張海根, 程少勇, 付志超

(上海電氣輸配電集團(tuán)技術(shù)中心, 上海 200042)

0 引 言

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(Automatic Transfer Switching Equipment,ATSE)主要應(yīng)用在不能斷電的重要場所。當(dāng)該場所電力應(yīng)用受到限制、電源過載或發(fā)生故障時(shí),負(fù)載需要在毫秒級的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)電源切換到另一個(gè)電源,ATSE能夠滿足這種需求[1-2]。作為頻繁操作的ATSE,標(biāo)準(zhǔn)要求在多次接通與分?jǐn)?0倍額定電流后依然擁有近萬次的電氣壽命[3],如果滅弧系統(tǒng)不能快速熄滅電弧,將嚴(yán)重?zé)龘p動(dòng)靜銀觸點(diǎn),進(jìn)而影響自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的接通與分?jǐn)嗄芰Α?/p>

本文研究如何通過改進(jìn)優(yōu)化ATSE的接觸與滅弧系統(tǒng)以提升產(chǎn)品的接通與分?jǐn)嗄芰Α?/p>

1 接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)中出現(xiàn)的問題分析

現(xiàn)有某型250 A自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān),進(jìn)行接通與分?jǐn)嗖僮鲿r(shí),轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)下連桿運(yùn)動(dòng),下連桿帶動(dòng)動(dòng)觸頭組件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行接通與分?jǐn)嗖僮?。在接通時(shí),觸頭彈簧在支架的作用下為觸頭提供觸頭壓力;在分?jǐn)鄷r(shí),動(dòng)、靜銀點(diǎn)間產(chǎn)生電弧,電弧隨著動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)進(jìn)入滅弧室,滅弧室柵片切割并熄滅電弧。接觸與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在進(jìn)行接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)過程中,出現(xiàn)導(dǎo)電回路在合閘時(shí)不能接通的現(xiàn)象,拆機(jī)后發(fā)現(xiàn)動(dòng)銀點(diǎn)燒損嚴(yán)重,合閘時(shí)動(dòng)靜觸頭不能接觸。試驗(yàn)后動(dòng)銀點(diǎn)燒損情況如圖2所示。

圖1 接觸與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 試驗(yàn)后動(dòng)銀點(diǎn)燒損情況

接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)波形如圖3所示。由圖3可知,常用側(cè)在6個(gè)周波內(nèi)電弧熄滅,其中B相燃弧時(shí)間為29.3 ms,而備用側(cè)電弧一直未被熄滅。電弧溫度達(dá)到6 000 K以上,周圍零件與之長時(shí)間接觸將被燒損甚至氣化[4-5]。電弧在動(dòng)、靜銀點(diǎn)之間停滯時(shí)間越長,銀點(diǎn)的燒蝕量越大[6-7],如圖2的備用側(cè)動(dòng)銀點(diǎn)被徹底燒完。

圖3 接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)波形

從吹弧磁場特性的角度對現(xiàn)有滅弧系統(tǒng)進(jìn)行磁場仿真分析。滅弧系統(tǒng)磁場分布如圖4所示。在激勵(lì)電流為2 500 A、觸頭與柵片間隙達(dá)13 mm的條件下,可計(jì)算出弧柱區(qū)Y軸負(fù)方向的磁吹力為1.54 N。

圖4 滅弧系統(tǒng)磁場分布

結(jié)合上述分析可見,在接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)過程中,磁吹力不足難以將電弧迅速地吹進(jìn)滅弧室柵片,電弧在觸頭間停留時(shí)間過長,導(dǎo)致銀點(diǎn)燒損嚴(yán)重。

當(dāng)動(dòng)、靜銀點(diǎn)開斷時(shí),如果能使電弧迅速離開銀點(diǎn)轉(zhuǎn)移到滅弧室中,即可減小電弧的停滯時(shí)間,將有利于提高銀點(diǎn)的壽命,可以通過改進(jìn)滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式,來提高弧柱區(qū)負(fù)Y軸方向的力,促使電弧更快進(jìn)入柵片。同時(shí),為減少動(dòng)、靜銀點(diǎn)的燒損,還可以設(shè)計(jì)引弧結(jié)構(gòu)來主動(dòng)承擔(dān)電弧的燒蝕[7]。

2 引弧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文在現(xiàn)有滅弧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增加了一種新型的引弧結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理:在合閘時(shí),動(dòng)、靜引弧先于動(dòng)靜銀點(diǎn)接觸,動(dòng)、靜銀點(diǎn)接觸后動(dòng)、靜引弧分開;在分閘時(shí),動(dòng)、靜銀點(diǎn)分離過程中,動(dòng)、靜引弧接觸,動(dòng)、靜銀點(diǎn)分離完成后動(dòng)、靜引弧分離;另外在滅弧室中設(shè)置引弧片配合動(dòng)、靜引弧將電弧導(dǎo)入至柵片。帶引弧的接觸與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

該引弧結(jié)構(gòu)不僅承擔(dān)將電弧快速導(dǎo)入至滅弧室的責(zé)任,還將主動(dòng)承受電弧的燒蝕以減少電弧對動(dòng)、靜銀點(diǎn)的燒蝕,需要?jiǎng)?、靜引弧采用耐高溫耐燒蝕的材質(zhì),銅鎢合金材質(zhì)的觸點(diǎn)正具有高電阻耐燒蝕的特征,本文在設(shè)計(jì)引弧結(jié)構(gòu)時(shí),在動(dòng)、靜引弧處焊接銅鎢合金觸點(diǎn)。改進(jìn)后的引弧結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 帶引弧的接觸與滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 改進(jìn)后的引弧結(jié)構(gòu)

同時(shí)觸頭與柵片的間隙縮短為5 mm,在激勵(lì)電流為2 500 A條件下,對改進(jìn)后的滅弧系統(tǒng)進(jìn)行磁場仿真分析,可計(jì)算出弧柱區(qū)Y軸負(fù)方向的磁吹力為4.79 N,相比原始方案提升了200%,更利于電弧快速進(jìn)入滅弧室,減少電弧在觸頭間停留的時(shí)間,可改善滅弧效果。改進(jìn)后滅弧系統(tǒng)磁場分布如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后滅弧系統(tǒng)磁場分布

3 試驗(yàn)論證

根據(jù)上述方案制備樣機(jī),成功完成了接通與分?jǐn)嗄芰︱?yàn)證試驗(yàn),且試后溫升低于國標(biāo)規(guī)定的80 K[3,8],拆機(jī)后,改進(jìn)后ATSE動(dòng)、靜銀點(diǎn)燒損情況如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后ATSE動(dòng)、靜銀點(diǎn)燒損情況

接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)波形圖如圖9所示。由圖9可知,常、備用側(cè)在4個(gè)周波內(nèi)電弧熄滅,其中常用C相燃弧時(shí)間為15.3 ms,備用C相燃弧時(shí)間為9.61 ms,相對原始設(shè)計(jì)均有較大幅度的降低。另外,電弧主要燒損的是動(dòng)、靜引弧,動(dòng)、靜銀點(diǎn)保存得比較完好,為完成后續(xù)驗(yàn)證試驗(yàn)打好基礎(chǔ)。

圖9 接通與分?jǐn)嘣囼?yàn)波形圖

4 結(jié) 語

在原ATSE滅弧系統(tǒng)中增加了引弧結(jié)構(gòu),并調(diào)整了觸頭與柵片間距以增大磁吹力,顯著降低了在接通與分?jǐn)嗉半姎鈮勖囼?yàn)中動(dòng)、靜銀點(diǎn)的燒損狀況,提升了該250 A規(guī)格ATSE的接通與分?jǐn)嗄芰?通過了相關(guān)試驗(yàn)的檢測。