真空断路器触头寿命

真空断路器触头寿命评价 1 前言 购买重合器或断路器是一项投资，为做好这项投资，很多用户越来越关注断路器开断故障电流的次数。虽然评价触头寿命应综合考虑多种因素，但触头磨损量的测量是考察触头寿命的关键因素。开关设备的某些技术（诸如真空断路器，尤其是纵磁场真空断路器）已大幅度提高了其有效寿命。适应这一发展趋势，真空开关设备制造商已开始测量其产品的电寿命，测量方法很多，可归纳为以下几种： 1） 机械寿命：在排除异常磨损的条件下，测量操作机构与触头可完成的空载分闸操作次数。这种情况下，典型的机械寿命为10，000次。但此时触头上无电流流过，其负载仅仅是机械负载。 2） 交流电压下的机械寿命：这种情况类似于1），但触头间要施加一定的交流电压（典型情况为施加设备的额定电压，约15~38kV；或施加相应的工频耐受电压，约50~70 kV。该项检测常用于诊断——即如果设备无法耐受所施加的电压，则说明其真空度下降。利用这种方法进行触头电寿命评价，典型操作次数（寿命）仍为10，000次，但测试单元常常串联一个限流电抗器，这样，流过样机的电流很小，可以忽略不计。 3） 分合负载电流：触头在交流电压下分合一定电流的回路，但此时的电流被限制在负载电流等级（400~800A）。这种情况下的操作次数（寿命）明显小于前两种情况，典型操作次数为2，500次。有时要执行类似操作方式（如下文所述）的试验，这种情况下选用额定电流的不同百分比，切记，此时的百分比是负载电流的百分比，而非故障电流的百分比。此时的操作次数可能有所提高，约为4，000次。 4） 开断故障电流：这种情况下，触头将开断或关合交流电压下可能出现的故障电流。这种开合操作一般进行一个操作方式的试验，如ANSI 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 C37.60[1]规定的操作方式。为确定100%故障电流下的开断次数，常常将较低电流的开断推广至整个电流范围。这将在5）中讨论。 5） 向整个寿命范围推广： 这种情况与4）类似，但要测量触头的最终磨损。一次操作循环后，测得的典型的触头磨损量大约为0.1~0.5mm。以允许触头磨量（3mm）为基础，利用该结果，可推断出头的电寿命，典型情况下大约可完成500次故障电流开断。这种寿命判定方法仅仅在特定情况下有效。 归纳上述不同测量方法之间的相互关系是比较困难的，如果选用一种方法获得寿命数据，其他测量方法可能引起误导。电寿命测量应选取标准化测量方法。 2 操作方式与推测 ANSI C37.60定义的真空重合器的典型的操作方式包括3个等级116次故障电流开断：即满容量(在100%额定短路开断电流下)开断16次，50%额定短路开断电流下开断56次，20%额定短路开断电流下开断44次。这一操作方式的实际定义是代表触头寿命的一半，触头全寿命应由2次这样的完整操作方式来代表。 ANSI C37.61附录B与附录C[2]介绍了这一操作方式的来源，以及利用这一操作方式所进行的开断次数来推测某特定故障电流水平下等效开断次数的方法。从来源上讲，该操作方式是为油断路器规定的，但可以作为真空触头的评价基础。 以两次操作方式，即一次完整的寿命方式在12.5kA产品上的试验为例，总方式系数可推导如下： （1） 因此，总方式系数可转化为等效的开断次数： （2） 应当注意的是，对于油断路器，选用了1.5次方的加权指数。对于真空灭弧室，如果触头间的电弧在低电流水平（如分合负载电流或小故障电流）下为扩散型，或触头为纵磁场结构，则传统上选用的加权指数为1，因此操作方式重新计算如下： （3） 如上所述，总方式系数可转化为等效的开断次数： （4） 这种关系可用图1表示，图中给出了不同电流水平下，（2）式、（4）式的预期寿命曲线。但值得注意的是，这两种曲线都未考虑其它因素，如燃弧时间、频率或非对称性。 3 电流/时间积分 本文作者推荐在触头寿命测量中，利用电流/时间特性积分，作为比较电弧扩散型真空灭弧室电寿命的通用基础[3]，。该积分等于在触头间发生燃弧的时间区间内对触头的开断电流进行积分。其计量单位是A·s，或为了方便常采用kA·s。对于有效值为12.5kA的故障电流，如果触头刚好在一个电流零点后分离，如图2a所示，则电弧可持续故障电流的半个周波，直到下一个电流零点灭弧。在60Hz情况下，电流的时间积分为： （5） =0.094kA·s 如果触头在电流峰值时才分离，如图2b所示，则燃弧仅持续故障电流的四分之一周波，这样： （6） =0.047kA·s 显然，该值取决于操作机构特性。但是，如果假设机构开始分闸的时间是随机的，且所有电弧在电流零点熄灭，则触头平均的分离时刻为电流峰值点。同样也可以假设非对称性也可以得到补偿，并平均至对称波形。但实际试验中如果 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 了电流波形，则没必要进行这些假设，并可对每个个别区间进行积分。 然而，为评价试验后的电流/时间积分，这些假设可以作为评价指南。上述五种情况（第一章前言所述）下以电流/时间积分表示的短路电弧水平近似值见表1。 在这5种开断条件下，500次短路电流开断达到了其开断次数的最高水平。但回顾上文可知，这是以几次开断操作为基础进行的推断，并未实际进行500次开断操作。但获得开断次数数据与电流/时间积分数据是很有必要的。 4 合成试验 在Cooper Power System公司的合成实验室对一个12.5kA纵磁场真空灭弧室进行了试验[4]。在合成回路中，故障电流与恢复电压来源于一个调谐电路，而非发电机。试验回路见图3。回路的前半部分提供故障电流，正好在电流零点前，投入后半部分回路，提供恢复电压，同时切除前半部分回路。由于合成试验定时精确，触头可在电流周波上事先确定的点分离，从而消除了上述机构定时的随机性。在这次试验中，从触头分离开始，燃弧时间均为半个周波，对应于图2a所示条件。被试12.5kA Cu-Cr触头在开断前典型的表面状况见图4。 试验后，观察到试验单元进行了116次故障电流开断，故障电流值大小各异，在8~24kA之间。请注意，该试验采用合成电流波形，灭弧室的额定开断电流仅为12.5kA，而应用较高的电流值是为了模拟非对称条件。通过对每一次开断分别积分，并对结果进行求和，该单元开断电流的时间积分合计达到16.5kA·s。通过对触头检查发现，触头的平均磨损总量为1.4mm，仍然小于典型磨损极限3mm。试后的触头状况如图5所示。触头表面出现轻微变色，这是由于触头检查过程中表面氧化所造成的。 在试验中，这些触头保持稳定的极性，即一侧触头始终保持阳极，而另一侧触头却始终保持阴极，因此触头磨损不均匀。在典型的实际工况中，由于极性是随机的，每个触头作为阴阳极的概率是平均的。鉴于这个原因，本文作者又一次 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了更为大胆的试验程序，见表2。通过一个试波器记录每次开断过程中燃弧电流/时间积分的实际值，试验后，通过附加的短路电流开断试验来验证触头的正常开断能力。12.5kA试品在前期开断试验中的电流曲线、交流电压曲线以及触头行程曲线分别见图6a、图6b和图6c；12.5kA试品在后期验证性试验中的电流曲线、交流电压曲线以及触头行程曲线分别见图7a、图7b和图7c。如图所示，触头即使在完成规定方式的开断后仍能进行相同的开断操作。 在整个试验中，这些触头完成了523次短路电流的开断操作，电流/时间积分为54.5kA·s[5]。如果转化为12.5kA水平的等效开断操作，则触头等效于完成了581次12.5kA/60Hz半周波燃弧（见图2a）的开断操作，或等效于完成了1162次12.5kA/60Hz四分之一周波燃弧（见图2b）的开断操作。 试后，对该灭弧试进行了仔细检查，发现它仍能承受110kV的工频耐压，触头电阻从42(增大到75(，触头的平均磨损总量为2.5mm。试后触头状况见图8。 5 导出的等效方式 由于真空电弧是扩散型，而非收缩型，因此本文作者利用上述数据推算出了触头磨损量为2.5mm时开断任意故障电流的次数。这样，推测的寿命曲线是以固定的电流/时间积分为基础，见图9。该曲线假定了60Hz半波燃弧的保守预测条件，这样开断次数就有可能翻倍（图2b情况下）。如果频率为50Hz，则开断次数可能是曲线所示次数的 或83%，推测有效开断次数极为简单。 但是，电流/时间积分的真正含义究竟是什么呢？真空断路器的电寿命与其开断电流以及燃弧时间成反比这一命题直观上讲是成立的。事实上，上述方式系数也暗示了这一点。但实际情况如何呢？ 回顾上文可知，只有触头间电弧为扩散型，本文的推断方法才有效。如果开断电流较低（如开合负载电流水平或较小故障电流），则该推论成立。如果触头为纵磁场结构，对于更高的故障电流，该推论同样成立。在扩散型模式下，真空断路器的电弧特性良好，在电流峰值附近，电压曲线近似于恒定电压（即出现电压高台），参见图6b、图7b。 该电压高台值的大大取决于开断电流水平，8kA开断操作的电压高台值为32V，20kA开断操作的电压高台值为42V。故障电流水平提高150%，而电压高台值因此仅提高31%。假设某一时刻电压稳定，对A·s数进行求和，则该值与V.A.s数成正比。该V.A.s就是简单的功率/时间积分（W-s），或称为电弧能量（J）。换句话说，真空断路器触头的电寿命是电弧能量的函数。在从低到高的电流开断操作中，本文作者通过对电压做微量调整，已经认定第一组触头在对触头进行检查前约消耗电弧能量660kJ，第二组触头约消耗电弧能量2.0MJ。以2.0MJ电弧能量为基础推测的触头电寿命曲线见图9。 由于不同制造商的真空触头在设计上各不相同，因此全面预测实际电弧电压是很困难的。鉴于此，因大多数真空灭弧室实际开断电流应当低于其额定开断电流，故基于恒定电流/时间积分的电寿命预测简化了电寿命评价，并且比恒定电弧电能评价方法更加实用。但是，当与电弧非扩散型触头（如横磁场触头，有时也叫旋弧触头）进行比较时，可能有必要使用恒定电弧能量方法。 6 结论 在过去几年中，已经建议了几种记录与推测触头电寿命的方法，但利用这些方法却可能导出一些不同的，甚至相互矛盾的结论。为解决这一矛盾，并为真空触头提供一个通用的电寿命评价基础，本文作者推荐使用电流/时间积分方法。电流/时间积分方法以开断电流值大小与燃弧时间的长短为基础评价真空触头的电寿命。它能提供一个简单的方法用一个厂家的试验推测另一厂家产品的电寿命。 本文利用两组样机在合成回路进行试验。第一组触头在16.5kA·s后的平均磨损量为1.44mm，第二组触头在54.5kA·s后的平均磨损量为2.5mm。这一结果符合电流/时间积分与触头电寿命之间的关系曲线。 应当注意，这仅仅是评价真空断路器有效电寿命的一种方法。影响真空断路器电寿命的因素很多，本文作者建议，用户仍需遵守制造商关于使用与维护方面的规定：例如测量触头磨损量、或利用60Hz工频耐压方法验证断路器的绝缘水平。 参考文献 [1] 美国标准ANSI／IEEE C37.60-1981《交流系统柱上型、地面型、户内型、水下型电路自动重合器技术条件》的6.3.4“操作方式试验”表4。 [2] 美国标准ANSI C37.61-1973/IEEE321-1973《自动电路重合器的使用、操作和维护指南》附录B与附录C。 [3] P.N. Stoving， J.F. Baranowski， “真空断路器电寿命”，IEEE第19届国际真空放电与电气绝缘论文集，中国西安，388~391页。 [4] “最终试验结果，VSAM712，序号9920271”，1999年7月。 [5] “最终试验结果，VSAM712，序号9920243”，2000年4月。 王毅 译 2006.6.26 指数 指数 � 故障电流水平（kA） 图1 基于1个操作方式的预期寿命曲线 预期开断次数 � ( a ) ( b ) 图2 燃弧时间 触头 分离 触头 分离 开距 开距 电流 电流 电流→ 电流→ 表1 不同试验情况下电流的时间积分 试验方式� 典型电流等级（A）� 开断次数� 电流/时间积分近似值（kA.s）� � 1) 机械寿命� 0� 10000� 0� � 2）交流电压开断� 约为0� 10000� 约为0� � 3)负载电流开断� 600� 2500� 5.9� � 4()1个方式循环� 12500� 116� 2.6� � 4()2个方式循环� 12500� 232� 5.2� � 5) 推广� 12500� 约500� 24.4� � � 图3 合成回路 备用断路器 水箱 主充电 电源 放电 开关 触发器间隙开关 分压器 变比 517/1 试验样机 样机电流 激光间隙开关 投入 充电 电源 � 图5 试后（16.5kA·s）阳极、阴极触头表面状况 � 图4 试前12.5kA触头表面状况 表2 试验方式 电流等级(kA)� 委托开断次数� 实际开断次数� 电流/时间积分（kA-s）� � 4� 80� 80� 2.84� � 8� 80� 81� 4.72� � 12� 80� 85� 7.54� � 16� 80� 83� 9.42� � 20� 80� 85� 12.47� � 24� 80� 88� 15.67� � 12� 20� 21� 1.87� � 合计� 500� 523� 54.52� � � 时间（ms） ( c ) 图6 试品在前期开断试验中的故障电流、交流电压以及触头行程曲线 故障电流（kA） 电弧电压（V） 触头开距（mm） （a） （b） � 时间（ms） ( c ) 图7 试品在后期验证性开断试验中的故障电流、交流电压以及触头行程曲线 故障电流（kA） 电弧电压（V） 触头开距（mm） （a） （b） � 图8 电弧电流/时间积分达到 54kA-s时的触头表面状况 � 故障电流等级（kA） 图8 预测的电寿命曲线 预期开断次数 放电 开关 PAGE 6 _1212304826.unknown _1212305547.unknown _1212322503.unknown _1212819146.unknown _1212503939.unknown _1212322141.unknown _1212304959.unknown _1212304979.unknown _1212304859.unknown _1212304908.unknown _1212302523.unknown _1212302589.unknown _1212302387.unknown