缘外壳中部的盘片上，结构简单，内部电场可以设计得比较均匀，有利于提高 断口的绝缘水平。中封式结构的真空灭弧室既可使用玻璃作为外壳材料，也可以使用 陶瓷作为外壳材料。缺点是当真空灭弧室外壳直径很大、高度较高时，外壳的生产成 本较高。在真空断路器发展初期，触头直径很大，真空灭弧室的直径也很大，需要直 径很大的绝缘外壳。为了降低绝缘外壳的成本，真空灭弧室不得不采用诸如屏蔽罩外 露式或瓷柱式结构。随着真空灭弧室设计技术的发展，现代真空灭弧室所用的触头直 径已大大缩小，真空灭弧室外壳的直径也随之缩小，中封式真空灭弧室外壳生产成本 高的缺点已不复存在，所以现代小型化真空灭弧室几乎无例外地均为中封式结构。 z n 8 5 a - 4 0 5 系列真空断路器配用的陶瓷外壳真空灭弧室都是中封式真空灭弧室。 2 1 3真空灭弧室的主要零部件及其作用 图2 2 所示为中封式陶瓷外壳1 2 k v 真空灭弧室。它与其它真空灭弧室一样，都 是由绝缘外壳、波纹管、触头、导电杆、屏蔽罩、导向套等零部件组成的。其中主要 部件是外壳、触头、波纹管、屏蔽罩和动静导电杆。 动麓 并t 曩 动 图2 - 21 2 k v 陶瓷真空灭弧室典型结构 9 第二章真空断路器 z n 8 5 - 4 0 5 真空断路器的设计 真空灭弧室的外壳既是真空容器，又是动静触头间的绝缘体。对真空灭弧室的绝 缘外壳材料有很严格的要求，它们必须具有良好的气密性，易于清洗，通过清洗去除 表面的脏污，必须能通过烘烤彻底除去表面吸附和吸收的气体，必须能与适当的金属 形成气密性的牢固的封接，在高温下有良好的化学稳定性和具有足够高的机械强度， 在常温下有高的机械强度，能承受真空断路器分、合闸操作时的机械冲击和振动，最 后还要求其具有高的绝缘强度。z n 8 5 a 4 0 5 的真空灭弧室外壳材料是电真空陶瓷。 为了便于在运行中清除陶瓷真空灭弧室外表面 的脏污，陶瓷真空灭弧室陶瓷外壳的外表面被 覆有釉层。 真空灭弧室的触头均为对接式触头，为了使 真空电弧熄灭后具有高的弧后介质强度恢复速 度，在开断大电流时，要用横向磁场或纵向磁 场控制电弧。控制电弧的磁场通常是由电弧电 流流过触头上特殊的路径而产生的，图2 3 、图 2 _ 4 为能产生横向磁场的触头横向磁场触头， 图2 5 、图2 6 为能产生纵向磁场的触头纵向磁 。 场触头。 现代真空断路器的短路开断电流都很大， 其峰值一般均超过1 0 k a ，所以现代真空灭弧室 均具有磁场控制作用。 图2 3 横向磁场触头 图2 4 横向磁场触头 1 0 z n 8 5 a - 4 0 5 真空断路器的设计 第二章真空断路器 图2 5 纵向磁场触头 图2 - 6 纵向磁场触头 1 触头；2 电极；3 线圈；4 导电杆；b 纵向磁场 波纹管是一种合金弹性元件，其管壁呈波纹状，壁厚很薄。真空灭弧室用的波纹 管通常是用不锈钢制造的，壁厚为o 1 2 o 1 4 r a m 。由于波纹管的壁厚很小，又呈波 纹状，所以在外力作用下可以沿其轴线拉长或缩短，在真空灭弧室中，波纹管的一个 端口与动端法兰中心孔上的凸缘焊在一起，另个端口与动导电杆焊在一起。这样借 助波纹管的轴向伸缩，动导电杆可以在一定范围内进行轴向运动而不破坏外壳的气密 性，在真空灭弧室中，波纹管的外部是真空，内部为大气，波纹管内外存在一个大气 压的气压差，这一压力使动触头与静触头紧压在一起，形成触头自闭力。波纹管是现 代真空灭弧室不可缺少的元件，在真空灭弧室中，只有波纹管在合、分闸操作中发生 大幅度的机械形变。剧烈的机械变形容易使波纹管管壁因疲劳而破裂。波纹管是真空 灭弧室外壳的一部分，它一旦损坏，真空灭弧室的机械寿命便因漏气而终止了。真空 第二章真空断路器 z n 8 5 a 一4 0 5 真空断路器的设计 灭弧室的其它零部件在正常运行中是不容易损坏的，所以波纹管的疲劳寿命也就决定 着真空灭弧室的机械寿命。 屏蔽罩分主屏蔽罩和波纹管屏蔽罩两种。主屏蔽罩的主要作用是屏蔽开断电流过 程中产生的金属蒸气和金属液滴，触头在开断电流过程中，触头间的真空电弧使触头 材料产生金属蒸气和液滴( 电弧生成物) 向四周喷射，这些电弧生成物将主要沉积到主 屏蔽罩的内表面上。如果没有主屏蔽罩，电弧生成物就会沉积到绝缘外壳上，破坏外 壳的绝缘。主屏蔽罩还可防止电弧生成物反射回触头间隙，引起弧后重燃和重击穿。 主屏蔽罩还可以使真空灭弧室内部电场分布得比较均匀，从而提高真空灭弧室的绝缘 水平。为了防止电弧生成的金属液滴落到波纹管表面引起波纹管烧穿，在波纹管上也 设置了波纹管屏蔽罩，在静导电杆上设置着一个与波纹管屏蔽罩形状相同的屏蔽罩。 这样使动、静端的几何形状相同，电场分布也可以基本相同。 动、静导电杆是内接触头，外同主回路相连接的导电体。静导电杆的一端与静触 头用钎焊连成一体，另一端通过钎焊同固定板相连。固定板是用来将真空灭弧室固定 到真空断路器上，并将真空灭弧室的静导电杆与主回路连接。动导电杆的一端用钎焊 连接动触头，动导电杆穿过波纹管和导向套并伸出外壳，动导电杆伸出部分的直径较 小，这是用来装导电夹的。端部中心有一螺孔，此螺孔用来与机械操动系统相连接， 动导电杆带动动触头沿轴向运动完成合、分闸动作。为了提高螺纹连接的机械强度， 动导电杆端部的螺孔中装有不锈钢丝螺纹套。 2 2 真空断路器的结构特点 真空断路器用真空灭弧室是独立的元件，可以安装在任何方向工作。因而真空断 路器的总体布置就比较自由，其他断路器所采用的所有结构形式都可以为真空断路器 所采用。 z n 4 1 0 及西门子公司的3 a f 系列真空断路器是最为典型的悬挂式布置的真空断 路器。它的布置方式与手车柜中所用的s n l 0 1 0 少油断路器极为相似，其主要特点是 真空灭弧室固定在水平布置的两个绝缘子上， 真空灭弧室和操动机构作前后布置， 操动机构通过绝缘拉杆操动真空灭弧室的动导电杆【1 1 。 悬挂式布置的真空断路器在真空灭弧室受力最大的方向( 轴向) 上机械刚度差， 合闸操作时水平支持绝缘子受到很大的弯矩作用，在分、合闸过程中以及在合闸状态 1 2 z n 8 5 a 一4 0 5