高压断路器辅助开关分断能力研究及结构优化设计

高压断路器辅助开关分断能力研究及结构优化设计

金立军;王珂;刘坚钢;闫书佳;张勇

【摘要】对FK-口型辅助开关灭孤室进行二维数学建模,分析其内部电场强度分布,推导出电流过零后介质击穿的判断条件,对灭弧室结构进行优化,达到降低电场强度,使电场分布趋于均匀的目的,为辅助开关的优化设计提供了有效的解决方法.%In order to reduce the electric field maximum and homogenize the electric field distribution, a twodimensional numerical model for arc-quenching chamber of FK-square auxiliary switch was established to analyze the internal electric field distribution. Based on electric-field simulation, we know that the electric field distribution is uneven, and maximum is located at the interval between moving and static contacts. It was the weak spot for dielectric breakdown. To improve the breaking capacity, the dielectric strength is calculated using a bit uneven electric field theory, and a judgment condition of dielectric breakdown after current was zero was given. The dielectric strength is in inverse proportion to electric field. To avoid the breakdown failure, the shape of contacts and wall structure of arc-quenching chamber are optimized. By optimization, we know that the contact shape has more influence on electric field distribution. Finally, by the total optimization, the electric strength is decreased, arcing performance is improved, and that was tested by experiment. The research provides the direction for optimization design of auxiliary switch.

【期刊名称】《电工电能新技术》

【年(卷),期】2011(030)004

【总页数】5页(P60-63,83)

【关键词】辅助开关;分断能力;结构优化

【作者】金立军;王珂;刘坚钢;闫书佳;张勇

【作者单位】同济大学,上海201804;同济大学,上海201804;宁波耀华电器厂,浙江慈溪315324;同济大学,上海201804;同济大学,上海201804

【正文语种】中文

【中图分类】TM561.5

高压断路器辅助开关是连接在高压断路器操动机构主动杆轴上的低压信号开关，常作为二次控制回路中的分、合闸控制开关以及联锁保护接点。辅助开关的分断能力及电寿命是衡量断路器可靠性的重要指标，对应于辅助开关的不同负荷，要有相应的分断能力。目前的FK—口型辅助开关，在开断常见的5A负荷电流时，燃弧时

间较长，触头烧蚀严重。本文通过对现有灭弧室结构优化，提高了开断能力，减少了燃弧时间，延长了辅助开关触点寿命，对保证高压断路器的可靠性具有重要意义［1］。

本文的研究对象为FK—口型辅助开关，所带负荷为550kV的高压SF6断路器，

该开关电寿命达到5000次。它适用于交流50Hz、额定工作电压380V的电路中，额定工作电流为5A，辅助开关结构图见图1。

辅助开关的主要作用是控制分合闸回路的切换、连锁和保护。图1(a）为辅助开关的外形图，它由主轴，多对动静触头组成。根据主轴旋转所到的规定角位置，使得不同的触头元件实现接通或者分断。图1(b）为辅助开关灭弧室的剖面图。其中，

触头材料采用铍青铜，灭弧室壁面采用聚乙烯材料。动静触头采用圆周滑动压接方式连接，操动机构带动辅助开关主轴旋转时，使连接在主轴的动触头发生转动，与静触头接通，输出分合闸信号。控制信号发送至合分闸线圈，使断路器的操动机构动作，完成“C-O”和“C-O-C”操作。

辅助开关动触头在主轴带动下转动，当动静触头分离时，分断交流电路，会在触头间产生电弧。断口间发生着两个过程。一是弧隙介质强度恢复过程，另一个是触头间隙恢复电压变化过程，如电弧电流过零后电弧不再重燃，触头间电压最后必然增高到电源电压。电弧不会发生重燃的条件是电流过零后弧隙介质恢复强度曲线大于恢复电压变化曲线。

辅助开关灭弧室内弧隙间气体介质恢复强度与电场强度分布有密切关系。由于灭弧室内结构复杂，边界形状不规则，可用数值分析法中的有限元法求解电场分布。有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法。计算场域满足拉普拉斯方程:

等价变分问题为［2］:

采用有限元法，推导出上述变分问题的有限元方程为:

式中K为总刚度矩阵;φ为节点电位矩阵。

对上述方程，本文采用Ansys有限元分析软件求解，用APDL语言对灭弧室进行参数化建模，能较精确地得到灭弧室内开断过程中电场分布的变化.

本文中，由于触头形状不规则，灭弧室结构复杂，故电场分布不均匀，并且是在大气压力下空气的击穿，应采用气体击穿理论中的流注理论来解释，结合不均匀电场击穿理论，得出不同操作条件下触头间隙冷态介质恢复特性。

介质恢复强度可用击穿电压表示为［3-4］:

Ud—触头间隙介质恢复强度;

d—间隙的距离，m;