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文档简介
1、永磁机构用固封极柱特点分析及借鉴性【摘要】 本文分析了特瑞德电器公司ISM系列断路器12kV/630A/20kA永磁机构用固封极柱的结构特点以及所配真空灭弧室的内部结构和电磁场分布。为我公司固封极柱研发和灭弧室设计提供借鉴意义。【关键词】 固封极柱 真空灭弧室 电场 磁场 借鉴性一. 问题的提出近几年,随着固封技术的迅速发展,固封极柱成为国内炙手可热的市场热点产品,同时永磁机构目前也逐步被市场所认可。特瑞德电器公司是全世界最优秀的永磁机构断路器和永磁机构供应商之一,研究特瑞德永磁机构用固封极柱对我公司发展自有固封极柱技术很有借鉴意义。所以我们对特瑞德ISM系列断路器12kV/630A/20kA
2、永磁机构用固封极柱进行了解剖和分析。二. 极柱的分析样品为特瑞德12kV/630A/20kA固封极柱1个, .开距6mm,.触头压力700N,.该样品除了完成过10000次机械寿命,未进行过其他项目实验。图1是该产品装于断路器上的外观情况灭弧室 带波纹管的动触头 软连接 操作绝缘子 分闸弹簧 触头压力弹簧 螺线管线圈 动铁心 同步轴机械联锁接口永磁机构 同步轴微动开关联锁销框架 母线连接图1 图2为该极柱的外形测绘结果图2图3为极柱上半部和下半部X光照片图3 极柱上半部和下半部X光照片1.极柱参数测试结果序号测试项目测试结果备注1真空度测试5.7×10-5Pa(开距6mm)21#曲线
3、(TD830A)2局部放电值测试0.6pc(14.4kV)3工频耐压测试(1min,空气中)6mm开距45kV稳定,50kV稳定参数要求42kV4冲击耐压测试(空气中)6mm开距75kV:OK(无击穿);95kV:失败参数要求75kV5自闭力、反力无法测量6回路电阻压力700N28参数要求40压力1200N262.极柱的主要特点:.带绝缘套的灭弧室和绝缘筒之间没有任何粘接物,灭弧室及其绝缘套能够直接从绝缘筒内退出(但需要施加一定外力)。绝缘套套在灭弧室瓷壳上,与瓷壳间也没有任何粘接物,而且其伸长率较大,能够直接从瓷壳上径向拉伸后取下。见图4图4 分解后的灭弧室、绝缘套、绝缘筒、软连接绝缘套自由
4、状态下的内径尺寸约为57mm,壁厚约4.5mm。灭弧室瓷壳外径为74.5mm,比绝缘套内径大17.5mm,试图采用手工方式将绝缘套套上瓷壳,但比较困难,推测可能要通过热缩等其他方式。绝缘套为加强型液体硅橡胶,经检测其物理性能如下:硬度(邵氏A)伸长率(%)拉伸强度(Mpa)撕裂强度(KN/m)35300620可以看出,硬度较低,拉伸强度和撕裂强度方面优于我公司现有产品。将胶套如图5方向放置于工频测试台上,下端面接地,上端面加高压,测得其耐压值为25kV,电压加至30kV时跳闸。图5 硅橡胶套.经检测绝缘筒玻璃化转变温度为145.7。据资料显示,可能是聚碳酸酯(PC)或聚氨酯(PUR)塑料。.软
5、连接结构比较特别,由24片宽40mm的环形铜片压叠而成,环型上下各有1个孔,上端与动导杆连接,下端与下出线连接。局部装配图如下图。软连接中通过的电流及其产生的磁场、电动力方向如图6所示:图6可以看出,当电流流过环行软连接时,会产生图示方向的电动力,由于软连接下端是固定在下出线上的,所以该电动力的作用方向和触头压力方向是一致的,相当于补充了一部分触头压力,对关合有利。但在分断操作中,从触头刚分点至电弧熄灭之前该力会成为分闸力的一个阻力,这对开断不利。.灭弧室静端为端面连接,动导电杆和软连接、软连接和下出线之间均为锥度连接(见图7)。灭弧室动端无导向套。图7 由左开始依次是 灭弧室整管、灭弧室静端
6、、灭弧室动端三. 真空灭弧室分析图8为灭弧室X光照片图8 左为触头闭合时的灭弧室 右为触头拉开6mm时的灭弧室1.灭弧室参数测试序号测试项目测试结果备注1真空度测试7.7×10-3Pa(开距6mm)18#曲线(TD15A)2工频耐压测试(介质中)6mm开距50kV(1min):OK60kV(1min):OK85kV电流表有微小抖动90kV开始有电流3冲击耐压测试6mm开距95kV:OK(负极性击穿1次)115kV:失败4自闭力110N5反力6mm开距155N6电阻压力700N16压力1200N152.灭弧室结构特点分析静动管芯照片见图9,切割后的管芯照片见图10 图9 左为静管芯 右
7、为动管芯.电极结构. 电极采用了直径为55的6槽杯状纵磁结构,入角约为18°,转角90°,槽宽0.8mm。杯子的整体高度很小,只有8mm。大大节省了管内空间。但槽根距离也小,约为3.8mm,对额定电流有一定影响。从特瑞德样本上看,该电极额定电流最高为1000A。. 触头座外圆的圆弧做的非常好,尤其是和触头片衔接处过渡很圆滑,对于降低该处电场局部强度很有好处。图10 静动管芯剖面 触头座内没有支撑,为了增加强度,采用了CuCr2材料,但仍存在触臂变形的情况。该样品在解剖前曾经做过10000次机械寿命,可以看到静、动电极已经完全并槽。 触头总厚度为3mm,采用了复合型材料,燃弧
8、面厚度1.2mm为CuCr50,焊接面为CuCr3。 静、动触头座对槽角度为0°(见图11) 动导电杆和触头座采用了螺纹连接的方式,推测是为了防止封排过程焊料二次熔化造成触头座脱落。图11 还原静.动管芯在整管内的相对位置.波纹管采用了焊接波纹管,材料为316L,壁厚0.155mm,外径62,内径24。可以看出该波纹管波深非常大(19mm),且壁厚非常均匀,对机械寿命的提高非常有利。波纹管置于灭弧室外部,触头闭合时高度仅为14mm,使灭弧室体积显著缩小。这种结构的波纹管在分闸过程中是被拉伸的,和我们现有的波纹管受力方向正好相反。.屏蔽结构只有主屏蔽筒,与两端盖板构成了整个屏蔽系统。屏
9、蔽筒大缩口配合两端盖板的形状形成全屏蔽结构,屏蔽效果非常好。主屏蔽筒材料为铁镍合金,分为上下两截,采用钎焊的方式连接。两端缩口较大,均带有外翻边(R1.75),通过中部的两道滚筋悬挂于瓷壳中间的凸台上(具体结构见总装配图)。装配正,配合情况也较好,晃动时没有响声。. 瓷封结构盖板和瓷壳为立封结构,无过渡。盖板材料比较特殊,为含铜4%的铁镍合金。解剖过程中发现盖板材料比较软。图12 是测绘的灭弧室外形和总装图3.灭弧室电场分析对该产品进行了电场模拟分析,并和我公司TD-15(开距6mm)进行电场分布对比。之所以和TD-15对比,是因为这两种产品的雷电冲击耐压水平相当,均为95kV。 从全局分布来
10、看,除电极之间的区域以外,TD-15管内的整体电场强度远小于该样品。(见电场1) 从电极之间的电场分布看,特瑞得产品对电极边缘圆弧的处理导致其电极边沿的电场强度低于TD-15。(见电场2) 比较两种产品的电场最强点位置,TD-15在两触头边沿处,强度为1.9×107V/m;特瑞德产品在屏蔽筒与两端盖板的最近处,强度为2.1×107V/m。(见电场3)电场1 全局电场分布图电场2 电极之间的电场分布电场3 电场最强点位置值得我们思考的问题:.该样品电极与屏蔽筒间的距离只有3.2mm,远小于TD-15的8.5mm。其他部分的绝缘距离也都在36mm之间,整体的电场强度也明显强于T
11、D-15,可是为什么该产品冲击耐压水平可以很轻松的达到95kV?.我们产品的绝缘弱点究竟是什么?是电场分布?材料绝缘特性?零件形状?零件表面状态?还是有其他因素?我的思考:1.从总装图上可以看出,该产品内部零件边角均采用大圆弧过度,绝缘间隙基本形成曲面对曲面。由于曲面半径的不同,局部电场强点的有效面积区域减少。在真空中有效面积越小,耐压越高。2.该产品的电场最强点是盖板与屏蔽筒之间,这两种材料均为铁镍合金,耐压强度比较高,相比较铜铬而言更不容易击穿。3.这么小的绝缘间隙对于形位公差的要求应该是非常敏感的,但该样品灭弧室本身并没有导向,完全靠机构导向。由于是每相配一个永磁机构,相比弹簧机构而言,
12、传动路径显著减少,这对机构本身和安装后的灭弧室形位公差的保证大有好处。在一定程度上也保证了绝缘的稳定性。4.灭弧室磁场分析用ANSOFT分析软件进行了磁场模拟分析,并和我公司直径接近的电极进行磁场对比。以下磁场分布图均为开距中心处,平行于触头开槽方向和垂直于触头开槽方向的两条直线上的磁场分布。 特瑞德55纵磁结构电极磁场分布:磁场强度最大值约为0.0145T,最小值约为0.01T值得一提的是,该电极触头座由于采用了大圆弧结构,触头直径小于触头座。触头闭合时的接触面直径为44.5mm。我们知道,当触头有夹角时开断时的起弧点往往在触头边沿,而该电极44.5mm的接触面边沿正好是强磁场区域,这对开断
13、过程电弧的控制是大有好处的。 我公司41纵磁结构电极(有铁芯)磁场分布(TD510):具有12kV下20kA的开断能力磁场强度最大值约为0.023T,最小值约为0.012T 我公司48纵磁结构电极(无铁芯)磁场分布(TD3720A):具有12kV下20kA的开断能力磁场强度最大值约为0.0175T,最小值约为0.0105T 我公司58纵磁结构电极磁场分布(TD14A-25):具有12kV下25kA的开断能力磁场强度最大值约为0.0104T,最小值约为0.0078T几种电极的磁场分布形态基本一致,磁场强度由强到弱的次序是TD510 (41有铁心) 、TD3720A (48有铁心) 、特瑞德55电极(无铁芯)、 TD14A-25(58无铁芯)。由于磁场强度大小不是反映开断能力的唯一参数,所以哪种电极更适合我们还需要设计的时候根据具体情况而定。 四.结束语总体上看,该样品在相同电压等级产品中,体积较小,绝缘可靠,结构特点突出,装配方式比较简单,有很多值得我们研究和学习之处。另,后附材料分析结果及特瑞德断路器参数表。(见下页)材料分析结果理化分析结果材料名称触头(燃弧面)Cr%:48.21; Cu%:余量CuCr50触头(焊接
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