雙斷點塑殼斷路器觸頭機構(gòu)在極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼炛械恼駝有匝芯?/h1>
2022-09-19 00:19:02陳盧明吳建生李繼丹歐陽海軍
電器與能效管理技術(shù) 2022年1期
曾 誼, 陳盧明, 吳建生, 李繼丹, 歐陽海軍, 童 偉
(巨邦集團有限公司, 浙江 樂清 325600)
0 引 言
塑料外殼式斷路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB)普遍存在合閘過程中因觸頭振動明顯產(chǎn)生的彈跳問題。究其原因:一是合閘沖擊剛性過大導(dǎo)致動觸頭發(fā)生軸向反彈;二是動觸頭導(dǎo)向不良,晃動過大;三是觸頭機構(gòu)傳動環(huán)節(jié)間隙過大;四是動觸頭平面與動觸頭定位軸垂直度不好,動、靜觸頭接觸產(chǎn)生橫向滑動等所致[1-3]。在極限短路分?jǐn)嘣囼炦^程中觸頭閉合接觸瞬間產(chǎn)生彈跳,觸頭彈跳過程中產(chǎn)生的高溫電弧造成觸頭嚴(yán)重?zé)龘p或熔焊,導(dǎo)致極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼炇?。本文從減弱或防止觸頭彈跳的角度提出了一種觸頭機構(gòu),減弱或防止動、靜觸頭接通瞬間因振動導(dǎo)致彈跳而影響極限短路分?jǐn)嗄芰Α?/p>
1 觸頭在閉合過程中的振動分析
動、靜觸頭在閉合接觸過程中會產(chǎn)生彈跳,使得接觸電阻周期性地增大,產(chǎn)生分離電弧,造成觸頭熔焊或燒損。由形變-反彈時間關(guān)系圖像可知,減小觸頭反彈最大形變量xm和觸頭反彈時間tm是解決此問題的關(guān)鍵,當(dāng)在8 ms以后,觸頭反彈最大形變量xm小于觸頭閉合最大形變量xd時,動、靜觸頭接觸瞬間雖有振動,但動觸頭不會出現(xiàn)彈跳,因此要減小動、靜觸頭接通瞬間造成的振動,需要滿足xm≤xd。
1.1 最大反彈距離計算
動、靜觸頭接觸瞬間(碰撞前后)動量守恒:
(1)
式中:m1——動觸頭質(zhì)量;
v1——動觸頭碰撞前速度;
v20——反跳初速度;
WA——塑性變形消耗能量;
ε——觸頭材料彈性系數(shù)(0:塑性,1:彈性,取0～1);
K——觸頭材料恢復(fù)系數(shù),取1-ε2;。
動觸頭在反跳過程中能量守恒:碰撞前動觸頭初動能Ek=碰撞中瞬時能量WA+動觸頭達到最大反跳時彈簧獲得的最大彈性勢能Ep。
(2)
式中:C——觸頭彈簧剛度;
l0——彈簧自由高度;
F0——彈簧預(yù)壓力。
結(jié)論:提高彈簧預(yù)壓力F0和觸頭彈簧剛度C,減小觸頭質(zhì)量,選用觸頭材料恢復(fù)系數(shù)K值接近于1的觸頭材料,即可改善觸頭振動。觸頭反彈距離與時間的關(guān)系如圖1所示;動靜觸頭最大反彈距離和最大形變量如圖2所示。
5、機油泵性能差。為解決大修或檢修后的機車初次啟動機油泵泵不上來油的問題，應(yīng)將機油濾清器或出油管卸掉，然后用注油器從機體出油孔注滿機油，即刻上好濾清器或通向機油指示器的機油管，啟動后，機油就會泵上來。
圖1 觸頭反彈距離與時間的關(guān)系
圖2 動靜觸頭最大反彈距離和最大形變量
1.2 觸頭彈跳過程中產(chǎn)生的觸頭動熔焊問題
在觸頭接通與分?jǐn)噙^程中因觸頭振動或觸頭被電動力斥開產(chǎn)生電弧或預(yù)擊穿電弧,引起的熔焊多發(fā)生于觸頭閉合過程中或接觸壓力較小的閉合狀態(tài)的觸頭中。觸頭閉合產(chǎn)生動熔焊過程:電弧預(yù)擊穿 →觸頭振動反彈→產(chǎn)生電弧觸頭熔化→重新閉合 →…反復(fù)閉合→最終觸頭無法分?jǐn)鄬?dǎo)致觸頭熔焊。
由以上分析可知,減輕觸頭熔焊的方法為采用電阻率小、抗拉強度小和熔化溫度高的材料加入少量其他元素,在熔焊面形成脆性相;減小觸頭彈跳。
2 失效分析及設(shè)計改善措施
2.1 技改前觸頭機構(gòu)
技改前動觸頭機構(gòu)在接通和分?jǐn)噙^程中,動觸頭、觸頭彈簧軸與轉(zhuǎn)軸之間固定為一整體,觸頭彈簧與觸頭彈簧軸二者將動觸頭固定在轉(zhuǎn)軸中,隨轉(zhuǎn)軸一起整體轉(zhuǎn)動。在極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼炛?觸頭機構(gòu)會受到交變載荷和高溫的作用,引起轉(zhuǎn)軸、觸頭彈簧及觸頭彈簧軸變形或燒損。技改前觸頭彈簧是以雙拉簧結(jié)構(gòu)設(shè)計,優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,裝配工藝容易實現(xiàn)。但雙拉簧加工工藝復(fù)雜,力值波動大,穩(wěn)定性差,不宜檢測。由于多處折彎,容易因應(yīng)力集中而導(dǎo)致彈簧斷裂,易在高溫下衰減,造成惡性循環(huán)。同時觸頭彈簧軸之間無連桿加以平衡,在動、靜觸頭閉合碰撞瞬間容易造成觸頭振動。技改前觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖如圖3所示。
2.2 技改后觸頭機構(gòu)
技改后觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖如圖4所示。技改后動觸頭、觸頭彈簧軸、觸頭彈簧、連桿軸、連桿為一個獨立單元。該觸頭彈簧的主要作用是為動觸頭提供足夠的終壓力。為保證終壓力始終保持在一個合理范圍內(nèi),動觸頭彈簧的力值衰減必須得到控制,并合理選擇彈簧材料,力值一般應(yīng)控制到 5%以內(nèi),熱處理溫度應(yīng)不低于 320 ℃。本技改方案采用2根單拉簧設(shè)計結(jié)構(gòu),優(yōu)點是可靠性高,彈簧的加工工藝性好,力值精度高且穩(wěn)定,拉簧兩端折彎處圓弧過渡,大大降低了受應(yīng)力集中的影響,不容易出現(xiàn)斷裂、力值衰減等現(xiàn)象。連桿是連接動觸頭和觸頭彈簧軸的片狀零件,其作用是把觸頭彈簧產(chǎn)生的拉力傳遞給動觸頭,使動觸頭彈簧軸沿著轉(zhuǎn)軸弧面滑動。連桿與連桿軸一起穿過動觸頭并分布在兩側(cè),觸頭彈簧軸組裝在連桿兩端圓孔中,整個機構(gòu)在接通或分?jǐn)噙^程中保持平衡。
圖3 技改前觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖
圖4 技改后觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖
技改后觸頭機構(gòu)動作示意圖如圖5所示。
圖5 技改后觸頭機構(gòu)動作示意圖
當(dāng)動、靜觸頭閉合且動觸頭尚未彈跳時,觸頭彈簧軸卡入轉(zhuǎn)軸限位槽中,增設(shè)連桿目的是減弱動、靜觸頭在接觸碰撞瞬間因合閘沖擊剛性過大造成的振動問題,使觸頭機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中觸頭彈簧過渡更加平穩(wěn)。即使觸頭機構(gòu)各零部件之間間隙及晃動過大,當(dāng)動觸頭接觸碰撞瞬間沿逆時針(箭頭)方向彈跳時,觸頭彈簧軸立即滑入動觸頭限位槽中,使得動觸頭無法繼續(xù)發(fā)生彈跳。若觸頭機構(gòu)恢復(fù)到彈跳前狀態(tài),則需要對塑殼斷路器進行手柄操作。
2.2.1 轉(zhuǎn)軸設(shè)計
提高塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼灂r要充分考慮轉(zhuǎn)軸機械強度及力學(xué)性能,一般選用熱固性塑料。熱固性塑料具有耐高溫,耐電弧,機械強度高等優(yōu)點,但缺陷是成型零件毛刺不可避免。一般在制造極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼灅悠窌r合理選用轉(zhuǎn)軸常用材料牌號、成型工藝、力學(xué)指標(biāo)。SMC材料成本比DMC材料成本高,壓制成型比擠注成型工藝復(fù)雜,應(yīng)根據(jù)實際情況選用最優(yōu)方案。轉(zhuǎn)軸采用不同熱固性塑料和成型方法的強度對比如表1所示。
表1 轉(zhuǎn)軸采用不同熱固性塑料和成型方法的強度對比
2.2.2 觸頭彈簧
觸頭彈簧設(shè)計要考慮耐高溫、韌性、彈性及力學(xué)等參數(shù)。各種不同彈簧材料性能比較如表2所示。不同類型彈簧鋼絲做成的彈簧,其耐溫、韌性、彈性有較大差異,韌性較差彈簧鋼絲在合閘過程中伴隨著高強度沖擊容易造成彈簧疲勞。彈簧在成形加工后應(yīng)經(jīng)淬火和回火處理;彈簧為冷硬鋼絲時,在成形加工后只需進行去應(yīng)力回火處理。 經(jīng)淬火或回火處理彈簧表面必須光潔,不允許有氧化皮及明顯的脫碳現(xiàn)象,不應(yīng)有肉眼可見的裂紋、傷痕、變形及毛刺等缺陷。 彈簧表面應(yīng)及時進行防腐處理,經(jīng)氧化或鍍覆處理后還需進行去氫處理。
表2 各種不同彈簧材料性能比較
2.2.3 連桿設(shè)計
連桿承受觸頭彈簧作用力及其本身擺動和觸頭轉(zhuǎn)動慣性影響,受力大小和方向周期性變化。因此連桿受到壓縮、拉伸等交變載荷作用。連桿必須有足夠的疲勞強度和結(jié)構(gòu)剛度。疲勞強度不足,往往會造成連桿斷裂,進而產(chǎn)生整機破壞的重大事故。若剛度不足,則會造成連桿變形,影響觸頭轉(zhuǎn)動及觸頭參數(shù)。連桿選用冷軋鋼板45,表面淬火硬度為HRC35～HRC45。
3 試驗結(jié)果論證
對改進前、后的動觸頭防跌落裝置塑殼斷路器進行極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼?改進前示波圖如圖6所示;改進后示波圖如圖7所示。由圖6和圖7可見,改進前塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰cu=100 kA(AC 400 V),通斷時間為7.78 ms,燃弧時間為6.53 ms;改進后塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰cu=150 kA(AC 400 V),通斷時間為1.51 ms,燃弧時間為1.16 ms。通過試驗數(shù)據(jù)對比可知,極限分?jǐn)嗄芰μ岣?通斷時間和燃弧時間大大降低,減小了在試驗過程中高溫電弧或大電流對動、靜觸頭燒損程度。改進前后的分?jǐn)嗄芰Ρ热绫?所示。
圖6 改進前示波圖
圖7 改進后示波圖
表3 改進前后的分?jǐn)嗄芰Ρ?/p>
4 結(jié) 語
本文旨在探究塑殼斷路器觸頭振動性問題對極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼灥挠绊?并提出改進后觸頭機構(gòu),有效改善斷路器動、靜觸頭接觸瞬間因振動產(chǎn)生的彈跳問題,通過設(shè)計方案實施并通過改進后的樣品試驗驗證使得塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰χ笜?biāo)達到150 kA(AC 400 V)。
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1 觸頭在閉合過程中的振動分析
動、靜觸頭在閉合接觸過程中會產(chǎn)生彈跳,使得接觸電阻周期性地增大,產(chǎn)生分離電弧,造成觸頭熔焊或燒損。由形變-反彈時間關(guān)系圖像可知,減小觸頭反彈最大形變量xm和觸頭反彈時間tm是解決此問題的關(guān)鍵,當(dāng)在8 ms以后,觸頭反彈最大形變量xm小于觸頭閉合最大形變量xd時,動、靜觸頭接觸瞬間雖有振動,但動觸頭不會出現(xiàn)彈跳,因此要減小動、靜觸頭接通瞬間造成的振動,需要滿足xm≤xd。
1.1 最大反彈距離計算
動、靜觸頭接觸瞬間(碰撞前后)動量守恒:
(1)
式中:m1——動觸頭質(zhì)量;
v1——動觸頭碰撞前速度;
v20——反跳初速度;
WA——塑性變形消耗能量;
ε——觸頭材料彈性系數(shù)(0:塑性,1:彈性,取0～1);
K——觸頭材料恢復(fù)系數(shù),取1-ε2;。
動觸頭在反跳過程中能量守恒:碰撞前動觸頭初動能Ek=碰撞中瞬時能量WA+動觸頭達到最大反跳時彈簧獲得的最大彈性勢能Ep。
(2)
式中:C——觸頭彈簧剛度;
l0——彈簧自由高度;
F0——彈簧預(yù)壓力。
結(jié)論:提高彈簧預(yù)壓力F0和觸頭彈簧剛度C,減小觸頭質(zhì)量,選用觸頭材料恢復(fù)系數(shù)K值接近于1的觸頭材料,即可改善觸頭振動。觸頭反彈距離與時間的關(guān)系如圖1所示;動靜觸頭最大反彈距離和最大形變量如圖2所示。
5、機油泵性能差。為解決大修或檢修后的機車初次啟動機油泵泵不上來油的問題，應(yīng)將機油濾清器或出油管卸掉，然后用注油器從機體出油孔注滿機油，即刻上好濾清器或通向機油指示器的機油管，啟動后，機油就會泵上來。
圖1 觸頭反彈距離與時間的關(guān)系
圖2 動靜觸頭最大反彈距離和最大形變量
1.2 觸頭彈跳過程中產(chǎn)生的觸頭動熔焊問題
在觸頭接通與分?jǐn)噙^程中因觸頭振動或觸頭被電動力斥開產(chǎn)生電弧或預(yù)擊穿電弧,引起的熔焊多發(fā)生于觸頭閉合過程中或接觸壓力較小的閉合狀態(tài)的觸頭中。觸頭閉合產(chǎn)生動熔焊過程:電弧預(yù)擊穿 →觸頭振動反彈→產(chǎn)生電弧觸頭熔化→重新閉合 →…反復(fù)閉合→最終觸頭無法分?jǐn)鄬?dǎo)致觸頭熔焊。
由以上分析可知,減輕觸頭熔焊的方法為采用電阻率小、抗拉強度小和熔化溫度高的材料加入少量其他元素,在熔焊面形成脆性相;減小觸頭彈跳。
2 失效分析及設(shè)計改善措施
2.1 技改前觸頭機構(gòu)
技改前動觸頭機構(gòu)在接通和分?jǐn)噙^程中,動觸頭、觸頭彈簧軸與轉(zhuǎn)軸之間固定為一整體,觸頭彈簧與觸頭彈簧軸二者將動觸頭固定在轉(zhuǎn)軸中,隨轉(zhuǎn)軸一起整體轉(zhuǎn)動。在極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼炛?觸頭機構(gòu)會受到交變載荷和高溫的作用,引起轉(zhuǎn)軸、觸頭彈簧及觸頭彈簧軸變形或燒損。技改前觸頭彈簧是以雙拉簧結(jié)構(gòu)設(shè)計,優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,裝配工藝容易實現(xiàn)。但雙拉簧加工工藝復(fù)雜,力值波動大,穩(wěn)定性差,不宜檢測。由于多處折彎,容易因應(yīng)力集中而導(dǎo)致彈簧斷裂,易在高溫下衰減,造成惡性循環(huán)。同時觸頭彈簧軸之間無連桿加以平衡,在動、靜觸頭閉合碰撞瞬間容易造成觸頭振動。技改前觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖如圖3所示。
2.2 技改后觸頭機構(gòu)
技改后觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖如圖4所示。技改后動觸頭、觸頭彈簧軸、觸頭彈簧、連桿軸、連桿為一個獨立單元。該觸頭彈簧的主要作用是為動觸頭提供足夠的終壓力。為保證終壓力始終保持在一個合理范圍內(nèi),動觸頭彈簧的力值衰減必須得到控制,并合理選擇彈簧材料,力值一般應(yīng)控制到 5%以內(nèi),熱處理溫度應(yīng)不低于 320 ℃。本技改方案采用2根單拉簧設(shè)計結(jié)構(gòu),優(yōu)點是可靠性高,彈簧的加工工藝性好,力值精度高且穩(wěn)定,拉簧兩端折彎處圓弧過渡,大大降低了受應(yīng)力集中的影響,不容易出現(xiàn)斷裂、力值衰減等現(xiàn)象。連桿是連接動觸頭和觸頭彈簧軸的片狀零件,其作用是把觸頭彈簧產(chǎn)生的拉力傳遞給動觸頭,使動觸頭彈簧軸沿著轉(zhuǎn)軸弧面滑動。連桿與連桿軸一起穿過動觸頭并分布在兩側(cè),觸頭彈簧軸組裝在連桿兩端圓孔中,整個機構(gòu)在接通或分?jǐn)噙^程中保持平衡。
圖3 技改前觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖
圖4 技改后觸頭機構(gòu)結(jié)構(gòu)及分解圖
技改后觸頭機構(gòu)動作示意圖如圖5所示。
圖5 技改后觸頭機構(gòu)動作示意圖
當(dāng)動、靜觸頭閉合且動觸頭尚未彈跳時,觸頭彈簧軸卡入轉(zhuǎn)軸限位槽中,增設(shè)連桿目的是減弱動、靜觸頭在接觸碰撞瞬間因合閘沖擊剛性過大造成的振動問題,使觸頭機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中觸頭彈簧過渡更加平穩(wěn)。即使觸頭機構(gòu)各零部件之間間隙及晃動過大,當(dāng)動觸頭接觸碰撞瞬間沿逆時針(箭頭)方向彈跳時,觸頭彈簧軸立即滑入動觸頭限位槽中,使得動觸頭無法繼續(xù)發(fā)生彈跳。若觸頭機構(gòu)恢復(fù)到彈跳前狀態(tài),則需要對塑殼斷路器進行手柄操作。
2.2.1 轉(zhuǎn)軸設(shè)計
提高塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼灂r要充分考慮轉(zhuǎn)軸機械強度及力學(xué)性能,一般選用熱固性塑料。熱固性塑料具有耐高溫,耐電弧,機械強度高等優(yōu)點,但缺陷是成型零件毛刺不可避免。一般在制造極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼灅悠窌r合理選用轉(zhuǎn)軸常用材料牌號、成型工藝、力學(xué)指標(biāo)。SMC材料成本比DMC材料成本高,壓制成型比擠注成型工藝復(fù)雜,應(yīng)根據(jù)實際情況選用最優(yōu)方案。轉(zhuǎn)軸采用不同熱固性塑料和成型方法的強度對比如表1所示。
表1 轉(zhuǎn)軸采用不同熱固性塑料和成型方法的強度對比
2.2.2 觸頭彈簧
觸頭彈簧設(shè)計要考慮耐高溫、韌性、彈性及力學(xué)等參數(shù)。各種不同彈簧材料性能比較如表2所示。不同類型彈簧鋼絲做成的彈簧,其耐溫、韌性、彈性有較大差異,韌性較差彈簧鋼絲在合閘過程中伴隨著高強度沖擊容易造成彈簧疲勞。彈簧在成形加工后應(yīng)經(jīng)淬火和回火處理;彈簧為冷硬鋼絲時,在成形加工后只需進行去應(yīng)力回火處理。 經(jīng)淬火或回火處理彈簧表面必須光潔,不允許有氧化皮及明顯的脫碳現(xiàn)象,不應(yīng)有肉眼可見的裂紋、傷痕、變形及毛刺等缺陷。 彈簧表面應(yīng)及時進行防腐處理,經(jīng)氧化或鍍覆處理后還需進行去氫處理。
表2 各種不同彈簧材料性能比較
2.2.3 連桿設(shè)計
連桿承受觸頭彈簧作用力及其本身擺動和觸頭轉(zhuǎn)動慣性影響,受力大小和方向周期性變化。因此連桿受到壓縮、拉伸等交變載荷作用。連桿必須有足夠的疲勞強度和結(jié)構(gòu)剛度。疲勞強度不足,往往會造成連桿斷裂,進而產(chǎn)生整機破壞的重大事故。若剛度不足,則會造成連桿變形,影響觸頭轉(zhuǎn)動及觸頭參數(shù)。連桿選用冷軋鋼板45,表面淬火硬度為HRC35～HRC45。
3 試驗結(jié)果論證
對改進前、后的動觸頭防跌落裝置塑殼斷路器進行極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼?改進前示波圖如圖6所示;改進后示波圖如圖7所示。由圖6和圖7可見,改進前塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰cu=100 kA(AC 400 V),通斷時間為7.78 ms,燃弧時間為6.53 ms;改進后塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰cu=150 kA(AC 400 V),通斷時間為1.51 ms,燃弧時間為1.16 ms。通過試驗數(shù)據(jù)對比可知,極限分?jǐn)嗄芰μ岣?通斷時間和燃弧時間大大降低,減小了在試驗過程中高溫電弧或大電流對動、靜觸頭燒損程度。改進前后的分?jǐn)嗄芰Ρ热绫?所示。
圖6 改進前示波圖
圖7 改進后示波圖
表3 改進前后的分?jǐn)嗄芰Ρ?/p>
4 結(jié) 語
本文旨在探究塑殼斷路器觸頭振動性問題對極限短路分?jǐn)嗄芰υ囼灥挠绊?并提出改進后觸頭機構(gòu),有效改善斷路器動、靜觸頭接觸瞬間因振動產(chǎn)生的彈跳問題,通過設(shè)計方案實施并通過改進后的樣品試驗驗證使得塑殼斷路器極限短路分?jǐn)嗄芰χ笜?biāo)達到150 kA(AC 400 V)。
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