國產開關彈簧機構改進的探討及方法

楊文青+++石巧莉+++周曉琴+++丁倩

摘 要：近年來，具有彈簧機構的斷路器越來越普及，與過去的直流電磁機構相比具有動作快、合閘電流小、儲能電源容量小、交直流均可使用等優點，但在實際檢修中，國產操作機構存在著行程開關易燒壞、機構易卡澀等問題，為了提高操作機構的可靠性，文章借鑒ABB、西門子等廠家的改進方法，對彈簧操作機構進行了改進，試驗顯示：在行程開關接點拉弧的垂直方向上加裝一個直徑為5毫米的磁鐵，可以較為明顯的改善斷路器的滅弧性能；在分合閘回路的串接接點上并聯一副輔助接點，能較為顯著地降低線圈燒毀的概率；脫扣機構的轉軸與機構支架采用軸與軸承連接可以明顯的改善其靈活性。

關鍵詞：彈簧機構；分合閘啟動裝置；行程開關；輔助開關；脫扣器

引言

高壓斷路器是電力系統中重要的開關設備，主要作用是正常運行時，用來接通和開斷電路中的負荷電流；在故障時，用來開斷電路中的短路電流，切除故障電路，按照重閉合的要求還能關合短路電流。高壓斷路器在電力系統中起著操作、控制與保護作用，并具有完善的滅弧裝置。斷路器的類型很多，就其結構而言，都是由通斷元件、絕緣支持元件、傳動結構、基座和操動機構5個基本部分組成。

操作機構可以分為彈簧操作機構、液壓操作機構、氣動操作機構和電磁操作機構四大類，其中彈簧操動機構具有以下優點：（1）要求電源容量小；（2）交直流電源均可用；（3）失去電源仍能操作一次。彈簧操作機構以其顯著優勢而得到大規模運用，它們的可靠性對設備及電力系統的安全運行具有重要影響。據調查，國產高壓斷路器彈簧操動機構的分合閘啟動裝置易發生故障，進而影響電網運行的可靠性。文章針對天津某開關廠ZN22型彈簧機構，探討了彈簧機構的故障原因，并提出了相應的改進措施。

1 彈簧機構概述

彈簧操動機構是一種以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構。彈簧的儲能借助電動機通過減速裝置來完成，并經過鎖扣系統保持在儲能狀態。開斷時，鎖扣借助磁力脫扣，彈簧釋放能量，經過機械傳遞單元使觸頭運動。

彈簧操動機構結構簡單，可靠性高，分合閘操作采用兩個螺旋壓縮彈簧實現。儲能電機給合閘彈簧儲能，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儲能。合閘彈簧一釋放，儲能電機立刻給其儲能，儲能時間不超過15s（儲能電機采用交直流兩用電機）。運行時分合閘彈簧均處于壓縮狀態，而分閘彈簧的釋放有一獨立的系統，與合閘彈簧沒有關系。這樣設計的彈簧操動機構具有高度的可靠性和穩定性，既可滿足O-0.3 sec -CO-180 sec -CO操作循環，又可滿足CO-15sec-CO操作循環，機械穩定性試驗達10000次。

2存在問題

彈簧操作機構優勢顯著，然而在長期的使用中，發現彈簧操作機構故障率遠高于氣動機構、電磁機構與液壓機構，2013年對本公司變電站所使用的開關故障統計如表1和表2所示。

表1 2013年開關設備發生的異常障礙分類統計表

由表1可得，彈簧機構故障數量比重最高，占所有開關故障的71.6%。對彈簧操作機構故障原因詳細排查分類后，得出表2：

表2 2013年彈簧機構異常障礙分類統計表

由表2可得，彈簧操作機構問題主要發生在分合閘啟動裝置上，分合閘啟動裝置故障將直接導致斷路器無法開合、關斷電路，從而影響電網運行。文章對第四季度的彈簧操作機構分合閘啟動裝置故障進行詳細分析：該季度共發生9次障礙、異常，其中行程開關壞3次，輔助開關壞3次，脫扣機構不合理3次。由此可見，解決消除彈簧操作機構的這三個問題，就能減少事故、障礙異常，提高電網設備的安全運行的可靠性，增強防止事故的能力，因此，文章提出對彈簧機構的分合閘啟動裝置進行改進。

3 改進方法

3.1 行程開關改進

行程開關串接在儲能電機回路中，用來控制電機的啟動與停止，直接接通或斷開電機電流，當儲能電機儲能滿后，行程開關跳開停止儲能。行程開關若無法閉合將導致電機無法儲能，若行程開關無法跳開，將導致電機過度儲能從而燒壞電機。如果行程開關的接點容量不夠，就容易燒損粘連導致電機不能儲能或燒毀，從而造成裝置不能動作。另外由于儲能電機均為直流電機，行程開關切斷電機電流時，只有在行程開關幾乎完全打開時，電弧才熄滅，燃弧時間長，也容易使行程開關燒壞。

圖1 儲能回路接線圖及行程開關簡圖

圖1中，SP1為行程開關。為了增強行程開關性能，提高其可靠性，現對其進行改進，縮短燃弧時間。

文章經過大量研究后，參考35KV廈門ABB公司HVD4的儲能行程開關的滅弧方法。在行程開關接點的拉弧的垂直方向上加裝一個直徑為5毫米的磁鐵，并用絕緣性能良好的塑料外殼固定。在切斷電流時，電弧在磁場作用下可被迅速拉長，電弧被提前熄滅。

3.2 輔助開關改進

輔助開關接點串接在分合閘回路中，如圖3所示。其作用是用來切斷控制回路的分合閘電流。它沒有滅弧裝置，直流電流也沒有過零點，因此不易斷弧，再加上彈簧機構的輔助開關接點接觸面小，而且斷開時打開的距離也小，所以容易燒壞，輔助開關的損壞，將直接導致控制回路無法接通，使得分合閘啟動裝置無法啟動。如果遇到有的操動機構性能不好，斷路器合閘時第一次沒有合上.其輔助接點未切換，發生合閘自保持的情況，甚至會造成燒毀合閘線圈的事故。

根據現場的實際情況，輔助開關都留有備用接點，為了增大輔助開關接點的容量，可在串接分合閘回路的接點上再并聯一副輔助接點，使得接點切斷的電流減小一半，從而使接點不再易被燒毀，如圖4所示：

3.3 脫扣器改進

彈簧機構的分閘脫扣板固定在一個轉軸上，在自身彈簧的作用下復位，轉軸利用兩個軸套固定在機構架上。由于轉軸與軸套之間是滑動摩擦，摩擦力較大，此處不加潤滑油，容易銹蝕，加潤滑油，容易積污，造成分閘吃力或脫扣板不能復位，從而使啟動裝置不能正常動作。彈簧操作機構的傳動零件較多，而其本身又對傳動摩擦等反力特別敏感，因此，為保證彈簧機構良好運轉，需有效降低傳動部分的摩擦力。圖5為設備原有的脫扣器。endprint

參考上海西門子10KV斷路器的脫扣原理，文章將脫扣機構的轉軸與機構支架的連接由原來的軸與軸套連接，改進為軸與軸承連接，軸與軸承之間存在滾動摩擦，摩擦力大幅度降低，從而避免了銹蝕、積污造成的脫扣板轉動不靈活。改進后的脫扣器如圖6所示。

4 改進效果及注意事項

（1）行程開關改進后，動作靈活可靠，接點在多次儲能后，無燒傷痕跡，改進后的設備運行三個月，未發生行程開關燒壞故障。

（2）輔助開關改進后，輔助開關切換靈活、可靠，分合多次后，無燒傷痕跡。改進后的設備運行三個月，未發生輔助開關燒壞故障。

（3）脫扣器改進后，脫扣板轉動靈活，長時間操作不卡澀，效果十分理想，彈簧機構的動作可靠性顯著提高。且改進對斷路器本身電氣和機械性能不構成影響，無需進一步做型式試驗。但在改造實施過程中，發現半軸鎖扣的扣合面影響斷路器的分閘時間和分閘電磁鐵的啟動電壓，所以投運前應進行斷路器動作特性的復核。調整分閘電磁鐵芯頂桿與脫扣板之間的間隙，可改變分閘時間；調整半軸鎖扣的旋轉角度對分閘電磁鐵啟動電壓有影響。

5 結束語

斷路器彈簧操動機構具有零部件較多、結構復雜、操作沖擊力大等特點，加之設計、維護以及材料、環境等各種因素的影響，在操作過程中難免會發生一些故障現象，需要加強檢修維護，對于早期投入運行的產品，還應加強運行監測，及時發現和處理其家族性缺陷，從而延長此類操動機構的使用壽命，提高其運行的可靠性。

通過對斷路器彈簧操作機構的改進，提高了彈簧機構的運行可靠性，保證了斷路器的正常運行，進而提高了斷路器的工作性能和使用壽命，降低了斷路器的故障率，為電網的安全可靠運行提供了保障。

參考文獻

[1]吳偉光，馬履中.斷路器操動機構的性能分析與研究[J].機械研究與應用，2000，13（3）；9-11

[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]李建基.高壓斷路器及其應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西省電力公司組.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2009.

作者簡介：楊文青，（1970.1-）女 山東聊城，大專學歷，技師，從事方向：變電檢修.

石巧莉（1980.12-），女，山東聊城，本科學歷，高級工，從事方向：變電檢修。

周曉琴（1985.10-），女，山東聊城，碩士學歷，助理工程師，從事方向：變電檢修。

丁倩（1993.11-），女，電氣工程及其自動化。endprint

參考上海西門子10KV斷路器的脫扣原理，文章將脫扣機構的轉軸與機構支架的連接由原來的軸與軸套連接，改進為軸與軸承連接，軸與軸承之間存在滾動摩擦，摩擦力大幅度降低，從而避免了銹蝕、積污造成的脫扣板轉動不靈活。改進后的脫扣器如圖6所示。

4 改進效果及注意事項

（1）行程開關改進后，動作靈活可靠，接點在多次儲能后，無燒傷痕跡，改進后的設備運行三個月，未發生行程開關燒壞故障。

（2）輔助開關改進后，輔助開關切換靈活、可靠，分合多次后，無燒傷痕跡。改進后的設備運行三個月，未發生輔助開關燒壞故障。

（3）脫扣器改進后，脫扣板轉動靈活，長時間操作不卡澀，效果十分理想，彈簧機構的動作可靠性顯著提高。且改進對斷路器本身電氣和機械性能不構成影響，無需進一步做型式試驗。但在改造實施過程中，發現半軸鎖扣的扣合面影響斷路器的分閘時間和分閘電磁鐵的啟動電壓，所以投運前應進行斷路器動作特性的復核。調整分閘電磁鐵芯頂桿與脫扣板之間的間隙，可改變分閘時間；調整半軸鎖扣的旋轉角度對分閘電磁鐵啟動電壓有影響。

5 結束語

斷路器彈簧操動機構具有零部件較多、結構復雜、操作沖擊力大等特點，加之設計、維護以及材料、環境等各種因素的影響，在操作過程中難免會發生一些故障現象，需要加強檢修維護，對于早期投入運行的產品，還應加強運行監測，及時發現和處理其家族性缺陷，從而延長此類操動機構的使用壽命，提高其運行的可靠性。

通過對斷路器彈簧操作機構的改進，提高了彈簧機構的運行可靠性，保證了斷路器的正常運行，進而提高了斷路器的工作性能和使用壽命，降低了斷路器的故障率，為電網的安全可靠運行提供了保障。

參考文獻

[1]吳偉光，馬履中.斷路器操動機構的性能分析與研究[J].機械研究與應用，2000，13（3）；9-11

[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]李建基.高壓斷路器及其應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西省電力公司組.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2009.

作者簡介：楊文青，（1970.1-）女 山東聊城，大專學歷，技師，從事方向：變電檢修.

石巧莉（1980.12-），女，山東聊城，本科學歷，高級工，從事方向：變電檢修。

周曉琴（1985.10-），女，山東聊城，碩士學歷，助理工程師，從事方向：變電檢修。

丁倩（1993.11-），女，電氣工程及其自動化。endprint

參考上海西門子10KV斷路器的脫扣原理，文章將脫扣機構的轉軸與機構支架的連接由原來的軸與軸套連接，改進為軸與軸承連接，軸與軸承之間存在滾動摩擦，摩擦力大幅度降低，從而避免了銹蝕、積污造成的脫扣板轉動不靈活。改進后的脫扣器如圖6所示。

4 改進效果及注意事項

（1）行程開關改進后，動作靈活可靠，接點在多次儲能后，無燒傷痕跡，改進后的設備運行三個月，未發生行程開關燒壞故障。

（2）輔助開關改進后，輔助開關切換靈活、可靠，分合多次后，無燒傷痕跡。改進后的設備運行三個月，未發生輔助開關燒壞故障。

（3）脫扣器改進后，脫扣板轉動靈活，長時間操作不卡澀，效果十分理想，彈簧機構的動作可靠性顯著提高。且改進對斷路器本身電氣和機械性能不構成影響，無需進一步做型式試驗。但在改造實施過程中，發現半軸鎖扣的扣合面影響斷路器的分閘時間和分閘電磁鐵的啟動電壓，所以投運前應進行斷路器動作特性的復核。調整分閘電磁鐵芯頂桿與脫扣板之間的間隙，可改變分閘時間；調整半軸鎖扣的旋轉角度對分閘電磁鐵啟動電壓有影響。

5 結束語

斷路器彈簧操動機構具有零部件較多、結構復雜、操作沖擊力大等特點，加之設計、維護以及材料、環境等各種因素的影響，在操作過程中難免會發生一些故障現象，需要加強檢修維護，對于早期投入運行的產品，還應加強運行監測，及時發現和處理其家族性缺陷，從而延長此類操動機構的使用壽命，提高其運行的可靠性。

通過對斷路器彈簧操作機構的改進，提高了彈簧機構的運行可靠性，保證了斷路器的正常運行，進而提高了斷路器的工作性能和使用壽命，降低了斷路器的故障率，為電網的安全可靠運行提供了保障。

參考文獻

[1]吳偉光，馬履中.斷路器操動機構的性能分析與研究[J].機械研究與應用，2000，13（3）；9-11

[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]李建基.高壓斷路器及其應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西省電力公司組.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2009.

作者簡介：楊文青，（1970.1-）女 山東聊城，大專學歷，技師，從事方向：變電檢修.

石巧莉（1980.12-），女，山東聊城，本科學歷，高級工，從事方向：變電檢修。

周曉琴（1985.10-），女，山東聊城，碩士學歷，助理工程師，從事方向：變電檢修。

丁倩（1993.11-），女，電氣工程及其自動化。endprint