中压真空接触器分闸速度的分析与研究

石 灿，庄火庚

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200090；2.上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

中压真空接触器分闸速度的分析与研究

石 灿1，庄火庚2

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200090；2.上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063)

分闸速度是真空接触器最主要的机械特性参数之一。为验证现有接触器的分闸速度是否满足接触器机械特性要求，在对接触器结构以及分闸原理分析的基础上，利用UG软件建模，研究计算了接触器分闸速度并对实际设计进行校核，同时使用UG模拟出分闸速度曲线，证明出平均分闸速度在接触器机械特性要求范围内。

真空接触器；分闸速度；UG软件；分闸速度曲线

真空接触器是触头系统采用真空灭弧室的接触器[1]。中压真空接触器是中压电力系统中不可缺少的重要元器件，用于控制频繁起动的和经常正、反转运行的中压电动机，具有使用寿命长、分断速度快、体积小、操作频繁等一系列优点[2]。

中压真空接触器的机械寿命很长，每小时的合、分操作能高达几百次甚至一千多次，因此分闸速度是影响真空接触器开断能力和寿命的关键之一，其选取至关重要[3]。在接触器触头的分断过程中，动触头与静触头于通电状态脱离接触，当它们开始分离，并在两者之间出现间隙时，在间隙中会产生电火花或电弧,接触器带载分闸时，若不能及时分断接通电流,则会导致长期燃弧，使触头烧损,进而影响整个接触器的工作性能[4]。

1 中压真空接触器的基本结构

真空接触器主要由真空灭弧室、绝缘框架、电磁操纵机构、电源附件和分闸锁扣机构等及部分组成[5]，采用高、低压部分上、下布置的结构，通过驱动板旋转传递低压侧的操作能给高压侧[6]。利用UG建模，其三维模型如图1所示[7]。

图1 中压真空接触器三维模型图

此接触器为机械保持性接触器，其操作机构如图2所示[8]。合闸时，合闸电磁铁通电，吸合合闸衔铁，使磁路闭合，并通过驱动板压缩主反力弹簧和触头弹簧，带动动触头到达闭合位置，完成接触器合闸动作。分闸时，分闸线圈得电[9]，在主反力弹簧的作用下，驱动机构克服真空灭弧室的自闭力，恢复到休止位置并带动动触头运动，完成接触器分闸操作[10]。

图2 真空接触器操作机构简图

2 分闸速度理论计算

在中压真空接触器分闸状态时，应满足的条件是：真空灭弧室的两个主反力弹簧的初始压力能够>3个灭弧室的自闭力之和，能够维持在分闸位置[11]。考虑强冲击情况下防止触头短时闭合，两个主反力弹簧的初始压力应该比较大的>3个真空灭弧室的自闭力之和[12]。即

2F11>3F3

(1)

在对分闸速度进行理论计算时，将分闸过程分为超行程之内(即刚分速度之前)和刚分之后两个阶段[13]。

2.1 超行程之内

由于真空灭弧室是水平放置[14]，因此在此阶段时的分闸主动力有主反力弹簧力、触头弹簧力，阻力是各机械零件连接处的摩擦力。

(1)触头弹簧力做功。触头弹簧有3个，其做得总功为

(2)

式中，超行程量X=Δx22-Δx21；F22为触头弹簧的终压力(闭合状态)；K2为触头弹簧的刚度系数；Δx22为触头弹簧的终压缩量；Δx21触头弹簧的初始压缩量；

(2)分闸反力弹簧做功。因为分闸弹簧有两个，因此其做得总功为

(3)

(3)摩擦阻力功。在工程实际中用机械效率η来等效，η一般取0.6～1。由于该驱动机构是直动式，因此机械传动零件很少，机械动力传递过程中的损失很小，所以此处效率值可取η=0.9以上。

在动触头超行程内，触头弹簧和主反力弹簧释放的能量用于给驱动机构加速。所以有

(4)

式中，驱动机构绕转轴的转动惯量J=m0r2；ω为驱动机构的旋转角速度；m0为驱动机构的质量；r为驱动机构对转轴的回转半径；

(4)刚分速度的计算。在碰撞的瞬间，对转轴的动量矩守恒

Jω1=Jω2+mvl2

(5)

式中，动触头的刚分速度v=ω2l2；ω1为驱动机构碰撞前的角速度；ω2为驱动机构碰撞后的角速度。

2.2 动触头刚分之后

在该阶段，分闸的动力仅为主反力弹簧，触头弹簧不再发生形变。阻力为机械摩擦力和触头的自闭力。

(1)主反力弹簧做功

(6)

式中，Δx11为主反力弹簧的初始压缩量。

(2)触头的自闭力做功

(7)

主反力弹簧释放的能量用于给动触头和驱动机构加速运动。因此利用能量方程得

(8)

式中，v3=ω3L2；v2=ω2l2。可以求解出ω3和v3。

将上述公式离散求解后，可以绘制出分闸的速度曲线，可以进一步求解出分闸全过程的平均分闸速度，即

(9)

3 设计校核

3.1 校核接触器分闸状态应满足的条件

根据上述理论分析，要先计算出超行程之内和刚分之后两个阶段的做功情况，并在此基础上计算接触器的平均分闸速度。

根据实际的接触器参数可得2F1=2×174=384 N,3F3=3×95=285 N。满足2F11>3F3，能够看出接触器的动作部分可以停在分闸位置。

3.2 校核分闸速度

利用上述分闸理论计算和实际的接触器参数，可以计算获得如图3所示的分闸速度曲线。

图3 分闸速度理论计算曲线

刚分速度为0.83 m/s,全程平均分闸速度为0.9 m/s∈0.7±0.3 m/s,在所要求的范围内。图4显示的是使用UG软件模拟的分闸速度曲线，刚分速度为0.65 m/s，平均分闸速度为1 m/s。

图4 UG模拟的分闸速度曲线

其误差主要是由于UG软件模拟时，碰撞系数的设置以及理论计算中能量耗散系数的设置所造成的,

但结果都在所要求的范围内[15]。

4 结束语

分闸速度是中压真空接触器最主要的机械特性参数之一，分闸速度能否达到要求，是影响真空接触器电性能指标的关键。本文以中压真空接触器为基础，通过建模，对接触器的分闸原理以及分闸速度进行了分析、理论计算和校核，并且用UG模拟出分闸速度曲线，给出误差原因分析，表明真空接触器的分闸速度符合要求。

[1] 熊泰.真空开关电器[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[2] 张冠生,丁明道.常用低压电器及其应用[M].北京:机械工业出版社,1982.

[3] 熊伟,胡景泰,胡吉庆,等.低压真空接触器的现状和发展状况[J].低压电器,2014(5):1-4.

[4] 王季梅,吴维忠,魏一钧,等.真空开关[M].北京:机械工业出版社,1983.

[5] 王喆.高压熔断器串真空接触器(F-C)回路[M].北京:中国电力出版社,2015.

[6] 周志敏,纪爱华.低压电器应用问答[M].北京:化学工业出版社,2015.

[7] 张云杰,尚蕾.UG NX 8.0从入门到精通[M].北京:电子工业出版社,2012.

[8] 张小凯.真空接触器动力学模型的仿真[J].低压电器,2014(1):27-29.

[9] 唐武进,耿英三,陈德桂,等.基于三维有限元的直流接触器电磁系统特性计算[J].电气开关,2004(2):23-25.

[10] 余晓松.船用真空接触器合闸研究[J].电器与能效管理技术,2015(13):11-13.

[11] 王春丽.高压真空接触器故障原因分析及预防[J].中国高新技术企业,2010(33):48-49.

[12] 王瑛,蔡威,邹积岩.真空开关触头的运动特性研究[J].高压电器,1997(2):13-15.

[13] 方鸿发.低压电器及其测试技术[M].北京:机械工业出版社,1982.

[14] 张洋.真空灭弧室内部电场分布的分析与仿真[J].电子科技,2015,28(6):108-114.

[15] Stoving P N,Bestel E F.Finite element analysis of AMF vacuum contacts [C].Netherlands:IEEE 18th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum,1998.

Analysis of and Research on the Opening Speed of the Medium Voltage Vacuum Contactor

SHI Can1, ZHUANG Huogeng2

(1.School of Optical-Electronic and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute Co, Ltd, Shanghai 200063, China )

Closing speed is one of the most important mechanical characteristics of the vacuum contactor. In order to verify whether the opening speed of the existing contactor meets the requirements of the mechanical properties of the contactor, the paper uses the UG software to build a model to calculate the contactor opening speed and check the actual design. The UG software is also used to simulate the opening speed curve, indicating that the average opening speed is within the requirements of the contactor mechanical characteristics.

vacuum contactor; opening speed; UG software; opening speed curve

2016- 10- 08

石灿(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：直流接触器的动态特性。庄火庚(1962-)，男，教授。研究方向：电机与电器。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.022

TM572

A

1007-7820(2017)02-084-03