喬恒棟 呂金剛

摘要：隨著時代的快速前進(jìn)，各領(lǐng)域?qū)τ秒姷男枨蟛粩嘣龃?，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，供電質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高。在配電和供電系統(tǒng)中，由于高壓開關(guān)的特殊作用，其可靠性和免維護(hù)的要求更高，因此世界各國對高壓開關(guān)的理論研究和設(shè)計開發(fā)一直在不斷地進(jìn)行著。

關(guān)鍵詞：高壓真空斷路器;操動機(jī)構(gòu);可靠性;分析研究

引言

滿足工程應(yīng)用中的客觀需求是真空斷路器研究中的一項很重要的課題。因真空斷路器市場占有率在逐年增加，故障也呈逐年增加的趨勢，其故障的發(fā)生主要集中在機(jī)械部分。根據(jù)近幾年的調(diào)查統(tǒng)計資料顯示，在高壓開關(guān)的故障中，非電類故障率接近70%，其中40%以上屬于操動機(jī)構(gòu)故障。由此可見，高壓開關(guān)操動機(jī)構(gòu)事故在整個高壓開關(guān)事故中占有很大的比例。因此加強(qiáng)真空操動機(jī)構(gòu)的研究，特別是對影響操動機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵控制點的研究尤為重要。

1概述

真空斷路器具有兩大部件：一為真空滅弧室，相當(dāng)于真空斷路器的心臟，另一為操動機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于真空斷路器的神經(jīng)中樞。操動機(jī)構(gòu)為斷路器完成分、合閘操作，對真空斷路器的操作性能影響很大。而操作機(jī)構(gòu)又是真空斷路器中機(jī)械結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、維護(hù)工作量最大的部件。國內(nèi)外的統(tǒng)計表明，操動機(jī)構(gòu)的故障占真空斷路器總故障的89.4%。由此可見，操動機(jī)構(gòu)的可靠性至為重要。真空斷路器操動機(jī)構(gòu)包括電磁、彈簧、永磁操動機(jī)構(gòu)。永磁操動機(jī)構(gòu)因其出力特性與真空斷路器的負(fù)載特性吻合度好而成為目前的研究熱點。

2高壓真空斷路器操動機(jī)構(gòu)的分類

1）手動操動機(jī)構(gòu)：靠手動直接合閘的操動機(jī)構(gòu)。2）液壓操動機(jī)構(gòu)：利用液壓作為動力傳動介質(zhì)，操動方式有兩種：直接驅(qū)動和儲能式。3）電動操動機(jī)構(gòu)：利用電動機(jī)經(jīng)減速裝置帶動開關(guān)合閘的操動機(jī)構(gòu)。4）氣動操動機(jī)構(gòu)：利用壓縮空氣作為能源產(chǎn)生推力的操動機(jī)構(gòu)。5）電磁操動機(jī)構(gòu)：靠電磁力合閘的操動機(jī)構(gòu)。6）彈簧操動機(jī)構(gòu)：利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機(jī)構(gòu)。彈簧儲能通常由電動機(jī)通過減速裝置來完成。7）永磁從動機(jī)構(gòu)：利用永磁體實現(xiàn)合閘保持和分閘保持的一種形式的電磁操動機(jī)構(gòu)。其合閘都是采用電磁操作，分閘可有電磁操動和彈簧操動兩種形式。

3機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點及運動特性分析

3.1結(jié)構(gòu)特點

ZW□?126/2000?40型126kV單斷口真空斷路器的整體布局見圖1。斷路器的三相絕緣瓷套安裝在同一個橫梁上，橫梁通過位于其兩側(cè)底部的支柱支撐與地基底座固定，操動機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置設(shè)置在斷路器橫梁邊側(cè)，操動機(jī)構(gòu)控制箱位于斷路器橫梁底端中部。高壓真空斷路器電機(jī)操動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器和傳動機(jī)構(gòu)3部分組成，采用一臺電機(jī)直接驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷路器三極機(jī)械聯(lián)動的總體設(shè)計方案，見圖2。驅(qū)動電機(jī)位于斷路器邊相位置，其輸出轉(zhuǎn)軸通過法蘭盤與傳動機(jī)構(gòu)連接。傳動機(jī)構(gòu)為一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)，主要包括傳動主軸、拐臂、傳動連桿和絕緣拉桿。傳動主軸的一端通過法蘭盤與驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸連接，三個拐臂等間距固定安裝于傳動主軸上并與驅(qū)動電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。傳動連桿的兩端分別與拐臂和絕緣拉桿鉸鏈連接，將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，從而驅(qū)動斷路器動觸頭運動。

機(jī)構(gòu)運動特性分析126kV真空斷路器永磁電機(jī)操動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運行原理見圖3，并對其進(jìn)行運行狀態(tài)分析。當(dāng)合閘時，驅(qū)動電機(jī)主軸a以旋轉(zhuǎn)方式角度θ推動拐臂ab繞a點以逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動，連桿bc在拐臂ab的作用下以直線移動并旋轉(zhuǎn)的方式運動，絕緣拉桿cde在連桿bc作用下以直線移動方式運動，其位移為dy，動觸頭ef在絕緣拉桿的cd作用下以直線移動方式運動，其位移為S。當(dāng)S=S0時，真空滅弧室動、靜觸頭閉合，真空開關(guān)處于剛合位置。驅(qū)動電機(jī)主軸a繼續(xù)轉(zhuǎn)角θ，由于真空滅弧室動、靜觸頭已閉合，觸頭彈簧組件de上的彈簧開始壓縮，當(dāng)θ=θ0時，驅(qū)動電機(jī)主軸a轉(zhuǎn)動結(jié)束，真空開關(guān)處于合閘狀態(tài)，觸頭彈簧組件de上的彈簧壓縮量為C，即為接觸行程。同理，分閘過程正好與此相反。

3影響高壓真空斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵控制點分析

3.1彈簧

在高壓真空斷路器中，彈簧操動機(jī)構(gòu)使用較為普遍，并且其涉及的彈簧數(shù)量和類型較多，因而它們的可靠性對設(shè)備及電力系統(tǒng)的安全運行具有重要影響。比如合閘彈簧，如果輸出功較小，會導(dǎo)致開關(guān)合閘速度過小，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器合不上閘;如果輸出功較大，速度過高，不管是對機(jī)構(gòu)還是滅弧室都會造成較大的沖擊力，影響到斷路器的使用壽命。再比如分閘彈簧，如果輸出功較大，在合閘功不變的情況下，會導(dǎo)致斷路器合閘速度過小，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致斷路器合不上閘;如果輸出功較小，會導(dǎo)致分閘速度過小，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致斷路器分閘不到位。以上兩種情況均會影響到斷路器的開合性能，導(dǎo)致斷路器事故的發(fā)生。所以說對彈簧的尺寸、材料、制造工藝和載荷性質(zhì)進(jìn)行合理的分析、設(shè)計與制造，進(jìn)而提高彈簧的疲勞可靠度，對操動機(jī)構(gòu)的性能至關(guān)重要。

3.2合閘及合閘保持單元

彈簧操動機(jī)構(gòu)在完成儲能以后，都是采用機(jī)械保持的方法來維持儲能，可采用手動或電動的方式觸動儲能機(jī)械保持單元，釋放彈簧能量，來實現(xiàn)斷路器的合閘操作。在完成合閘操作后，又都是通過另外一套機(jī)械保持單元來維持合閘。如果用于保持儲能的機(jī)械保持單元和用于保持合閘的機(jī)械保持單元設(shè)計不合理，或者結(jié)構(gòu)零部件所采用的原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝滿足不了操作需求，便會導(dǎo)致合閘及合閘保持失效，或拒合等機(jī)械故障。

3.3分閘單元

斷路器在完成合閘后便處于合閘保持狀態(tài)，在正常和非正常狀態(tài)下，通過手動或者電動的方式觸動合閘機(jī)械保持單元，通過分閘彈簧功的作用，使斷路器完成分閘操作。所以說對于分閘單元零部件的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝合理化設(shè)計，對操動機(jī)構(gòu)性能影響尤為重要。

3.4凸輪、拐臂和連桿等傳動部件的材質(zhì)與加工工藝

對于彈簧操動機(jī)構(gòu)工作原理，主要就是通過很多的傳動部件的配合來實現(xiàn)，如果存在設(shè)計的不合理，必然會導(dǎo)致操動機(jī)構(gòu)可靠性較差。比如，零部件硬度高低來說，要是硬度過低，隨著操動機(jī)構(gòu)使用，會引起傳動部件的彎曲變形等;要是硬度過高，會引起傳動部件的斷裂等。不管是傳動部件的彎曲，還是斷裂對于操動機(jī)構(gòu)的影響都是致命的，所以說對于操動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵傳動部件的選材、結(jié)構(gòu)的設(shè)計精度、加工精度和加工質(zhì)量，對于減少機(jī)械故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

結(jié)語

為了減少機(jī)械故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)該努力改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，提供加工精度和加工質(zhì)量。提高操動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵控制點設(shè)計精度，在設(shè)計階段，進(jìn)行仿真分析，清除不合理因素，使產(chǎn)品的設(shè)計與實際要求最大限度的吻合。嚴(yán)格把關(guān)操動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵控制點零部件的選材，提高操動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵控制點零部件的加工工藝，使產(chǎn)品的加工精度和加工質(zhì)量與設(shè)計要求最大限度的吻合。

參考文獻(xiàn)

[1]李建基.特高壓、超高壓、高壓、中壓開關(guān)設(shè)備實用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2018：180-184.

[2]方彥.基于永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器[J].價值工程，2017（35）.

[3]張月存，金浩，周紅霞，等.真空斷路器永磁操動機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展[J].黑龍江電力，2017，2428（4）：254-263.