摘要：为了正确地认识GIS设备特性测试中的开关运动过程，评估测量曲线断续等异常情况，针对GIS内部开关开关合闸过程中的断续问题笔 者就其现象、实际使用中的问题通过模型分析及计算等展开探讨，探索运动中断续问题出现的理论基础及解决措施。
关键词：GIS；断续；
0概述
气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）以其占地面积少、运行可靠性高而在电网中大量选用，一套GIS设备包含断路器、隔离开关、接 地开关等开关元件。断路器和隔离开关元件，不同厂家结构不尽相同，但各设备厂家的开关元件动触头一般采用铜镀银或铝镀银结构，静触 头侧多数采用梅花触头形式，梅花触指一般采用片状弹簧或螺旋型弹簧进行固定。在开关合闸操作过程中动触头高速运动撞击静触头，对触 指产生瞬间的作用力造成动静触头产生相对张开运动，从而在特性曲线中出现断续等现象。这种现象虽然不会给开关运行带来质量隐患，但 会给开关特性测试造成一定困扰。故迫切需要研究能否在开关设计过程中采取一定办法对此现象进行适当控制，给产品验收及运行后在线诊 断提供有利条件。本文针对开关动静触头中运动的基本理论进行分析，列举代表性的触指结构进行简略解析并给出解决运动问题的建议措施 。
1 开关分合闸过程中运动现象及危害
开关在合闸过程中动触头撞击静触头时，静触头触指张开瞬间，动静触头分离会造成开关特性测试中电流线中断，称为开关的断续。如下图 1为某次测试过程中开关出现断续的情况。测试设备可采用示波器或者市场上常用的各种开关特性测试仪。本文使用KoCoS MeBtechnic AG公 司及ACTAS公司优化生产的固定式测量设备。
图1 开关特性测试中触头断续情况
图中所示测试结果开关合闸初期三相均有2ms时长的断续过程，若此断路器时间继续延长至可能造成开关合闸时间误判，导致开关元件的特 性测试失败。在产品运行情况下，断续的情况与新品相比会进一步拉长，可能造成产品质量判断失误，特别是已经运行产品造成不必要的拆 装检修，浪费大量的人力及物力。
2 开关元件分合闸中运动的理论分析
介于以上原因需对开关合闸过程中的特性进行理论分析，开关触头的断续来源于开关动静触头的瞬时碰撞，碰撞时电极接触时产生的反作用 力造成动静触头之间短时间脱离，分析此反作用力的大小可以对运动现象进行说明。以下分别模拟开关动静触头为实心元件在直线运动、倾 斜运动、偏心运动碰撞时的反作用力和初速度的关系：
1）实心动静触头直线碰撞时速度分析
动触头质量为M1、静触头质量为M2的电极，分别以v1、v2的速度向右运动，在某个瞬间发生接触碰撞，碰撞后的速度为v1’、v2’，如图2 所示，直线碰撞后速度计算如下：
2）动静触头斜向碰撞时速度分析
将动静触头简化为相对运动的两球，两球的中心线，分别以倾斜角度为θ1，θ2，运动速度为v1、v2的速度进行碰撞时，把速度分解到两球 的中心所在的直线方向（v1cosθ1，V2cosθ2）和垂直方向（v1sinθ1，v2sinθ2）如图3所示。因此，直线碰撞后的速度v1’、v2’如下 式所示：
图3 斜向碰撞前后
图4 电极偏心碰撞前后
3 开关典型结构合闸过程中运动简略解析
上述计算求出的碰撞后的速度v1’，v2’及v1”，v2”，这些数据可作为开关元件动静触头运动动作解析时的初始条件使用
滑动触指的运动的解析模型如下图5所示，动触头接触静端触指时产生的运动现象可以用下列方式进行解析。
图5 触头弹跳计算模型
图中参数说明如下：
v1……电极动触头运动的速度
ϕ ……接触面的垂直夹角
I ……以P点为轴的惯性扭矩
F ……触指被挤压时受到的作用力
F = - F0 - Kx - F0 - Kl1θ
F0……初始荷重 K……弹簧刚度
和接触面垂直的碰撞速度v1cosϕ = v1’因此，（11）式中当M1≫I/l12时，
触指受到的速度 v2’=（1+e）v1’=（1+e）v1cos ϕ
触指上受到的旋转分量 v2”= v2’sin ϕ =（1+e）v1cos ϕ sin ϕ
此时的运动方程式为：
4 开关运动特性模拟计算结果
结合以上分析模拟一组开关的实际数据，分别计算动静触头接触时垂直面的夹角和接触面与垂直方向的间隙结果如下图6.图7.
图6 接触面垂直夹角与触头倒角关系
图7 接触位置间隙与触头倒角的关系
上图横坐标表示角度（单位：°），纵坐标为距离（单位：mm），由上图可以看出，开关设计触头倒角与接触面垂直夹角在45时开关撞击作 用力最大，且此角度数值增加或减小均对撞击现象有一定的抑制作用。而接触位置的间隙则要求触头角度越大越好。
5 开关设计建议
由上述分析可知，开关在合闸过程中一定会产生运动，若要减小运动，可考虑以下方法：
1）开关动静触头接触处垂直夹角ϕ要向90°靠近；
2）合理设计触指结构，并结合电连接形式计算触指的转动惯量减小；
3）安装触指时，固定触指的弹簧初始压力F0尽可能增加但为控制摩擦力也不适宜过大，工程中要酌情考虑。
因开关动静触头之间运动不可避免，为消除开关运动造成测量特性时分合闸线出现断续，可考虑在开关静触头侧增加内部弧触头，且考虑弧 触头机械尺寸与动触头相配合。
6 结语
综上所述，高压开关元件因其使用条件特殊性造成元件设计时采取一定的结构，但目前世界范围内采取的结构形式在实际应用中均会出现不 同程度的运动，有效限止这种运动的实际工程意义较大，应慎重对待。工程应用中，因产品生产设计结构不同可能造成在特性测试中时间不 等的断续现场，但不会给产品质量及运行带来影响，应区别对待。
论文作者:黄坤鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/13
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