塑壳断路器触头分断速度定量计算方法的研究

, 提高触头分断速度
可使电弧停滞时间迅速下降, 故提高触头分断速度 对提高断路器极限短路分断能力非常有利. 有关研
收稿日期 : 2005 03 01.
浙江大学学报 ( 工学版 ) 网址 : w w w . journals. z ju. edu . cn/ eng
作者简介 : 叶忻泉 ( 1956- ) , 男, 浙江温州人 , 教授级高工 , 从事从事低压电器技术开发与研究 . E mai l: r on gx iang@ cee. zju. edu. cn
图1
合闸位置触头机构简图 图3 br eaking 分断初时触头机构运动简图
F ig . 1 Simple fig ur e of contact dev ice on close position
2
断路器分断动作与分闸动作的区别
F ig. 3 M otio n f igure o f contact device o n initial
[ 2]
究表明 , 触头分断速度大于 6 m / s 时 , 对电弧停滞时 间的影响就非常小了 [ 3] , 且提高断路器触头分断速 度会带来许多不利影响 , 如导致产品机械寿命变短, 因此对触头分断速度的定量计算方法进行分析与研 究十分必要 . 由于触头分断时跳扣杆被解扣而参与 运动, 使触头机构的分断动作与分闸动作过程完全 不同, 即断路器分断过程中 , 触头机构由合闸状态下 的四连杆机构变为五连杆机构, 其受力情况和运动 关系非常复杂[ 4] . 本文通过对解扣后触头机构各杆
摘
1, 2 1 1
( 1. 浙江大学 电气学院 , 浙江 杭州 310027; 2. 温州大学 , 浙江 温州 325035) 要 : 针对塑壳断路器触头分断速度计算难的问题 , 提出了一种定量计算触头分断速度的方法 . 该方法分析了解
扣后 触头机构各杆件的实际受力情况和运动关系 , 利用质 点系动能原理 , 以等效杆 代替触头连 杆机构 , 结合微分 方 法精 确地计算出触头分断过程中各杆件的角位移、 角速度 关系式 , 以及 机构等 效转动 惯量、 等效力 矩 , 并 求解出 触 头分 断速度 . 结果表明 , 以 DZ20J 100 塑壳断路器为 实例计 算得到 的触头 分断速 度和分 断时间与 试验结 果基本 相 符 , 验证了算法的正确性 . 关键词 : 塑壳断路器 ; 触头分断速度 ; 电弧停滞时间 中图分类号 : T M 561 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 973X( 2006) 03 0448 06
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使动、 静触头迅速分离. 故此时触头机构可看作是由 基架 OECJ、 触头杆 OA 、 连杆 AB、 杆 BC 所组成的 四连杆机构. 当动、 静触头分离后触头反力 N 消失 , 此时连杆 BD 由于轴 B 受弹簧力 F 的作用仍压紧在 跳扣杆 DC 上, 即跳扣杆 DC 和连杆 BD 仍相 对静 止, 直至下述二种情况之一首先出现或同时出现为 止: 1) 当触头机 构运动到如图 4 所 示位置, 即 连杆 BD 上的 D 点从 KE 连线下方运动到 KE 连线上方 , 如 D 处 , 而 B 点尚未运动到 KE 连线下方, 如 B 处, 此时弹簧力 F 将迫使连杆 BD 绕 D 点做逆 时针方 向转动, 但杠杆 EH K 受弹簧力作用仍被紧 压在基 架 OECJ 上静止不动; 2) 当触头机构运动到如图 5 所示位置 , 即 B 点从 KE 连线上方运动到 KE 连线 下方, 如 B 处, 而连杆 BD 上的 D 点尚未运动到 KE 连线上方 , 如 D 处 , 此时弹簧 力 F 将使杠杆 EH K 绕 E 点顺时针方向迅速转动. 此后, 只要跳扣杆 DC 继续转动 , 因弹簧力 F 作用, 连杆 BD 与跳扣杆 DC 都将分离 , 即跳扣杆 DC 与连杆 BD 不再相对静止 , 至此触头机构才真正成了具有 2 个自由度的五连杆 机构 OABDC. 由于此时动、 静触头早已相距较远 , 即此时断路器分断电流的能力主要取决于断路器的 引弧和灭弧功能 [ 5] , 故只需分析从解扣瞬间到动、 静 触头分开瞬间过程中触头机构的运动情况, 当然还 可包括连杆 BD 与跳扣杆 DC 产生相对运动瞬间为 止这一过程的触头机构运动情况 , 以下简称这一过 程为触头分断过程. 4. 1 触头机构各杆件的角位移关系式的求解 以 O 为原点, OC 为 x 轴, 建立坐标系 , 如图 6 所示. 1) 求杆 BC 与杆 OA 的角位移关系式 由图 6 知: X A = L OA cos , Y A = L OA sin , X B = L O C - L BC co s , YB = - L BC sin . 则 L AB = [ ( L OC - L BC cos ) - L OA cos ] + [ ( - L BC sin ) - L O A sin ) - L OA sin ] 2 经简化得
断路器的分闸动作运动示意图如图 2 所示, 断 路器分闸动作是指触头机构中的跳扣杆 DC 被锁扣 I 锁住而处于静止的情况下 , 杠杆 EH K 在外力 ( 分 闸力 ) 的作用下绕 E 点顺时针转动, 直到 K 点由 BD 连线上方运动到 BD 连线下方 , 如图 2 中 K 1 位置 , 随着杠杆 EH K 继续转动 , 弹簧力 F 将使连杆 BD 绕 D 点逆时针转动并带动连杆 AB、 触头杆 OA 一 起运动, 导致动、 静触头分离的动作过程 . 断路器分断动作则是指无其他外力作用于杠杆
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触头机构各杆件分断过程的运动 关系研究
在触头机构解扣后的瞬间 , 跳扣杆 DC 在弹簧 力 F 和触头反力 N 等的 作用下, 迅速绕 C 点逆时 针转动 , 在弹簧力 F 的作用下, 连杆 BD 顶着跳扣杆 DC 一起运动 , 由于弹簧力 F 的作用, 轴 B 被紧压在 杆 DC 上, 此时杆 BD 和杆 DC 无相对运动 , 故可将 两者视为杆 BC, 并带着连杆 AB、 触头杆 OA 运动,
第 40 卷第 3 期 2006 年 3 月
Journal o f Zhejiang U niv ersity ( Engineer ing Science)
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V ol. 40 N o. 3 M ar. 2006
塑壳断路器触头分断速度定量计算方法的研究
叶忻泉 , 赵荣祥 , 吴茂刚
Abstract: Aim ed at t he dif f iculty of calculat ing m oulded case circuit breaker co nt act breaking speed, a quant itat ive arit hmet ic met ho d w as proposed. Pressure dist ribut ion and mov em ent relationship of bars w ere analy zed in the met ho d w hen t he cont act dev ice w as separat ed, and t he kinet ic energy t heorem o f par t icles syst em w as int roduced t o replace cont act device w it h equivalent bars. Af t er t he relat io n expressio ns of ang le m ovement and ang le speed w ere deduced combining w it h dif f erent iat ion met ho d, t he equivalent mom ent of inert ia and equiv alent mo ment of t he device w ere obt ained, and the cont act breaking speed w as calculat ed. Result s show that br eaking speed and breaking t ime of t he cont act calculat ed by t he met ho d are basically equal t o ex perimental result s by using DZ20J 100 m oulded case circuit breaker as example, and validit y o f t he m et hod is pr oved. Key words: mo ulded case circuit breaker( M CCB) ; cont act breaking speed; arcing st andst ill tim e 极限短路分断能力是断路 器关键技术指 标之 一, 断路器触头分断短路电流后, 动静触头间产生的 电弧能否迅速离开并快速熄灭是提高断路器极限短 路分断能力的关键所在, 动静触头分离后电弧在触 头上的停留时间 ( 电弧停滞时间 ) 越短越好 [ 1] . 研究 表明 , 动静触头分离速度即触头分断速度是影响电 弧停滞时间的一个重要因素
Fig . 2
图 2 分闸时触头机构运动简图 M ot ion fig ur e of contact dev ice on breaking
EH K 上, 即杠杆 EH K 不动 , 而是由于断路器解扣 后 , 触头机构中的锁扣 I 对跳扣杆 DC 的限制作用 消失, 增加了自由度, 在此瞬间, 在弹簧力 F 和触头 反力 N 及重力 W 等作用下 , 连杆 BD 钩着跳扣杆 DC 一起 , 立即绕 C 点逆时针转动, 并带动连杆 AB、 触头杆 OA 一起运动 , 迫使动、 静触头分离 , 如图 3 所示. 由此可见分闸动作和分断动作完全不同, 前者 是靠外力作用于杠杆 EH K, 使杠杆 EH K 位置产生 变化而带动连杆 BD 绕 D 点转动, 而使动、 静触头分 离; 后者则是由于触头机构解扣后跳扣杆 DC 失衡, 连杆 BD 在弹簧力 F 和触头反力 N 及重力 W 等的作 用下, 顶着跳扣杆 DC 一起绕 C 点逆时针转动 , 而自 行快速分离动、 静触头的. 两者的根本区别在于: 前者 是跳扣杆 DC 静止不动, 后者是跳扣杆 DC 运动.
Study on breaking action characteristics of moulded case circuit breaker contact
YE Xin quan
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, ZH AO Rong xiang , W U M ao gang
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( College of Electr ical Eng ineer ing , Zhej iang univer sity , H ang z hou 310027 , China)
第3期
叶忻泉, 等 : 塑壳断路器触头分断速度定量计算方法的研究
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件的实际受力情况和运动关系的分析, 提出利用质 点系动能原理和微分的方法, 借助计算机技术对触 头机构各构件在分断动作过程中的几何与力学特点 进行分析研究, 从而推导出定量计算触头分断速度 的方法.
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常见塑壳断路器触头机构的构成
常见塑壳断路器在正常安装位置处于合闸状态 下的 触 头 机 构 结 构 简 图 如 图 1 所 示 , 其 中 基 架 OECJ、 触头杆 OA 、 连杆 AB 、 连杆 BD、 轴 B、 跳扣杆 DC 、 锁扣 I、 杠杆 EH K 、 安装于杠杆上 K 点 和连杆 上 B 点的机构弹簧 BK 等组成触头机构, 触头机构 受到的作用力主要有 : 作用于杠杆上 K 点和连杆上 B 点的弹簧作用力 F 及反作用力 F ( F = F ) 、 作用 于触头杆 OA 上的触头反力 N 及重力 W 等 . 当跳 扣杆 DC 被锁扣 I 锁住时 , 就相当于与基架 OECJ 合 为一体, 由于杠杆 EH K 在 K 处受到使杠杆 EH K 绕 E 点逆时针转动的弹簧力 F 的作用, 且因 基架 OECJ 限制而被紧压在基架上不动, 轴 B 由于弹簧 力 F 作用被紧压在跳扣杆 DC 上 , 整个四连杆机构 因作用于轴 B 的弹簧力 F 和触头反力 N 等共同作 用下而处于平衡静止状态, 这就是断路器处于合闸 位置的触头机构 .