一種自動轉換開關滅弧系統(tǒng)的優(yōu)化設計

張海根, 程少勇, 付志超

(上海電氣輸配電集團技術中心, 上海 200042)

0 引 言

自動轉換開關(Automatic Transfer Switching Equipment,ATSE)主要應用在不能斷電的重要場所。當該場所電力應用受到限制、電源過載或發(fā)生故障時,負載需要在毫秒級的時間內從一個電源切換到另一個電源,ATSE能夠滿足這種需求[1-2]。作為頻繁操作的ATSE,標準要求在多次接通與分斷10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,將嚴重燒損動靜銀觸點,進而影響自動轉換開關的接通與分斷能力。

本文研究如何通過改進優(yōu)化ATSE的接觸與滅弧系統(tǒng)以提升產品的接通與分斷能力。

1 接通與分斷試驗中出現(xiàn)的問題分析

現(xiàn)有某型250 A自動轉換開關,進行接通與分斷操作時,轉軸帶動下連桿運動,下連桿帶動動觸頭組件運動進行接通與分斷操作。在接通時,觸頭彈簧在支架的作用下為觸頭提供觸頭壓力;在分斷時,動、靜銀點間產生電弧,電弧隨著動觸頭運動進入滅弧室,滅弧室柵片切割并熄滅電弧。接觸與滅弧系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

在進行接通與分斷試驗過程中,出現(xiàn)導電回路在合閘時不能接通的現(xiàn)象,拆機后發(fā)現(xiàn)動銀點燒損嚴重,合閘時動靜觸頭不能接觸。試驗后動銀點燒損情況如圖2所示。

圖1 接觸與滅弧系統(tǒng)結構示意圖

圖2 試驗后動銀點燒損情況

接通與分斷試驗波形如圖3所示。由圖3可知,常用側在6個周波內電弧熄滅,其中B相燃弧時間為29.3 ms,而備用側電弧一直未被熄滅。電弧溫度達到6 000 K以上,周圍零件與之長時間接觸將被燒損甚至氣化[4-5]。電弧在動、靜銀點之間停滯時間越長,銀點的燒蝕量越大[6-7],如圖2的備用側動銀點被徹底燒完。

圖3 接通與分斷試驗波形

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

圖4 滅弧系統(tǒng)磁場分布

結合上述分析可見,在接通與分斷試驗過程中,磁吹力不足難以將電弧迅速地吹進滅弧室柵片,電弧在觸頭間停留時間過長,導致銀點燒損嚴重。

當動、靜銀點開斷時,如果能使電弧迅速離開銀點轉移到滅弧室中,即可減小電弧的停滯時間,將有利于提高銀點的壽命,可以通過改進滅弧系統(tǒng)設計的方式,來提高弧柱區(qū)負Y軸方向的力,促使電弧更快進入柵片。同時,為減少動、靜銀點的燒損,還可以設計引弧結構來主動承擔電弧的燒蝕[7]。

2 引弧結構的設計

本文在現(xiàn)有滅弧系統(tǒng)的基礎上,增加了一種新型的引弧結構。該結構的設計原理:在合閘時,動、靜引弧先于動靜銀點接觸,動、靜銀點接觸后動、靜引弧分開;在分閘時,動、靜銀點分離過程中,動、靜引弧接觸,動、靜銀點分離完成后動、靜引弧分離;另外在滅弧室中設置引弧片配合動、靜引弧將電弧導入至柵片。帶引弧的接觸與滅弧系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

該引弧結構不僅承擔將電弧快速導入至滅弧室的責任,還將主動承受電弧的燒蝕以減少電弧對動、靜銀點的燒蝕,需要動、靜引弧采用耐高溫耐燒蝕的材質,銅鎢合金材質的觸點正具有高電阻耐燒蝕的特征,本文在設計引弧結構時,在動、靜引弧處焊接銅鎢合金觸點。改進后的引弧結構如圖6所示。

圖5 帶引弧的接觸與滅弧系統(tǒng)結構圖

圖6 改進后的引弧結構

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

圖7 改進后滅弧系統(tǒng)磁場分布

3 試驗論證

根據(jù)上述方案制備樣機,成功完成了接通與分斷能力驗證試驗,且試后溫升低于國標規(guī)定的80 K[3,8],拆機后,改進后ATSE動、靜銀點燒損情況如圖8所示。

圖8 改進后ATSE動、靜銀點燒損情況

接通與分斷試驗波形圖如圖9所示。由圖9可知,常、備用側在4個周波內電弧熄滅,其中常用C相燃弧時間為15.3 ms,備用C相燃弧時間為9.61 ms,相對原始設計均有較大幅度的降低。另外,電弧主要燒損的是動、靜引弧,動、靜銀點保存得比較完好,為完成后續(xù)驗證試驗打好基礎。

圖9 接通與分斷試驗波形圖

4 結 語

在原ATSE滅弧系統(tǒng)中增加了引弧結構,并調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斷及電氣壽命試驗中動、靜銀點的燒損狀況,提升了該250 A規(guī)格ATSE的接通與分斷能力,通過了相關試驗的檢測。