CN106783364A - 一种解决真空断路器弹跳用连接结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解决真空断路器弹跳用连接结构，该连接结构用于连接灭弧室与法兰，包括一连接单元，所述连接单元包括连接灭弧室端部与法兰用的连接螺栓组，该连接螺栓组包括数个沿着法兰圆周方向分布的连接螺栓以及与连接螺栓一一对应的锁紧螺母，所述连接螺栓依次穿过灭弧室端部与法兰后通过锁紧螺母锁紧；一缓冲单元，所述缓冲单元包括一一对应套装在连接螺栓外端的缓冲弹簧，且缓冲弹簧的两端分别抵在灭弧室端部与法兰的端部，还涉及一种上述连接结构的设计方法。本发明的优点在于：通过缓冲弹簧的作用使得灭弧室与法兰之间可以相对移动并复位，避免因刚性连接而导致的损伤、断裂现象。

Description

一种解决真空断路器弹跳用连接结构及设计方法

技术领域

本发明涉及一种断路器，特别涉及一种解决真空断路器弹跳用连接结构，以及上述真空断路器连接结构的设计方法。

背景技术

真空灭弧室，又名真空开关管，是中高压电力开关的核心部件，其主要作用是，通过管内真空优良的绝缘性使中高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流，避免事故和意外的发生，主要应用于电力的输配电控制系统，还应用于冶金、矿山、石油、化工、铁路、广播、通讯、工业高频加热等配电系统。具有节能、节材、防火、防爆、体积小、寿命长、维护费用低、运行可靠和无污染等特点。真空灭弧室从用途上又分为断路器用灭弧室和负荷开关用灭弧室，断路器灭弧室主要用于电力部门中的变电站和电网设施，负荷开关用灭弧室主要用于电网的终端用户。

目前，在市场上使用中的断路器，对于其灭弧室与法兰之间的连接，传统的方式采用的是刚性连接的方式，即通过螺栓直接连接的方式，而由于高压断路器在分闸时，由于触头从接触到分开的过程中，两个触头间的间隙从小到大，在高电压的作用下，间隙的绝缘介质会被电离击穿，形成电弧，电弧形成后，产生的热量会进一步加剧介质电离，扩大电弧，使断路器无法断开电路，为了阻止这一过程，在设计断路器的时候，把两个触头装在一个灭弧室内，灭弧室内部有许多通道，一是分割电弧，二是利用电弧高温产生的高压气流，通过灭弧室一定的通道喷口吹灭电弧。因此，采用上述的这种连接方式，在使用的过程中，容易发生弹跳，并受到撞击，这样长时间使用后容易导致灭弧室与法兰之间的连接发生损伤、断裂，影响正常的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种解决真空断路器弹跳用连接结构，以及上述真空断路器连接结构的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种解决真空断路器弹跳用连接结构，其创新点在于：该连接结构用于连接灭弧室与法兰，包括

一连接单元，所述连接单元包括连接灭弧室端部与法兰用的连接螺栓组，该连接螺栓组包括数个沿着法兰圆周方向分布的连接螺栓以及与连接螺栓一一对应的锁紧螺母，所述连接螺栓依次穿过灭弧室端部与法兰后通过锁紧螺母锁紧；

一缓冲单元，所述缓冲单元包括一一对应套装在连接螺栓外端的缓冲弹簧，且缓冲弹簧的两端分别抵在灭弧室端部与法兰的端部；

一阻隔单元，所述阻隔单元包括一套装在法兰远离灭弧室一侧的阻隔罩，该阻隔罩通过螺栓固定在法兰上，并覆盖所有的锁紧螺母。

进一步的，所述连接螺栓上位于锁紧螺母的外侧还螺纹连接有一并紧螺母。

进一步的，所述缓冲弹簧为碟形弹簧或螺旋弹簧中的任意一种。

一种解决真空断路器弹跳用连接结构的设计方法，其创新点在于：该设计方法的步骤为：

a）搭建模型：搭建完整的真空断路器虚拟样机模型；

b）仿真分析：根据样机试验数据校核仿真分析模型，仿真分析包括分合闸弹簧操作功匹配分析、分合闸运动特性分析及合闸弹跳分析，并判断仿真结果是否与试验结果一致，若不一致，则对真空断路器虚拟样机模型进行优化，直至仿真结果与试验结果一致；

c）弹簧设计：根据空间布局、触头弹簧参数设计静侧柔性弹簧，并完成静侧柔性结构的设计；

d）弹跳校验：将静侧柔性结构嵌入到虚拟样机仿真模型中，并校验合闸弹跳是否满足要求，若不满足要求，则对静侧柔性结构进行优化，直至合闸弹跳满足要求，完成设计。

进一步的，所述步骤a中，在进行真空断路器虚拟样机模型搭建时，可进行适当简化，将模型中不参与分合闸运动、对系统运动特性没有影响的零部件做失效处理或删除，将运动部件中的螺栓、螺母等结构连接件删除，而把其等效质量附加于其相邻部件上。

进一步的，所述步骤b 中，仿真模型以断路器处于合闸状态为动力学分析初始位置，机构处于 1g 的标准重力场作用下，以充气压力为0.02MPa状态下运动阻力为仿真初始条件，总仿真时间为0.35s，其中0~0.1ms 机构处于合闸储能位置；0.1s 时，分闸电磁铁得到分闸命令，机构开始分闸动作，CB 完成分闸，进入分闸保持状态；在0.2s 时刻，合闸电磁铁得到合闸命令，机构开始合闸动作； 完成合闸后，CB 处于合闸状。

本发明的优点在于：本发明中，将传统的灭弧室与法兰之间的刚性连接现更换为缓冲弹簧与连接螺栓的配合连接方式，通过缓冲弹簧的作用使得灭弧室与法兰之间可以相对移动并复位，有效的解决了弹跳问题，避免因刚性连接而导致的损伤、断裂现象，同时通过连接螺栓的作用，确保灭弧室与法兰在移动时的相对位置，起到一定的导向作用；另外，通过阻隔罩的设置，可以起到绝缘气体的密封作用。

通过在锁紧螺母的外侧增设一并紧螺母，保证了连接螺栓与锁紧螺母之间的连接的稳定性，避免因灭弧室与法兰之间的相对活动而导致连接螺栓与锁紧螺母之间的松动，保证产品的正常使用。

对于缓冲弹簧可以从碟形弹簧或螺旋弹簧中任选一种进行选择，具有多样化。

对于设计方法，在多体动力学仿真分析软件平台中，准确的输入质量、摩擦阻尼、接触、弹簧、运动阻力及电磁铁驱动等参数，设置零部件之间的运动副约束关系、确定合适的仿真分析算法，搭建完整的机构连接本体的真空断路器虚拟样机模型，根据样机实测数据校核并优化仿真分析模型，直到虚拟样机与实际样机行程曲线、分合闸速度、合闸弹跳及关键部位受力特性基本一致，然后根据空间布局、触头弹簧等限制条件，完成静侧柔性“弹簧”及装配结构的初步设计，将其带入虚拟样机仿真分析模型，校核其合闸弹跳是否满足要求，若不满足要求，则结合仿真分析结果及设计约束条件，对静侧柔性弹簧进行优化设计，而后带入虚拟样机仿真分析模型，继续校核其合闸弹跳是否满足要求，如此反复迭代优化，直到合闸弹跳满足要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的解决真空断路器弹跳用连接结构的第一种结构的示意图。

图2为本发明的解决真空断路器弹跳用连接结构的第一种结构的侧视图。

图3为本发明的解决真空断路器弹跳用连接结构的第二种结构的示意图。

图4为本发明的解决真空断路器弹跳用连接结构的第二种结构的侧视图。

图5为本发明的设计方法中仿真时序分布图。

图6为本发明中的设计方法中6 片碟簧对合串联组合F-S 曲线图。

图7为本发明中的设计方法中10 片碟簧对合串联组合F-S 曲线图。

图8为本发明中设计方法中对称4位置各安装6片A25碟簧在不同预压缩量下动静触头接触力对比曲线图。

图9为本发明中设计方法中对称6位置各安装6片A25碟簧在不同预压缩量下动静触头接触力对比曲线图。

图10为本发明中设计方法中对称8位置各安装6片A25碟簧在不同预压缩量下动静触头接触力对比曲线图。

图11为本发明中设计方法中对称4位置各安装10片A25碟簧在不同预压缩量下动静触头接触力对比曲线图。

图12为本发明中设计方法中对称6位置各安装10片A25碟簧在不同预压缩量下动静触头接触力对比曲线图。

图13为本发明中设计方法中对称8位置各安装10片A25碟簧在不同预压缩量下动静触头接触力对比曲线图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1、图2所示的一种解决真空断路器弹跳用连接结构，该连接结构用于连接灭弧室1与法兰2，包括

一连接单元，所述连接单元包括连接灭弧室1的端部与法兰2用的连接螺栓组，该连接螺栓组包括数个沿着法兰2圆周方向分布的连接螺栓4以及与连接螺栓4一一对应的锁紧螺母6，连接螺栓4依次穿过灭弧室1的端部与法兰2后通过锁紧螺母6锁紧。

如图2所示，在连接螺栓4上位于锁紧螺母6的外侧还螺纹连接有一并紧螺母7。通过在锁紧螺母6的外侧增设一并紧螺母7，保证了连接螺栓4与锁紧螺母6之间的连接的稳定性，避免因灭弧室1与法兰2之间的相对活动而导致连接螺栓5与锁紧螺母6之间的松动，保证产品的正常使用。

一缓冲单元，该缓冲单元包括一一对应套装在连接螺栓4外端的缓冲弹簧，且缓冲弹簧的两端分别抵在灭弧室1的端部与法兰2的端部，在本实施例中，缓冲弹簧采用的是由若干的碟形弹簧5堆叠而成方式。

缓冲弹簧除了采用碟形弹簧5外，也可以采用螺旋弹簧11，如图3所示，在采用螺旋弹簧11时，在灭弧室1的端部以及法兰2的端部分别具有一容螺旋弹簧11嵌入的凹槽，如图4所示。对于缓冲弹簧可以从碟形弹簧或螺旋弹簧中任选一种进行选择，具有多样化。

一阻隔单元，该阻隔单元包括一套装在法兰2远离灭弧室1一侧的阻隔罩3，该阻隔罩3通过螺栓固定在法兰2上，并覆盖所有的锁紧螺母6及并紧螺母7。通过阻隔罩3的设置，可以起到绝缘气体的密封作用。

将传统的灭弧室1与法兰2之间的刚性连接现更换为缓冲弹簧与连接螺栓4的配合连接方式，通过缓冲弹簧的作用使得灭弧室1与法兰2之间可以相对移动并复位，有效的解决了弹跳问题，避免因刚性连接而导致的损伤、断裂现象，同时通过连接螺栓的作用，确保灭弧室与法兰在移动时的相对位置，起到一定的导向作用。

上述解决真空断路器弹跳用连接结构的设计方法的具体步骤为：

第一步，搭建模型：搭建完整的真空断路器虚拟样机模型，在进行真空断路器虚拟样机模型搭建时，可进行适当简化，将模型中不参与分合闸运动、对系统运动特性没有影响的零部件做失效处理或删除，将运动部件中的螺栓、螺母等结构连接件删除，而把其等效质量附加于其相邻部件上。

第二步，仿真分析：根据样机试验数据校核仿真分析模型，仿真分析包括分合闸弹簧操作功匹配分析、分合闸运动特性分析及合闸弹跳分析，并判断仿真结果是否与试验结果一致，若不一致，则对真空断路器虚拟样机模型进行优化，直至仿真结果与试验结果一致。

在进行仿真分析时，仿真模型以断路器处于合闸状态为动力学分析初始位置，机构处于 1g 的标准重力场作用下，以充气压力为0.02MPa状态下运动阻力为仿真初始条件，总仿真时间为0.35s，其中0~0.1ms 机构处于合闸储能位置；0.1s 时，分闸电磁铁得到分闸命令，机构开始分闸动作，CB 完成分闸，进入分闸保持状态；在0.2s 时刻，合闸电磁铁得到合闸命令，机构开始合闸动作； 完成合闸后，CB 处于合闸状，如图5所示。

第三步，弹簧设计：根据空间布局、触头弹簧参数设计静侧柔性弹簧，并完成静侧柔性结构的设计。

在进行弹簧设计时，单片碟簧工作特性不稳定，实际工作行程可能超过许用变形量，75%为最大变形量，一方面为了便于控制预压缩量，另一方面避免工作行程超过许用变形量，同时结合安装结构空间因素，考虑两种碟簧组合方案，一是6 片碟簧对合串联，二是10 片碟簧对合串联，碟簧安装方案有三种，一是对称4 位置安装，二是对称6 位置安装，三是对称8 位置安装。

在本实施例中，选用碟簧规格为A25，具体参数如表1 所示，

碟簧规格	D/mm	d/mm	t/mm	h0/mm	H0/mm
						A25	25	12.2	1.5	0.55	2.05

表1

采用国际品牌Mubea 厂商专用碟簧设计程序（Disc_Spring_Calculation_Program_03.xls）计算可得：6 片碟簧对合串联组合F-S 曲线如图6 所示，6 片组合总高度为12.3mm，最大变形量为3.3mm，许用变形量为2.475mm；10 片碟簧对合串联组合F-S 曲线如图7所示，10 片组合总高度为20.5mm，最大变形量为5.5mm，许用变形量为4.125mm，现通过动力学分析碟簧不同组合方案、不同安装方案、不同预压缩量下的合闸弹跳特性。在法兰上采用空间力的形式加载碟簧力，具体输入如下：

F=AKISPL(ABS(DY(MARKER_2564,MARKER_2565))+Diehuang_Yuyasuo,0,SPLINE_3_A25_6Pian,0)*8*-1，其中“SPLINE_3_A25_6Pian”表示组合碟簧F-S 曲线，“8”表示安装位置。

第四步，弹跳校验：将静侧柔性结构嵌入到虚拟样机仿真模型中，并校验合闸弹跳是否满足要求，若不满足要求，则对静侧柔性结构进行优化，直至合闸弹跳满足要求，完成设计。

真空断路器分闸速度即刚分点至刚分点后23mm 间平均速度，仿真可得分闸速度V分=1.95m/s；合闸速度即刚合点至刚合点前23mm 间平均速度，仿真可得合闸速度V 合=0.85m/s，在此合闸速度工况下，碟簧不同组合方案、不同安装方案、不同预压缩量下动静触头接触力曲线如图8~图13所示，合闸弹跳分析结果统计如表2所示

表2

由统计数据可以得出以下分析结论：在多片碟簧多个位置布置方案下，预压缩量很小的时候，合闸弹跳特性相对较好，可能比原刚性结构好，也可能比原刚性结构差，当预压缩量增大到第一个临界值时，合闸弹跳时间迅速变得很大，主要是后期动静触头分离所致，碟簧整体刚度越大，合闸弹跳突变对应的预压缩量临界值越小，而后随着压缩量逐渐增大，合闸弹跳时间逐渐减小，当预压缩量增大到第二个临界值时，合闸弹跳时间为零，进一步增大预压缩量，合闸弹跳时间保持零不变，碟簧整体刚度越大，合闸弹跳降为零对应的预压缩量临界值越小。对称安装位置越多，碟簧组合刚度越大，合闸弹跳达到零对应的预压缩量越小；碟簧对合片数越多，碟簧工作变形量越大，装配越容易控制，从仿真分析结果来看，优先推荐碟簧配置方案为：在过渡法兰与接线法兰之间对称8 位置各装10 片A25 碟簧，碟簧之间对合串联而成，预压缩量控制在2~3mm。

因此可得出结论：对称安装位置越多，碟簧整体刚度越大，合闸弹跳达到零对应的预压缩量越小；碟簧对合片数越多，碟簧工作变形量越大，预压缩量越容易控制，从仿真分析结果来看，优先推荐碟簧配置方案为：在过渡法兰与接线法兰之间对称8 位置各装10 片A25 碟簧，碟簧之间对合串联而成，预压缩量控制在2~3mm。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种解决真空断路器弹跳用连接结构，其特征在于：该连接结构用于连接灭弧室与法兰，包括

一连接单元，所述连接单元包括连接灭弧室端部与法兰用的连接螺栓组，该连接螺栓组包括数个沿着法兰圆周方向分布的连接螺栓以及与连接螺栓一一对应的锁紧螺母，所述连接螺栓依次穿过灭弧室端部与法兰后通过锁紧螺母锁紧；

一缓冲单元，所述缓冲单元包括一一对应套装在连接螺栓外端的缓冲弹簧，且缓冲弹簧的两端分别抵在灭弧室端部与法兰的端部；

一阻隔单元，所述阻隔单元包括一套装在法兰远离灭弧室一侧的阻隔罩，该阻隔罩通过螺栓固定在法兰上，并覆盖所有的锁紧螺母。

2.根据权利要求1所述的解决真空断路器弹跳用连接结构，其特征在于： 所述连接螺栓上位于锁紧螺母的外侧还螺纹连接有一并紧螺母。

3.根据权利要求1所述的解决真空断路器弹跳用连接结构，其特征在于：所述缓冲弹簧为碟形弹簧或螺旋弹簧中的任意一种。

4.一种实现权利要求1所述的解决真空断路器弹跳用连接结构的设计方法，其特征在于：该设计方法的步骤为：

a）搭建模型：搭建完整的真空断路器虚拟样机模型；

b）仿真分析：根据样机试验数据校核仿真分析模型，仿真分析包括分合闸弹簧操作功匹配分析、分合闸运动特性分析及合闸弹跳分析，并判断仿真结果是否与试验结果一致，若不一致，则对真空断路器虚拟样机模型进行优化，直至仿真结果与试验结果一致；

c）弹簧设计：根据空间布局、触头弹簧参数设计静侧柔性弹簧，并完成静侧柔性结构的设计；

d）弹跳校验：将静侧柔性结构嵌入到虚拟样机仿真模型中，并校验合闸弹跳是否满足要求，若不满足要求，则对静侧柔性结构进行优化，直至合闸弹跳满足要求，完成设计。

5.根据权利要求4所述的解决真空断路器弹跳用连接结构的设计方法，其特征在于：所述步骤a中，在进行真空断路器虚拟样机模型搭建时，可进行适当简化，将模型中不参与分合闸运动、对系统运动特性没有影响的零部件做失效处理或删除，将运动部件中的螺栓、螺母等结构连接件删除，而把其等效质量附加于其相邻部件上。

6. 根据权利要求4所述的解决真空断路器弹跳用连接结构的设计方法，其特征在于：所述步骤b 中，仿真模型以断路器处于合闸状态为动力学分析初始位置，机构处于 1g 的标准重力场作用下，以充气压力为0.02MPa状态下运动阻力为仿真初始条件，总仿真时间为0.35s，其中0~0.1ms 机构处于合闸储能位置；0.1s 时，分闸电磁铁得到分闸命令，机构开始分闸动作，CB 完成分闸，进入分闸保持状态；在0.2s 时刻，合闸电磁铁得到合闸命令，机构开始合闸动作； 完成合闸后，CB 处于合闸状。