高紀(jì)軒 付冠青 夏繼強(qiáng)

（上海電氣輸配電試驗中心有限公司，上海 200072）

0 引言

接地開關(guān)是用于將回路接地的一種機(jī)械開關(guān)裝置，在線路檢修時可以保護(hù)人身及設(shè)備安全[1]。在異常條件下，高壓開關(guān)設(shè)備發(fā)生帶電關(guān)合接地開關(guān)的誤操作時，接地開關(guān)應(yīng)能承受規(guī)定時間內(nèi)的短路電流[2]，因此，GB1985—2014中要求E1、E2級接地開關(guān)須具備一定的短路關(guān)合能力[3]。

接地開關(guān)短路關(guān)合試驗是驗證接地開關(guān)短路關(guān)合能力的型式試驗項目。手動式操作的高壓開關(guān)柜內(nèi)，通過檢測人員現(xiàn)場操作試品進(jìn)行接地開關(guān)短路關(guān)合試驗。在試驗中因試品質(zhì)量等問題，有可能發(fā)生觸頭燒損、彈跳甚至飛弧等危險，一旦試驗失敗，試品發(fā)生爆炸并向殼外噴射火焰、液體、氣體或金屬微粒，將危及檢測人員的人身安全[4-5]。試驗過程中，手動操作試品關(guān)合難以精準(zhǔn)把控操作時間。關(guān)合時刻超前或延遲于試驗斷路器，會導(dǎo)致不能關(guān)合電流或者合閘相角不適宜，從而無法關(guān)合滿足要求的峰值電流，則選相合閘無法發(fā)揮作用，需進(jìn)行多次關(guān)合試驗方能獲取標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的短路關(guān)合電流[6]。因此，手動式操作具有危險性高、可靠性差的缺點(diǎn)。

相關(guān)資料[7-10]顯示，關(guān)于高壓開關(guān)柜接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用已有眾多學(xué)者研究，短路關(guān)合的試驗方法也有文獻(xiàn)涉及，在大容量試驗室考慮安全性的手動式開關(guān)短路關(guān)合試驗用的裝置卻少有文獻(xiàn)討論，因此，本文對短路關(guān)合試驗中可代替人工手動操作的自動裝置進(jìn)行研究。高壓電氣設(shè)備常配的氣壓操動機(jī)構(gòu)具有操作功大、電源功率小、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在抗干擾能力、動作速度和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異[11-12]，所以本文以壓縮空氣作為動力源，氣缸作為執(zhí)行元件，借助平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計一種代替人工現(xiàn)場手動操作接地開關(guān)關(guān)合的裝置，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制方式下的接地開關(guān)短路關(guān)合試驗。該裝置可解決短路關(guān)合試驗手動操作安全性低的問題，且裝置穩(wěn)定性高、時間控制性好、利于合閘相角的調(diào)節(jié)，可提高試驗效率，更好地滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 基本工作原理

手動接地開關(guān)的關(guān)合依靠操作手柄按規(guī)定方向運(yùn)動一定角度，帶動開關(guān)柜內(nèi)部操動機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)合。操作手柄的運(yùn)動方式為平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，設(shè)計的平面連桿機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 連桿機(jī)構(gòu)

圖1中，氣缸1為主動件，傳動桿2、操作繩3為從動件，操作手柄4為輸出構(gòu)件，構(gòu)件5、6為機(jī)架，A、B、C、D、E、F為轉(zhuǎn)動副，G為移動副。氣壓作用下氣缸1向左伸出活塞桿推動傳動桿2做順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時操作繩3帶動操作柄4也做順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動關(guān)合試品。首先對傳動桿進(jìn)行受力分析計算觸發(fā)試品關(guān)合的推力，傳動桿受力情況如圖2所示。

由圖2知，傳動桿在氣缸推力的分力F桿作用下順時針旋轉(zhuǎn)，由BC位置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動到B′C′位置過程中，旋轉(zhuǎn)角α先減小為0°，過豎直位置后再增大為α，前后過程對稱。實際工況中觸發(fā)角度范圍區(qū)間在 10°～45°，考慮工程裕量，取觸發(fā)角度為60°時開關(guān)觸發(fā)關(guān)合，即最大旋轉(zhuǎn)角α=30°。受力關(guān)系滿足式（1）和式（2）。

圖2 傳動桿受力情況

對試品操作手柄（圖1中E處）進(jìn)行受力分析，如圖3所示，受力關(guān)系滿足式（3）。

圖3 操作柄受力分析

標(biāo)準(zhǔn)GB 1985—2014《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》規(guī)定了人力操作的最大力，如5.105.2規(guī)定一轉(zhuǎn)以內(nèi)操作隔離開關(guān)或接地開關(guān)所需要的操作力應(yīng)不大于250N[13]。為保證操作可靠性，本文按最大操作力250N的1.2倍設(shè)計動力氣缸推力，即F0=300N。由式（1）、式（2）和式（3）可推導(dǎo)得

按1.1倍工程裕量，取氣缸推力為508.07N。

2 結(jié)構(gòu)部分設(shè)計

考慮到不同生產(chǎn)廠家不同類型試品，接地開關(guān)操作手柄的長度、運(yùn)動行程、運(yùn)動軌跡及受力情況均有區(qū)別，因此為了使裝置盡可能適配大多數(shù)廠家的試品，本裝置傳動機(jī)構(gòu)基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行設(shè)計。傳動裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳動裝置總體結(jié)構(gòu)

由圖4可知，裝置主要由機(jī)構(gòu)支架、傳動桿、傳動軸及氣動元件構(gòu)成，觸發(fā)電磁閥后，氣缸活塞桿向左伸出推動傳動桿做順時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時帶動試品操作手柄向右旋轉(zhuǎn)關(guān)合試品。傳動桿利用杠桿原理將氣缸推力傳遞到繩子端，需要承受一定強(qiáng)度的拉力，鑒于安全性，應(yīng)具備良好的絕緣性能，選用環(huán)氧樹脂材料的環(huán)氧棒。繩子與傳動桿經(jīng)過彈簧扣連接，當(dāng)操作手柄長度發(fā)生變化時，可以通過調(diào)節(jié)繩子與傳動桿的連接位置改變傳動桿的旋轉(zhuǎn)半徑，從而實現(xiàn)運(yùn)動行程的改變。此時操作手柄、繩子、轉(zhuǎn)動桿仍構(gòu)成似平行四邊形機(jī)構(gòu)，以保證水平方向的拉力，增強(qiáng)裝置的適配性。傳動桿處連接工位如圖5所示。

圖5 傳動桿處連接工位

傳動機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動的氣缸和曲線運(yùn)動的操作手柄連接，保證氣缸做更多的有效機(jī)械功。傳動機(jī)構(gòu)部件如圖6所示。

圖6 傳動機(jī)構(gòu)部件

3 動力部分設(shè)計

3.1 開關(guān)觸發(fā)行程計算

根據(jù)不同廠家不同類型試品的接地開關(guān)，操作手柄r范圍區(qū)間在200～500mm，旋轉(zhuǎn)角度θ范圍區(qū)間在0～90°。接地開關(guān)觸發(fā)角度范圍區(qū)間在10°～45°。充分考慮工程裕量，取最大觸發(fā)角度為60°， 最大操作手柄長度為500mm；取最小觸發(fā)角度為 30°，最小操作手柄長度為200mm?；￠L公式為

由式（5）計算得出開關(guān)觸發(fā)最大行程為523mm，最小行程為105mm。

3.2 氣缸及空氣壓縮機(jī)規(guī)格選型

根據(jù)3.1節(jié)中開關(guān)觸發(fā)行程及推力計算結(jié)果，氣缸需要提供較大推力及較長的行程?？紤]氣缸運(yùn)動速度較快，本文選用具備緩沖能力的粗桿緩沖氣缸，用以減小氣缸對裝置的沖擊，動力氣缸參數(shù)見表1。

表1 動力氣缸參數(shù)

式中：P為壓強(qiáng)；F為推力；S為受力面面積；h為氣缸有效行程；d為受力面直徑（受力面為圓形）；V為氣缸儲氣量。

由式（5）～式（8）推導(dǎo)出產(chǎn)生780N推力所需壓強(qiáng)P為0.389MPa，氣缸儲氣量為0.785L，最低壓強(qiáng)值為0.259MPa。

為了產(chǎn)生不低于0.259MPa的氣壓，空氣壓縮機(jī)儲氣罐中存儲的氣體應(yīng)不低于2.96L。儲氣量為8L的空氣壓縮機(jī)，可以維持儲氣量為0.785L的動力氣缸工作6次，滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求E2級接地開關(guān)具備5次短路關(guān)合能力的次數(shù)。另外，實際工況中若發(fā)生氣缸過載或者電磁閥故障等意外情況，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)應(yīng)不大于氣缸及電磁閥的最大使用壓力，無需為裝置加設(shè)氣壓保護(hù)回路，從而便于維護(hù)檢修。因此本設(shè)計所選空氣壓縮機(jī)參數(shù)見表2。

表2 空氣壓縮機(jī)參數(shù)

3.3 電磁閥規(guī)格選型

本文選用二位五通雙電控電磁閥對氣缸進(jìn)行雙向控制，實現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動?？紤]接地開關(guān)短路關(guān)合試驗對開關(guān)關(guān)合速度的要求，所選電磁閥參數(shù)見表3。

表3 電磁閥參數(shù)

式中：Q為氣體流量；υ為氣缸運(yùn)動速度；t為氣缸運(yùn)動時間。

依據(jù)所選氣缸參數(shù)及電磁閥流量范圍聯(lián)立式（7）、式（9）和式（10）可以計算得出氣缸運(yùn)動速度范圍為1.32m/s＜υ＜1.74m/s，理論動作時間范圍為205ms＜t＜303ms。

4 短路關(guān)合試驗驗證

為了驗證裝置的可行性，用本文設(shè)計的裝置對川開電氣有限公司制造的XGW—12（箱式）戶外交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行額定短路關(guān)合電流5kA、額定短時耐受電流2kA的短路關(guān)合試驗，試驗回路如圖7所示。圖7中，1QS為進(jìn)線隔離開關(guān)，2QS為主變二次側(cè)隔離開關(guān)，1QF為進(jìn)線斷路器，2QF為保護(hù)斷路器，3QF為試驗斷路器，L為電抗器，SP為試品，F(xiàn)Y為分壓器，Rogoski coil為羅氏線圈。網(wǎng)絡(luò)試驗站進(jìn)線電壓35kV，試驗回路線電壓12kV，單相回路阻抗值3.4Ω。帶載試驗布置如圖8所示。

圖7 接地開關(guān)短路關(guān)合試驗回路

圖8 帶載試驗布置

首先，空載情況下進(jìn)行2次遠(yuǎn)控合閘操作，保證裝置及試品等正常動作，再進(jìn)行帶載遠(yuǎn)控試驗。短路關(guān)合試驗波形如圖9所示，tA時刻接通電源送電，tB時刻試品關(guān)合短路開始，tC時刻切斷電源短路結(jié)束。經(jīng)采集系統(tǒng)得到的裝置動作時間見表4。其中，動作時間為發(fā)出關(guān)合信號到試品關(guān)合的時間，裝置動作最短時間217ms，最長時間223ms，動作時間在理論計算值內(nèi)滿足要求。本次現(xiàn)場試驗預(yù)設(shè)關(guān)合時刻為248ms，繼電器和接觸器等固定動作時間30～60ms，實際測量關(guān)合時刻295.6～297.3ms，最大時間差1.7ms。裝置帶動試品關(guān)合過程中，氣缸并非伸出全部行程，而是一定行程時即可觸發(fā)試品內(nèi)部操動機(jī)構(gòu)動作，關(guān)合開關(guān)。因此，本裝置實際動作時間比理論計算值更短。

表4 裝置動作時間

圖9 短路關(guān)合試驗波形

圖9中，Ia為A相電流，Ib為B相電流，Ic為C相電流；Max為最大值，Min為最小值，Peak為峰峰值，RMS為有效值。A、B、C三相電流有效值分別為2.167kA、1.986kA、2.296kA，C相短路關(guān)合電流最大值為5.103kA，短路持續(xù)時間223.5ms。短路電流的峰值及有效值均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 1985—2014第6.101.5條和DL/T 486—2010[14]第4.101條中對短路關(guān)合電流的要求。試驗時檢測人員進(jìn)行一次預(yù)期試驗，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整試驗回路阻抗及合閘相角。試驗過程中調(diào)節(jié)了一次合閘相角，成功完成2C-x- 2C-y-1C試驗，選相合閘可以有效作用于試驗，并且試驗過程中無需人員進(jìn)入試驗區(qū)。若因試品質(zhì)量問題導(dǎo)致試驗失敗，向外噴射氣體、液體、火焰或金屬微粒等也不會危及操作人員。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并研制出一種氣壓傳動裝置，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的接地開關(guān)短路關(guān)合試驗。經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，本裝置用于接地開關(guān)短路關(guān)合試驗可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。該氣壓傳動裝置不僅解決了試驗室人工現(xiàn)場手動操作開關(guān)進(jìn)行關(guān)合試驗安全性低的問題，而且可靠性高、穩(wěn)定性好，有效提高了試驗的安全性和試驗效率，適配于最大操作力不超過250N的高壓手動式開關(guān)，具有一定的實用價值。