减轻输电等级真空断路器动熔焊效应的合闸速度优化理论

上节中的分析表明，熔焊力与合闸过程中的燃弧能量相关。在电压和电流一定的条件下，燃弧时间决定了熔焊力的大小。燃弧时间由预击穿燃弧和弹跳燃弧两部分构成。实践表明，合闸速度会在很大程度上影响预击穿和和弹跳过程。

图6-1所示是真空断路器进行合闸操作时触头间产生电弧的示意图。从图中可以看到，合闸燃弧过程可以分为两部分，即预击穿过程和弹开过程。一旦在合闸过程中产生预击穿，电弧就会在触头之间产生，并流过主回路电流，直至触头完全接触，预击穿电弧熄灭。相比中低压等级真空断路器，输电等级真空断路器在关合过程中触头间承受的电压更高，会在较大的开距下发生预击穿，并且预击穿电弧的燃弧时间也会大大增加，对动熔焊的影响不可忽视。因此，仅从预击穿过程来看，高电压等级真空断路器应当适当增大触头合闸速度，减小因预击穿效应产生的动熔焊。

图6-1 触头合闸过程示意图

但是从另一方面来看，机构的合闸速度越快，动触头在碰撞前所具备的动能也就越大，从而在触头碰撞后造成的触头弹跳的持续时间就越长，真空断路器的操作机构产生的振动也越严重。在高电压等级真空断路器中，这一现象比中压断路器更为严重。

在弹跳过程中，触头之间同样会有电弧产生，电弧同样也会熔蚀触头。弹跳时间越长，触头间燃弧能量也越大，同样也会增大触头间发生熔焊的可能性。

因此，对于高电压等级真空断路器需要找到适当的合闸速度，使预击穿时间和弹跳发生时的燃弧时间总体最短，触头的熔焊程度最低。这也就是合闸速度优化计算的目标。研究过程有如下几点假设：

1）一旦触头之间发生预击穿，假设击穿瞬间即刻产生电弧，并且电流开始流过。在此假设下预击穿过程的燃弧时间就是发生预击穿时的触头开距除以触头平均合闸速度。

2）弹跳时间定义为合闸过程中触头弹开时间的总和，即弹跳过程中触头的总弹开拉弧时间。(www.xing528.com)

3）触头假设为绝热的，合闸过程中产生的全部电弧能量都用来熔焊触头。因此总的熔焊时间为预击穿燃弧时间和弹跳燃弧时间之和。

4）针对可能会发生动熔焊的最严酷情况进行研究。即预击穿时间与弹跳时间均为可能发生最长的情况。

在以上假设条件下，对动触头在预击穿开距内的平均合闸速度v_P进行优化，其目标是将预击穿燃弧时间T_P和弹跳燃弧时间T_B之和即总的燃弧时间T_W最小。对于预击穿过程，两触头间的预击穿燃弧时间T_P可以表示为T_P=d/v_P。对于弹跳过程，通过试验测量合闸过程中的平均速度v_P与合闸弹跳时间T_B的关系为：T_B=T（v_P）。综上可以得到，真空断路器合闸时触头合闸过程中的燃弧时间T_W与优化合闸速度v_P的关系为

式中 d——真空灭弧室在工作电压下的预击穿开距；

v_P——真空断路器预击穿发生到触头刚碰的平均合闸速度；

T（v_P）——真空断路器合闸过程中触头的弹跳时间与平均合闸速度v_P的函数关系。

对此函数可以找到使得燃弧时间T_W最短的速度v_P。因为具体参数都需要和实际断路器结合。首先，通过实际测量断路器灭弧室的静态工频击穿特性获得击穿电压与开距的关系，从而得到关合额定工作电压时的预击穿开距；然后，通过对断路器进行空载关合试验，得到不同合闸速度与弹开时间的关系；最后通过这些实测数据，得到实际真空断路器不同合闸速度下合闸过程中所产生的燃弧时间函数关系。