SF6斷路器操作彈簧疲勞特性試驗研究

鄧集，毛文奇，黎治宇，陳國平，蔣新苗

(1.湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙410007;2.江蘇省如高高壓電器有限公司，江蘇如皋226572)

SF6斷路器因其優異的滅弧性能、極佳的運行可靠性及長期免維護的優點取代少油斷路器在電網中大量使用〔1〕。其中使用彈簧操動機構作為操動機構的高壓斷路器隨著自能式SF6斷路器的問世應運而生，因為彈簧操動機構結構小巧，操作靈活，無漏油和漏氣之慮，可靠性高，所以采用彈簧操動機構的斷路器占有相當數量比例〔2〕。

彈簧操動機構分合閘操作通過分、合閘操作彈簧來實現。儲能電機給合閘彈簧壓縮儲能，合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧壓縮儲能。作為彈簧操動機構核心部件之一的操作彈簧對彈簧操動機構的可靠動作起著重要作用。針對近年來彈簧操動機構發生的一些故障，發現操作彈簧由于分合閘操作時壓縮及釋放能量，并且長期處于壓縮狀態，在運行一定年限年后出現不同程度的疲勞，導致斷路器因操作彈簧釋放能量不足發生拒分、拒合故障，因為該類故障具有突發性，所以嚴重影響電網的安全運行。

從文獻〔3-4〕可知，許多研究者對于彈簧操動機構的操作彈簧的可靠性進行了一些分析計算，但缺少對實際使用的操作彈簧的試驗研究。本文選取實際使用的典型操作彈簧為試驗對象，按照彈簧操動機構設計機械壽命10 000次進行機械操作，對操作彈簧的外形尺寸、壓縮負荷、分閘合閘速度和時間等特征參量進行了測量，得出了操作彈簧特征參量與操作次數的關系曲線。

1 試驗材料及方法

1.1 操作彈簧材料的選擇

選擇高品質原材料是確保操作彈簧可靠性的前提。按設計時選取工作剪切應力的范圍，60Si2CrVA是同類材料的首選，其機械性能比應用較為普遍的60Si2MnA要高。由于在鋼中加入了鉻和釩，使得其彈性極限、高溫強度極限及淬透性都相應提高，并消除了含硅彈簧鋼的脫碳及石墨化傾向，在常溫及較高溫工作條件下機械性能都比較穩定。

1.2 操作彈簧出廠試驗要求

操作彈簧出廠試驗主要是按相關國標、圖樣及技術要求對彈簧逐一進行幾何尺寸、壓力、硬度、垂直度等項目的檢測。

表1為某國內斷路器生產廠家對其LW36-126型SF6斷路器彈簧操動機構使用的操作彈簧的出廠試驗要求，其中合閘彈簧為大彈簧內部套小彈簧的雙簧結構。彈簧示意圖見圖1。

表1 操作彈簧出廠試驗要求

圖1 彈簧示意圖及相關測量參數

1.3 試驗材料

本試驗采用某國內斷路器生產廠家LW36-126型SF6斷路器彈簧操動機構所使用的分、合閘操作彈簧，彈簧材料為60Si2CrVA。通過數控全自動拉壓彈簧試驗機、游標卡尺、高度尺等測量工具來測量彈簧的相關參數，機械操作試驗前操作彈簧的相關測量數據見表2。數據表明，本試驗使用的操作彈簧各測量參數符合相關技術要求。

表2 操作彈簧參數測量數據

1.4 試驗設備

將被試分、合閘彈簧裝配在配套的彈簧操動機構上，該彈簧操動機構與模擬試驗裝置相連接，如圖2所示。該模擬裝置可通過改變傳動質量來正確模擬斷路器滅弧室的工作情況，同時通過直線位移傳感器及斷路器特性測試儀來測量分、合閘速度和時間。被試彈簧操動機構與模擬試驗裝置總裝完成后，機械操作試驗前分、合閘速度和時間測量值分別為:分閘速度4.77 m/s，分閘時間30.1 ms，合閘速度4.26 m/s，合閘時間68.5 ms，該測試數據均滿足廠家對斷路器的技術要求。

圖2 操動機構與模擬裝置組裝圖

1.5 試驗方法

在安裝前用相應的測量工具測量并記錄彈簧的相關參數，在0～2 000次機械操作中以400次間隔測量彈簧的相關參數以及分、合閘速度和時間，在2 000～10 000次機械操作中以1 000次間隔測量彈簧相關參數、分閘與合閘速度和時間。

2 試驗結果與討論

2.1 操作彈簧的預壓縮和工作位置壓力、外徑、線徑、自由長度變化與操作次數的關系

合閘大彈簧、合閘小彈簧和分閘彈簧N次操作后的預壓縮位置壓力 (P1N)和工作位置壓力(P2N)、外徑D、線徑d、自由長度lN與操作次數0次時預壓縮位置壓力 (P10)和工作位置的壓力(P20)、外徑D、線徑d、自由長度l0的比值和分合閘操作次數的關系曲線如圖3～8所示。

圖3 合閘大彈簧壓力比值與操作次數關系

圖4 合閘小彈簧壓力比值與操作次數關系

圖5 分閘彈簧壓力比值與操作次數關系

圖3～5為分、合閘操作彈簧預壓縮位置壓力和工作位置壓力隨操作次數增加的變化曲線。如圖所示，隨操作次數的增加操作彈簧壓力起初迅速下降，經過一定操作次數后基本穩定，操作次數8 000次以后有回升的趨勢;預壓縮位置壓力變化明顯大于工作位置壓力變化;合閘大彈簧的壓力變化明顯小于合閘小彈簧和分閘彈簧的壓力變化。

圖6 合閘大彈簧外形尺寸比值與操作次數關系

圖7 合閘小彈簧外形尺寸比值與操作次數關系

圖8 分閘彈簧外形尺寸比值與操作次數關系

圖6～8為分、合閘操作彈簧外形尺寸隨操作次數增加的變化曲線。如圖所示，隨著操作次數增加，螺旋彈簧的自由長度均呈現下降趨勢，但變化量很小，而外徑、線徑略有增加，同樣變化量也很小;合閘大彈簧的外形尺寸變化明顯小于合閘小彈簧和分閘彈簧的外形尺寸變化。

2.2 分、合閘速度及時間變化與操作次數的關系

操作彈簧N次操作后測量的分閘速度V分閘N與操作次數0次時分閘速度V分閘0的比值、分閘時間t分閘N與分合閘操作次數0次時分閘速度t分閘0的比值和分合閘操作次數的關系曲線如圖9所示。

圖9 分閘速度、分閘時間比值與操作次數關系

如圖9所示，分閘速度、分閘時間隨操作次數增加而增加，6 000次以后，分閘時間明顯增加，而分閘速度明顯下降，但8 000次以后，分閘時間略有下降，而分閘速度略有增加。操作次數6 000次以后出現的變化，分析認為是由于操動機構傳動部件磨損，傳動效率下降，導致分閘速度下降、分閘時間增加;而操作次數8 000次以后出現的變化，分析認為是分閘彈簧工作壓力增加導致分閘速度上升，分閘時間減少 (參見圖5)。

操作彈簧N次操作后測量的合閘速度V合閘N與操作次數0次時合閘速度V合閘0的比值、合閘時間t合閘N與操作次數0次時合閘速度t合閘0的比值和分合閘操作次數的關系曲線如圖10所示。

圖10 合閘速度、合閘時間比值與操作次數關系

如圖10所示，合閘速度、合閘時間隨分合閘操作操作次數增加有所波動，但操作次數為6 000次以后，合閘時間明顯增加后又趨于穩定，同時分閘速度也明顯下降后又趨于穩定。針對操作次數6 000次以后出現的變化，分析系同樣由于操動機構傳動部件磨損，傳動效率下降，導致合閘速度下降、合閘時間增加。

3 結束語

3.1 操作彈簧的預壓縮位置和工作位置壓力隨操作次數增加均有下降，預壓縮位置壓力變化大于工作位置壓力變化，合閘大彈簧壓力變化小于合閘小彈簧和分閘彈簧。

3.2 操作彈簧的自由長度隨操動次數增加均有下降，彈簧的外徑、線徑隨操動次數的增加略有增加，合閘大彈簧外形尺寸變化小于合閘小彈簧和分閘彈簧。

3.3 操作次數為6 000次以后，分、合閘速度明顯下降后又趨于穩定，分、合閘時間均有增加，但操作次數為8 000次以后，分閘速度略有增加，分閘時間略有下降。

3.4 操作彈簧的外形尺寸、壓縮負荷、分、合閘速度和時間與操作次數關系分析對彈簧操動機構的檢修具有一定的參考價值。

3.5 運行中的斷路器尤其是高電壓等級的斷路器每年的分、合閘操作次數極少，分、合閘彈簧長期處于強壓縮狀態，因為機械操作壽命試驗一般在較短時間段內完成，這與斷路器運行的實際工況有所不同，因此對于運行中操作彈簧的狀態和疲勞特性還有待進一步的研究。

〔1〕徐國政，張節容，錢家驪，等.高壓斷路器原理和應用〔M〕.北京:清華大學出版社，2000.

〔2〕苑舜.高壓斷路器彈簧操動機構〔M〕.北京:機械工業出版社，2001.

〔3〕舒服化.高壓斷路器彈簧操動機構合閘彈簧可靠性分析〔J〕.高壓電器，2007，43(5):368-370.

〔4〕周勇，周北岳，李小松.基于ANSYS的斷路器保持彈簧沖擊響應分析〔J〕.高壓電器，2009，45(3):15-17.

〔5〕黃亞宇，王立華，董明智.基于多體動力學的彈簧操動機構的動態特性研究〔J〕.機械設計與研究，2007，23(2):32-36.