永磁式真空斷路器操作機構之作用力與強度分析

永磁式真空斷路器操作機構之作用力與強度分析

康耀鴻1*、鄭裕弘1、李芳明2 1_{國立高雄應用科技大學機械工程系} 2_{永彰機電股份有限公司} *E-mail:[email protected]

摘 要

斷電器的功能旨在防止一般高壓供電設備之用電量負荷過大，導致引起爆炸及火災。在高電壓、電流作用 下所產生的電磁力，會影響斷電器作動的順暢性及性能。本研究依據動力學與材料力學學理，分析永彰牌永磁 式真空斷路器操作機構之機件負荷、運動，並以有限元素分析軟體 ANSYS 進行構件之強度分析。由本研究分 析結果，可確實掌握斷電器操作機構之作用負荷、彈簧常數及其機件強度，確保其安全性，並做為將來進一步 設計、改良永磁式真空斷路器操作機構之參考。 關鍵字：永磁式、真空斷路器、ANSYS、三相電力。

1. 前 言

早期的斷路器，主要是以機械式之連桿-凸輪機構做為驅動活動觸頭開或閉的致動器，然因機械式致動器 保養不易、體積大及保養道序複雜等缺點，近年來漸漸改採用以永久磁石與電磁線圈搭配的永磁式斷路器，不 僅能節省了空間也精簡了保養道序。三相真空斷路器的設計製作，其使用次數希冀達到 100,000 次以上，當斷 路器作動時欲遮斷電流瞬間時，導電觸頭必須快速的與固定觸頭分開，否則會因電流在導電觸頭的邊緣匯集過 大能量而產生電弧，而有爆炸之虞，故其三個極性的導電觸頭斷開的時間差必須小於2 毫秒以內。圖 1 所示為 三相真空斷路器外觀之 CAD 示意圖，此斷路器的功能主要應用於 12kV 高壓三相 R、S、T 電力的斷開與連 接，故在斷路器設計了三組斷路管（圖1 紅色管狀組件），斷路器在合閘時，即為電路導通的狀態，在分閘時 則為將電路斷路。當導電觸頭所通過的電流越大時，其所產生的磁吸引力也越大。因此驅動活動觸頭開閉的致 動器機構，需要具備更高的安全性與穩定性。本文主要針對永磁式真空斷路器，進行其操作機構之機件負荷、 運動與機件強度之ANSYS 有限元素分析。 圖1 三相真空斷路器外觀之 CAD 示意圖

2. 永磁式真空斷路器之作動

圖 2 為永磁式真空斷路器整體組立示意圖[1]，依序排列的主要零件有：1.真空消弧室、2.絕緣拉桿、3.超 行程彈簧（Wipe 彈簧）、4.操作連桿、5.致動連桿、6.遮斷彈簧、7.永磁操作機構（或稱永磁致動器）。如圖 上所示，整組真空斷路器可概分為操作部與斷路部，首先經由操作部之永磁致動器產生的磁力來驅動遮斷彈 簧、致動連桿以及操作連桿，以帶動斷路部的絕緣拉桿與超行程彈簧，進而控制真空消弧室內之活動觸頭與固 定觸頭的分開或閉合動作，以達到斷開或連通電流目的。當活動觸頭與固定觸頭閉合（接合）時稱之為合閘， 此時因連通電路而導電；當活動觸頭與固定觸頭分開時稱之為分閘，此時因電路斷開致切斷電流不導電。當真 空消弧內之活動觸頭與固定觸頭閉合或分開時，其操作連桿、超行程彈簧、遮斷彈簧的作動負荷皆有所不同。 以下將詳細說明各部組件之作動原理。

絕緣拉桿

操作連桿

操作部

遮斷部

遮斷彈簧

永磁操作機構

致動連桿

真空消弧室

超行程彈簧

圖2 永磁式真空斷路器整體組立示意圖 在斷路部包含了真空消弧室、絕緣拉桿及超行程彈簧，真空消弧室包含了固定及活動的電極觸頭（見圖 3, 圖 4A）。在合閘動作時，永磁致動器因通電激磁產生向下的磁力而帶動致動連桿往下運動，造成操作連桿順 時針轉動，並帶動絕緣拉桿向上運動，在真空消弧室中的一雙電極觸頭也隨之閉合，如圖 4B 所示。在絕緣拉 桿內設計了一“超行程彈簧＂，主要功能為在合閘時，提供真空消弧室內的活動觸頭一壓縮彈簧力以壓緊貼合 固定觸頭，避免產生火弧，其動作如圖 4C 所示。當合閘時，真空消弧室內之活動觸頭先移動一 S1 行程至兩 觸頭閉合，而操作連桿則繼續轉動以致超行程彈簧接著被壓縮 S2 的距離，直至永磁致動器完成動作，其位置 關係如圖 4D 所示。而在分閘時，超行程彈簧會隨之釋放壓縮時所儲存的彈性位能，以額外補充移動活動觸頭 與絕緣拉桿所需的能量。

固定觸頭 真空消弧室 活動觸頭 超行程彈簧 絕緣拉桿 圖3 斷路部真空消弧室之機件配置 A B S1 S2 D 固定觸頭 真空消弧室 活動觸頭 超行程彈簧 絕緣拉桿桶身 C 圖4 真空消弧室活動觸頭合閘動作示意圖

S2 S1 超行程彈簧力 遮斷彈簧力 Force Stroke FWP S2 S1 超行程彈簧力 + 遮斷彈簧力 遮斷彈簧力 Force Stroke FWC+FTC FWP+F1 FWC FTP FTC F1 FTP F1 圖5 彈簧力對絕緣拉桿行程變化圖 依斷路器系統作動時的狀態，其彈簧力與絕緣拉桿行程關係可以圖 5 表示[2]。圖 5 中 X 軸表斷路部之活 動觸頭行程（Stroke），Y 軸表斷路部之彈簧作用力（Spring force），FTP 為遮斷彈簧的預壓力（Preloaded trip force），FTC 為遮斷彈簧的合閘力（Closing trip force），FWP 為超行程彈簧預壓力（Preload of wipe spring），FWC 為超行程彈簧合閘力（Closing forceof wipe spring）。圖中的超行程彈簧力為已換算到操作部的 作用力。在S1 區間遮斷彈簧開始被壓縮，而後進入超行程彈簧壓縮狀之行程（S2 區間），此期間遮斷彈簧亦 同時繼續壓縮狀態；超行程彈簧與遮斷彈簧在裝配時皆需有預壓力。當開始合閘動作時，電磁線圈會因通電而 產生向下的磁力，驅使致動連桿向下運動，此時操作連桿會產生順時鐘方向轉動。在斷路部中，因為操作連桿 的順時鐘方向轉動，推動絕緣拉桿向上運動，進而達到導電觸頭互相接觸的合閘動作。其合閘時致動連桿、操 作連桿、絕緣拉桿與各彈簧之作動狀態如圖6 所示，箭頭代表運動方向。

A

B

O

致動連桿 絕緣拉桿 操作連桿 圖6 合閘時之操作連桿作動動示意圖

3. 斷路器整體設計分析

3.1 真空管斷路裝置 真空斷路器的目的，是當電流附載過大時，斷路器能即時反應，斷開電極使之斷路，達到保護線路避免發 生爆炸及火災。真空斷路管的構造是由真空消弧室、絕緣拉桿、超行程彈簧（Wipe 彈簧）、固定觸頭及活動

觸頭所組成(見圖 4)，在斷路器上使用真空管裝置是因為真空中之電弧離子建立困難，所以電弧很容易被消 除，藉由真空消弧室的高絕緣能力能達成消除電弧作用。消弧室絕緣筒，以精密陶瓷或特殊玻璃等製成，具有 良好的絕緣度及足夠的機械強度外，必須不漏氣、不滲氣等特性並且可與金屬接合密封。真空消弧室中的真空 度約為1n（Nano，10-9）mm Hg，在真空中絕緣強度很高，每 1mm 的間隙約可耐電壓數萬伏特，所以真空消 弧室活動觸頭與固定觸頭間的距離僅約為 1 公分左右。真空中電弧會使接觸子的金屬蒸發，經多次研究及實 驗，在消弧室內接觸子的周圍裝設一金屬遮蔽罩（Shield），可將電弧所發生的金屬蒸氣再凝固成金屬，附著 於遮蔽罩，效果顯著。 永磁式真空斷路器整機設計的首要考量重點在於真空管在斷路時所需的作用力。斷電器的開路與閉路時， 需要的作用力不相同，所有的力量操作取決於真空斷路管的規格。在機台上所使用的真空斷路管為規格品，本 機使用規格需求如表1 所示。表 1 中有關真空斷路器內之四種作用力，分別定義如下： (1) 自閉力：因外部大氣壓力與真空管內部壓力之壓差所產生的向內推力。 (2) 額定開距下觸頭反力：在斷路時，保持固定開距所需的力。 (3) 額定觸頭壓力：在超行程後，Wipe 彈簧施加於真空管電極的力量。 (4) 觸頭初壓力：在超行程前，Wipe 彈簧裝配在絕緣拉桿的初始力量。 表1 真空斷路管規格 名稱 規格 自閉力 100±40N 額定開距下觸頭反力 _200±60N 額定觸頭壓力 _3100±200N 觸頭初壓力 2170±150N 觸頭開距 10mm 超行程距離 _4mm 平均分閘觸頭速度 1.2±0.2m/s 平均合閘觸頭速度 0.7±0.2m/s 觸頭合閘彈跳時間 ≦2ms 分閘觸頭反彈幅度 ≦1.5mm 3.2 彈簧設計 在永磁式真空斷路器中，位於斷路部的絕緣拉桿中，設置了一超行程彈簧，做為投入時額外的壓緊力之 用，因輸入至永磁式真空斷路器的電源有 R、S、T 三相，每一個相位皆需要一組真空消弧室進行電流的遮斷 與連接，故在斷路部中設置了三組超行程彈簧。在操作部的設計中，僅需一組永磁致動器、致動連桿及一組遮 斷彈簧，藉由操作連桿，就可以操作斷路部中的三組真空斷路裝置，達到遮斷與連接電流的動作。三組超行程 彈簧與一組遮斷彈簧在合閘時皆為受壓縮作用，故在分閘時可釋放已儲存的能量，帶動可動觸頭與固定觸頭分 離，達到斷開電流的作用。 在彈簧的設計中，因外型、材質與長度的不同，彈簧的降伏應力、剪應力、疲勞強度及彈簧常數也不盡相 同。

Dm D d D h d 圖7 螺旋彈簧示意圖 本機型所使用的彈簧為螺旋彈簧，為壓簧型式。如圖 7 為一螺旋彈簧規格示意圖，其中彈簧術語定義如 下： G=材料之彈性係數、Dm=平均直徑、D=彈簧外徑、d=線徑、Nc=有效圈數。 其彈簧常數（Spring stiffness）為彈簧所受的力與壓縮量的比值，可由材質的彈性係數、彈簧平均直徑、線徑 及有效圈數求得，彈簧常數計算公式為： 4 3 C m Gd k 8N D = ₍₁₎ X0 XP X2 S 圖8 彈簧長度示意圖 如上圖 8 所示，假設 X0 為彈簧在無受力時的自由長度，裝配時產生預壓之彈簧長度為 XP，合閘時的長 度為X2。 假設彈簧須裝配於某一機構之中，其彈簧裝配的長度XP 須小於彈簧的自由長度 X0。 在合閘前後，超行程彈簧長度自XP 被壓縮至 X2，此期間超行程彈簧所作的功，以 UW 表示，如下[3] 2 2 W 1 0 2 0 P U k (X X ) (X X ) 2   = _ − − − _{ (2)} 其中，X2=XP-S，帶入上式整理後可得 可得

2 W 1 0 P U k 2(X X )S S 2   = _ − + _{ (3)} 由式(3)，藉由得知彈簧的壓縮量 S、自由長度 X0 及裝配後的長度 XP，找出彈簧在斷路機構作動前後所 釋放的能量，並可計算出在預壓、完成動作及各行程當中的彈簧力值，做為機構設計之用。以下分別說明超行 程彈簧及遮斷彈簧之設計。 3.2.1 超行程彈簧 真空管內之觸頭（電極）在合閘狀況時，必須是緊密而無間隙的狀態，若兩觸頭間有些微空隙，會因為 介質不同產生電弧，引起高熱而導致爆炸。在設計之初，為杜絕此種危險因素的發生，可在絕緣拉桿內再加 上一超行程彈簧（Wipe 彈簧），利用彈簧壓縮變形產生彈性回復力特性，彈簧力 F=ks，此超行程彈簧之彈 簧力能提供活動觸頭緊貼住固定觸頭之壓力，確保真空管內的兩觸頭在投入狀態時，不會因為機台震動、間 隙而產生電弧的可能狀態。此一力量稱為額定觸頭壓力。超行程彈簧的作用，除了在投入時給予活動觸頭額 外的力量外，亦可在分閘時提供絕緣拉桿一個向下的推力，幫助可動觸頭跳脫之用，超行程彈簧規格如下表 2 所示。 表2 超行程彈簧規格 材料彈性係數(材料：60Si2MnA) _{73280 N/mm}2(kgf/mm2) 平均直徑(Dm) 24mm 線徑(d) 6.5mm 有效圈數 4 圈 自由長度(X0) 59±0.5mm 預壓量(S_WP) _7mm 開閘彈簧長度(XP) 52mm 超行程量(S=S₂) _3.5±0.5mm 將表2 的規格帶入式(1)，計算彈簧常數 4 3 73280 6.5 k 295.7 8 4 24 × = = × × N/mm2 超行程彈簧裝配在絕緣拉桿內已壓縮7mm，其預壓力為 295.7 7 2070 = × = × = WP W WP F k s N 在合閘時，超行程彈簧又增加S2 的行程後，總壓縮量（SWC）達到 10.5mm，其合閘力為 295.7 10.5 3100 = × = × = WC W WC F k s N 在合閘期間，超行程彈簧的壓縮長度與儲存的彈簧力比值成一線性關係，使用 Matlab 程式分析，從預壓

兩側則較大。如圖 20 所示，最大應力發生在圖中紅色區域，其值約為 65.749MPa，應變則亦發生於同位置， 應變量最大約為0.0003，如圖 21 所示。 綜合以上操作連桿之 ANAYS 有限元素應力與應變分析，本斷路器操作連桿之操作部桿件與斷路部桿件之 最大 von Mises 等效應力，均小於材料之降伏強度（206 N/mm2），代表材料不會發生塑性變形與永久變形， 即不會降伏，操作連桿之結構強度安全無虞。

5. 結 論

本文探討永磁式真空斷路器操作機構之負荷與運動及機械結構部之強度分析，藉由學理分析機械結構部分 組件之設計原理與合理性，進而提供一套斷電器操作機構之機件設計與分析方法，可做為將來進一步設計、改 良操作永磁機構之依據。在絕緣拉桿內所配置的超行程彈簧，除在合閘時提供一壓緊力以外，在斷路時也能提 供一額外的跳脫力。在零件的設計上主要考慮在動作前後之操作連桿的變形程度，若變形過大，可能導致 R、 S、T 三相真空斷路部的觸頭開距未達到標準，而導致電弧產生高熱，進而發生爆炸。本研究經由理論推導， 驗證此研究款式之永磁真空斷路器所使用之彈簧常數、活動觸頭之平均分閘速度均為合理設計，且經 ANSYS 有限元素分析證實，其操作部桿件與斷路部桿件強度為安全無虞。

致 謝

本產學合作研究計畫，係來自永彰機電股份有限公司承接經濟部能源局之業界能源科專計畫轉委託計畫， 承蒙永彰機電提供真空斷路器以供研究，董事長特助蔡錦霞小姐及機電設計課黃博蒼課長的大力協助，特此致 謝。

參考文獻

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