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基于TRIZ理论的真空断路器的分析与改进
作者:李善敏 张宇 赵炘
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工业设计/产品设计展厅
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由于真空介质的优异绝缘与开断特性,真空断路器在电力系统中得到了广泛的应用。触头表面情况是决定真空断路器绝缘特性的主要因素之一,高频涌流会局部烧蚀触头表面,使得触头闭合时发生熔焊,而触头拉开后会在表面形成微突起,同时部分突起在开断过程中会产生微粒,这就严重影响了真空断路器的绝缘性能,现通过结合TRIZ理论对上述问题进行分析,得出改进方案。

1 TRIZ理论

TRIZ是俄语“发明问题解决理论”的缩写,TRIZ理论是由前苏联发明家G.S.Altshuller和他的同事从1946年起经过50多年对300多万件发明专利进行研究、整理和归纳,最终建立起的一套系统化的、实用的解决发明问题的理论和方法体系。现代TRIZ理论的核心思想主要体现在3个方面:首先,无论是一个简单产品还是复杂的技术系统,其核心技术的发展都是遵循客观的规律发展演变的,即具有客观的进化规律和模式;其次,各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力;最后就是技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。运用TRIZ理论可以加快创造发明的进程,而且能得到高质量的创新产品。

1.1 TRIZ理论的问题模型和工具

当一个技术系统出现向题时,其表现形式是多样的;因此解决问题的手段也是多样的,关键是要区分技术系统的问题属性和产生问题的根源。根据问题所表现出来的“参数属性”、“结构属性”和“资源属性”,TRIZ的问题模型共有4种形式:技术矛盾、物理矛盾、物质-场问题、知识使能问题。与此相应,TRIZ的工具也有4种:矛盾矩阵、分离原理、标准解系统、知识与效应库。

1.2 技术矛盾

技术矛盾是指技术系统中两个参数之间存在着相互制约,即在提高技术系统的某个参数时,导致了另一个参数的恶化而产生的矛盾。技术矛盾在所有的人工制造物中无处不在、无时不有。利用TRIZ往往能够得到较为彻底的解决方法,使矛盾的双方(两个通用工程参数)都达到最优。TRIZ理论技术矛盾解决问题的模式与思路如下:将一个待解决的实际问题转化为利用39个通用工程参数描述的技术矛盾;然后针对这种类型的问题模型,根据矛盾矩阵表从40条创新原理中抽取可利用的原理得出解决方案模型,最终结合现实技术来解决实际问题。

2 问题的提出

电网运行过程中容性电流开断主要有空载架空线、电缆和电容器组,其中开断电容器组是一项频繁的操作任务。虽然容性开断电流很小,但由于开关两端的直流恢复电压,偶尔会引起弧后重击穿,甚至会发生延时重击穿,重击穿产生的过电压会损坏断路器本身及其他电力系统设备。研究表明,导致重击穿的原因主要有2点:由场致发射引起的重击穿和由微粒引发的重击穿。

空断路器在关合电容器时会出现涌流,频率会达到几百赫兹甚至几千赫兹,幅值比电容器正常工作电流大几倍甚至几十倍,其预击穿电弧会局部性地烧蚀和熔化触头表面。在投切电容器组的过程中,当触头闭合时,由于预击穿电弧局部加热作用触头表面发生熔焊,然后触头被迫拉开时,熔焊区会破裂,大量微粒和突起就会在触头表面形成,由此就存在了一定的弧后重击穿的可能性,而且开断过程中由于熔焊区金属微粒的喷发和熔焊区的破裂,触头表面会出现微粒,从而引发重击穿。在真空灭弧室的设计过程中,触头表面始终会残留微粒,由于真空电弧的作用,更多的微粒会产生,这直接影响了真空间隙的重击穿过程。

3 问题的解决

由此可知,真空间隙的重击穿机理表明:真空触头的材料与触头的表面状况对真空间隙的绝缘都是非常重要的因素。触头材料对真空间隙的耐压水平有重要影响,提高材料的硬度或机械强度有益于提高耐压水平,但如果提高触头材料的硬度或机械强度会降低触头材料的抗熔焊性。可知:触头材料的硬度越大,熔焊性能判据值越小,触头材料抗熔焊性能越差;触头材料的机械强度越高,熔焊力越大,触头材料的抗熔焊性能越差。这样就可以根据TRIZ理论的39个通用工程参数,对这一问题建立问题模型,将触头材料的硬度或机械强度看作改善的通用工程参数中的强度,而抗熔焊性降低问题可以看作为恶化的通用工程参数中结构的稳定性问题。因此,可以把强度和结构的稳定性作为技术矛盾的2个参数,建立真空断路器重击穿的问题模型。

将上述建立的模型参数在矛盾矩阵表(见表1)中找出交叉点,可得出创新原理编号为13,17,35,与这3个编号相对应的创新原理为“反作用原理”、“空间维数变化原理”、“物理或化学参数改变原理”。

表1 矛盾矩阵表
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由矛盾矩阵选出来的创新原理只是普遍性的一般解,更重要的是要将其应用于实际问题中,从而得到特定解。矛盾矩阵所建议的原理仅表明了解决问题的可能方向,并不代表所有推荐的原理对具体问题都是可行的,需结合实际问题过滤掉一些明显不符合要求的原理,然后将选定的可行原理应用到待设计系统中去。所以,根据以上创新原理经过分析,得出以下解决方法。

原理13:反向作用原理。(1)用相反的动作,代替问题定义中所规定的动作;(2)把物体上下或内外颠倒过来;(3)让物体或环境,可动部分不动,不动部分可动。依据该原理没有解。

原理17:空间维数变化原理。(1)将物体变为二维运动以克服一维直线运动或定位的困难,或过渡到三维空间运动以消除物体在二维平面运动或定位的问题;(2)单层排列的物体变为多层排列;(3)将物体倾斜或侧向放置;(4)利用照射到临近表面或物体背面的光线。根据该原理可以采用2个真空灭弧室串联使用以提高其开断能力,如用2个14mm开距的真空灭弧室相串联,经试验得出其绝缘耐压能力比一个28mm开距的灭弧室提升40%,这是因为2个灭弧室有着独立的重击穿概率,而且击穿概率不与触头行程成线性关系。

原理35:物理或化学参数改变原理。(1)改变聚集态;(2)改变浓度或密度;(3)改变柔度;(4)改变温度。根据该原理可以在高硬度的触头材料中加人合金元素添加剂,利用合金材料的偏析现象,在触头材料中添加低熔点相元素,如在铜钨合金中添加Ni,铜铬合金中添加Bi,都可以减低熔焊力,从而提高抗熔焊性能。

4 结束语

本文将TRIZ理论应用到真空断路器的改进上,利用TRIZ理论中的技术矛盾,将实际问题通过39个工程参数建立起问题模型,然后通过矛盾矩阵表找出符合条件的创新原理,通过对这些原理的改进,有效降低了重击穿的概率,提高了真空断路器的使用寿命。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2012-3-7)
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