长寿命真空灭弧室的设计要点

2017-11-30张桢

科技与创新 2017年21期

关键词：波纹管真空断路器

张桢

（宝鸡市晨光真空电器股份有限公司，陕西宝鸡 721006）

长寿命真空灭弧室的设计要点

张桢

（宝鸡市晨光真空电器股份有限公司，陕西宝鸡 721006）

真空灭弧室作为断路器的主要元器件，其机械寿命不仅由其自身的性能决定，还与其相匹配的断路器和开关的机械运动性能有关，包括分合闸速度、分合闸同期性和开距等。对真空型灭弧室的内部结构的优化设计、改善波纹管的加工工艺、减小灭弧室回路电阻等因素进行了探究，重点分析了波纹管的材质、加工技术、表面处理技术和整体回路电阻，从分析结果出发，对真空灭弧室中存在的问题以及组装工艺进行了探究，对长寿命真空灭弧室的设计提出了优化方案。

长寿命；真空灭弧室；波纹管；接触电阻

本文对长寿命真空灭弧室的设计和制造方法进行了探究，总结出一些延长灭弧室寿命的方法。以TD-12/1600-31.5真空灭弧室为研究对象，其主要应用于ZN28，ZN65，ZN63，ZN68型号的真空断路器中。在ZN28-12K/T1250-31.5断路器上进行寿命测试实验，实验结果论证，优化结构后的长寿命真空引弧室的寿命可达10万次。

1 长寿命波纹管的优化方案

TD-12/1600-31.5真空灭弧室的外壳制造原料主要为氧化铝陶瓷，其触头结构为杯状纵磁结构，陶瓷材质外壳与不锈钢盖板之间使用无氧铜进行过渡式封接，内部的金属元器件都使用AgCuNi焊料进行钎焊。完善长寿命真空灭弧室整体设计的要点是优化波纹管的设计方案，因为波纹管的寿命在一定程度上决定了真空灭弧室的机械寿命。因此，在具体工作中，要重点对波纹管的结构进行优化设计。由以往灭弧室实验结果可知，波纹管最常见的故障部位是波纹管的2个端头，大多数情况下，故障出现在2个端口的第1个、第2个波谷位置。出现这种情况的主要原因是波纹管在工作的过程中会经常被外界的力量所强制压缩或者拉伸延长，而波纹管两端的第1、第2个波会首先受到外界的冲击力，而且长寿命真空灭弧室的波纹管具备弹性滞后性和弹性后效性，所以，波形管受到外界冲击力后首先受到损害的是波纹管端口的第1、第2个波谷位置。

优化长寿命波纹管需要波纹管的外形尺寸以及整体质量与设计要求相符，并且要求波纹管的表面不能有肉眼可见的裂纹、垫坑、划伤或者色泽不均匀等情况，因为这些情况会严重影响波纹管的使用寿命。波纹管加工完成后，一定要保证其管壁的各个位置厚度均匀，采用专用定型模具，保证波形为纯“S”形。另外，长寿命波纹管的晶粒度要在7～8级之间，其内部波形要求光滑度高、均匀性好，不能存在波形歪斜的情况，而且还要为波形管的气密性、使用寿命和刚度提供保证。长寿命波纹管的加工管坯要选取含碳量低于0.08%的不锈钢薄壁管，一般会选用1Cr18Ni9Ti为主要原材料的管坯，对管坯的要求是表面无发纹、无划伤、无起皮等。在旋压加工的过程中，要使用2次旋压的加工方式加工不锈钢薄壁管，第一次旋压要少量快速，这种方式有助于矫正其管壁的薄厚均匀性，同时，还能防止因为旋压量过大而使不锈钢薄壁管出现硬化的情况；第二次旋压加工可以选用缓慢旋压的方式，应用这个方法时，可将其旋压至设计的尺寸位置，要保证不锈钢薄壁管的粗糙程度在Ra1.6左右。在退火过程中，要将退火的温度设定在（1 050±50）℃的范围内，保温时间要控制在10～15 min，让其晶粒度至少为8级。在波纹管成形的过程中，要将压力控制在（50±5）kN，否则压力过大会直接导致其管坯出现破裂的情况，对其施加的压力过小则得不到设计方案要求的波形。在最终定型的过程中，要使用专业的模具。在这个过程中要注意轻拿轻放加工好的波纹管，以避免波纹管的表面被现压伤、划伤或者磕碰。

2 改善灭弧室使用寿命的方法

真空灭弧室的回路电阻对降低真空断路器长期工作下的温升有直接影响，从而降低真空灭弧室的可靠性，影响真空灭弧室的机械寿命。因此，相关工作人员要采取科学的方法来减小真空灭弧室的回路电阻。真空灭弧室的回路电阻通常占真空断路器回路总电阻的40%～60%，真空灭弧室是真空断路器的主要发热元件。要想改善真空灭弧室的回路电阻，可以从以下几方面考虑。

2.1 电阻率

在同样的环境下，电阻率较高的接触材料电阻较高。

2.2 硬度

相同材料不同硬度的器件相比，硬度较大的材料电阻较大。因此，在选择元件时，要选择硬度较小的元件。

2.3 接触的几何形状

从接触点几何形状的角度分析，其尺寸大小、形状、表面光洁度等因素都会影响电阻的大小。当接触压力一定时，接触位置的曲率半径越大，则其电阻值越小，表面光洁程度越高，电阻值越小。因此，应当选用表面较为圆润、光洁程度高的元件。

2.4 接触面积

接触面积越大，接触电阻越小，而动触头与静触头之间的接触电阻在整体电阻中所占比大约为2/3，因此，减小真空灭弧室接触电阻，可以有效延长真空灭弧室的使用寿命。鉴于此，相关人员可以改进其触头设计。真空断路器在闭合状态时，其触头几乎不可能接触完全，一定会有一些夹角，所以，电流流经时会出现一些分支电流，这样会额外增加真空灭弧室的电阻。R型触头中心为凸台状，并且面积小，有利于电流直接从灭弧室的触头层到达导电杆，这样可以避免触头之间有多余的接触，不会增加额外的接触电阻。

2.5 焊点

在设计真空灭弧室主导电回路时，要尽量减少元件的焊接点数量。同时，缩短真空灭弧室的导电回路也可以减小真空灭弧室的电阻，从而保证真空灭弧室的运行可靠性。

2.6 触头厚度

在实际工作中，减小真空灭弧室中触头部分材料的厚度也可以达到减小电阻的目的。真空断路器所使用的触头多选用CuCr25～50材料，其导电率比较低，仅为无氧铜导电率的1/3，因此，触头材料的厚度也会影响真空灭弧室的回路电阻，其应用的杯状触头需要将其加工成独立的元件。为了不影响其强度，不能将其加工得太薄，一般设计厚度为3～4 mm。而R型触头的触头材料和磁场系统是集成式制造的，因此，R型触头材料的主导电部分可以适当做薄，一般情况下会将其厚度做到2 mm。