接地開關電動操動機構的研發與結構設計研究

李小平

摘 要：隨著電力事業的發展，高壓開關設備也得到了很大的發展。高壓開關中的部分隔離開關或接地開關在進行開關分合閘時，使用了傳動結構為齒輪或絲桿的兩種傳動方式。這兩種傳動方式對開關設計提出了更高的要求，只有設計出更完善的開關電動操動機構，才能為這種傳動方式提供支撐。此外，現代配電系統和用電系統對開關設備的要求也越來越高，所以，必須要加速接地開關的電動操作，促進接地開關在監測、控制和保護等諸多方面的智能化，提高接地開關電動操作機構的準確性和可靠程度。

關鍵詞：接地開關；電動操作機構；結構設計；廠內試驗

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）07-0031-02

為了持續推進智能電網的快速發展，促進接地開關電動操作的智能化，以滿足當前電力系統對開關監測、控制等方面的高要求，本文對接地開關開合閘的工作原理進行了研究、分析，并根據接地開關的開合閘過程對新型接地開關操動機構的設計進行了構想，并在此構想的基礎上進行設計。設計、研發、制作完畢后，對該操動機構進行了廠內試驗，實驗結果表明，該接地開關電動操作機構在技術上和性能上都符合有關標準和要求，具有較高的可靠性。

1 接地開關工作原理

普通型接地開關的結構是彈簧過重動作機構，在進行分（合）閘時，通過操作力來克服阻力矩，從而帶動主軸轉動，使機構中的拐臂轉往分（合）閘方向，慢慢對彈簧進行壓縮從而儲存能量。當壓縮彈簧中心線超過拐臂死點后，彈簧將儲存的能量釋放出來，從而推動觸頭高速度運轉，完成分（合）閘過程。接地開關進行分（合）閘的速度由彈簧儲存的能量和開關分合閘速度定義點的歸化情況決定，人的操作速度不會對其造成影響。

2 接地開關電動操動機構基本結構

2.1 接地開關電動操作機構的設計構想

根據接地開關的工作原理和分合閘實現過程，可以設計一個驅動機構（凸點），將其作為接地開關進行分合閘工作時彈簧壓縮能量的提供源頭。在彈簧運轉超過拐臂死點后進行能量釋放時，因為接地開關大軸的運轉速度比動力輸入軸的速度要快，在這種情況下，只需為傳動件的持續運轉創造運動空間即可。接收到分合到位的信號后，斷掉電源，中斷對電機的供電。實現分合閘過程后，為了促使接地開關的主軸進行反方向運轉，可以依靠程序控制推動電機進行反方向運轉，從而保證驅動件可以回到原來的位置，為接地開關進行反向轉動創造充足的運動空間，具體動作過程如圖1所示。在圖1中，部件2上的凸

臺會對部件產生一個推動作用，促使其運轉起來，之后部件2回到原始位置，這就實現了不通過傳統離合器仍可保證接地開關電動操作動作可靠性的目的。

2.2 接地開關電動操動機構的機械結構設計

基于以上對接地開關電動操作程序的設計構想，對接地開關電動操作機構的機械結構進行設計。該機構通過兩級齒輪的轉動帶動驅動齒輪的運轉，在接地開關的主軸上設置一個無油軸承，再在上面安裝一個軸套為驅動齒輪提供支撐。當驅動齒輪進行一定角度的轉動后，齒輪左面的凸臺就會與主軸驅動件產生接觸，從而帶動主軸驅動件運轉，因為主軸驅動件直接連接著操作主軸，當驅動件發生運轉時，主軸也會跟著同步運轉起來。運轉到一定程度時，接地開關開始動作，這時主軸驅動件的運轉速度比驅動齒輪的運動速度要快，但是，因為驅動凸臺已經擁有足夠的運動空間，所以，就保證了驅動齒輪與主軸驅動件在工作時互不影響，并保持持續性的獨立運動。接收到接地開關動作信號后，驅動齒輪回到原始位置，以保證在手動操作時，不會使主軸驅動件和驅動齒輪相互影響，使整個機構得以順利運轉。具體接地開關電動操作的設計簡圖如圖2所示。

2.3 主要技術參數選擇

《交流高壓隔離開關和接地開關》（GB 1985—1989），即舊標準規定，人力操作的操作力矩最大額為戶外產品取值300 N·m，并要求戶內產品的額定電流不得大于1 250 A，最大操作力矩為200 N·m。除了這個舊標準以外，并沒有其他文件和條款明確指出操作力矩的具體規定值。根據《高壓交流隔離開關和接地開關》（GB 1985—2004），即新標準的相關規定，一轉以內操作隔離、接地開關所需的最大力為250 N，該標準并未對操作力矩作出規定。在該標準中，對人力操作機構操作件的尺寸作出了規定，要求人力操動機構的手柄、單臂杠桿的長度≤500 mm。由此可推算，10 kV中置柜內的接地開關裝置的操作力矩為125 N·m。

2.3.1 主軸角速度及功率

綜合考慮新舊標準，同時，為了提高操作的可靠度，默認接地開關的操作力矩最大值為200 N·m。現階段，還沒有相關文件對接地開關的操作時間進行明確規定，以110 kV組合電器的檢修時間為參考依據，接地開關的檢修操作所用時間通常不能多于6 s，所以，該機構分合閘所用時間取值為4 s，并且推算接地開關主軸的角速度為ξ = π/8 =0.405，據此算出主軸的功率為：

P=N×ξ. （1）

式（1）中：P——主軸的功率；

N——操作力矩最大值；

ξ——角速度。

代入數據得：P=200×0.405=81 W。

2.3.2 傳動效率

由于該機構使用的是兩級圓柱齒輪傳動方式，通過圓錐齒輪實現動力傳送。在該機構運轉過程中使用的是無油軸承而不是滾珠軸承，轉速相對較慢，所以，在選擇齒輪和錐齒輪傳動效率值時，應盡量考慮選取中間值。通過查閱機械設計手冊，最終計算得出傳動效率η=0.945×0.945×0.93=0.83.

2.3.3 輸出功率

由于電機的輸出轉矩要求一定要比機構所需轉矩大，而電機的工作時間一般都要求不要過長，因為短時間的工作方式可控制機械的發熱狀況，同時獲得充足的散熱時間，所以，可以取安全系數值為k=1.2，據此計算電機的輸出功率為：

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——電機的輸出功率；

k——安全系數值；

η——傳動效率。

代入數據得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最終將電機輸出功率取整數值120 W。

2.3.4 輸出角速度及轉速

該操作機構的傳動比是n=2.454 5，整個操動機構至接地開關傳動的圓錐傳動比是2，由此推算出電機的輸出角速度為ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，輸出轉數為n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于電機的輸出力矩要求為定值，功率大小與轉速快慢成正比，所以，為了使機電功率設計有所盈余，取輸出轉數的值為18 r/min。

綜合以上各項技術參數，機構設計、研發最終選用輸出功率P1=180 W，輸出轉速n≤18 r/min，并且具備減速裝置的直流電機。

3 機構的可靠性和科學性驗證

在整個接地開關電動操作機構研發制作完畢后，將機構送到廠內進行配柜試驗，完成2 000次（M1級）壽命試驗，通過試驗檢驗機構的實用性和可靠性。廠內試驗由3次電動操作和2個手動操作組成一個循環，在進行試驗的過程中，電動操作機構部分都比較順利地實現了接地開關的分合閘。此外，在電動操作的間隙中進行的手動操作機構也能夠可靠、有效地完成，電動操作與手動操作兩者之間未對彼此造成影響，取得了相當不錯的試驗效果。試驗完畢后，根據試驗中的堵轉狀況，對電機在整個操作過程中的電流曲線進行測量。測量結果顯示，電機在電流啟動后50 ms的電流值是最大的，最大值為2.8 A；彈簧在剛發生壓縮的那段時間電流值大概為0.4 A，電流在1.5 s內保持同一數值，過后1 s內，電流值保持在0.5 A左右，3 s后電流值開始逐漸降低，3.5 s左右發生堵轉，機電的電流值在預先設定好的1.5 A持續了0.5 s的時間，這與設計是完全相符的。試驗結果表明，此次接地開關操動機構的設計、研發和制作具有很高的可靠性和可操作性，試驗結果令人十分滿意。

4 結束語

目前，大部分接地開關電動操動機構的設計和研發都還不夠完善，仍存在很多不足和缺陷，無法滿足電力系統對開關監控在準確性和可靠性等方面的高要求。為了尋求更科學、完善的開關電動操作機構，本文對接地開關的分合閘過程，即工作原理進行了研究分析，并在此基礎上提出了新型接地開關操動機構的設計構想，根據該設計構想設計出一種新的機械結構和電器控制手段。通過這一新方法可以有效解決普通開關設計的缺陷，進一步提高接地開關電動操動的可靠程度和準確性。該機構的廠內試驗取得了令人滿意的試驗結果——試驗證明，該機構完全能夠滿足各項預期設想，相信它也會隨著智能化變電站的發展而得到推廣和應用。

參考文獻

[1]常勇，李輝，梁云丹.面向電網穩定性的智能化直流輸電控制系統[J].電網與清潔能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鮑顏紅，等.具有智能化特征的安全穩定分析與控制決策技術[J].電網與清潔能源，2012，15（05）：222-223.

〔編輯：白潔〕

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——電機的輸出功率；

k——安全系數值；

η——傳動效率。

代入數據得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最終將電機輸出功率取整數值120 W。

2.3.4 輸出角速度及轉速

該操作機構的傳動比是n=2.454 5，整個操動機構至接地開關傳動的圓錐傳動比是2，由此推算出電機的輸出角速度為ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，輸出轉數為n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于電機的輸出力矩要求為定值，功率大小與轉速快慢成正比，所以，為了使機電功率設計有所盈余，取輸出轉數的值為18 r/min。

綜合以上各項技術參數，機構設計、研發最終選用輸出功率P1=180 W，輸出轉速n≤18 r/min，并且具備減速裝置的直流電機。

3 機構的可靠性和科學性驗證

在整個接地開關電動操作機構研發制作完畢后，將機構送到廠內進行配柜試驗，完成2 000次（M1級）壽命試驗，通過試驗檢驗機構的實用性和可靠性。廠內試驗由3次電動操作和2個手動操作組成一個循環，在進行試驗的過程中，電動操作機構部分都比較順利地實現了接地開關的分合閘。此外，在電動操作的間隙中進行的手動操作機構也能夠可靠、有效地完成，電動操作與手動操作兩者之間未對彼此造成影響，取得了相當不錯的試驗效果。試驗完畢后，根據試驗中的堵轉狀況，對電機在整個操作過程中的電流曲線進行測量。測量結果顯示，電機在電流啟動后50 ms的電流值是最大的，最大值為2.8 A；彈簧在剛發生壓縮的那段時間電流值大概為0.4 A，電流在1.5 s內保持同一數值，過后1 s內，電流值保持在0.5 A左右，3 s后電流值開始逐漸降低，3.5 s左右發生堵轉，機電的電流值在預先設定好的1.5 A持續了0.5 s的時間，這與設計是完全相符的。試驗結果表明，此次接地開關操動機構的設計、研發和制作具有很高的可靠性和可操作性，試驗結果令人十分滿意。

4 結束語

目前，大部分接地開關電動操動機構的設計和研發都還不夠完善，仍存在很多不足和缺陷，無法滿足電力系統對開關監控在準確性和可靠性等方面的高要求。為了尋求更科學、完善的開關電動操作機構，本文對接地開關的分合閘過程，即工作原理進行了研究分析，并在此基礎上提出了新型接地開關操動機構的設計構想，根據該設計構想設計出一種新的機械結構和電器控制手段。通過這一新方法可以有效解決普通開關設計的缺陷，進一步提高接地開關電動操動的可靠程度和準確性。該機構的廠內試驗取得了令人滿意的試驗結果——試驗證明，該機構完全能夠滿足各項預期設想，相信它也會隨著智能化變電站的發展而得到推廣和應用。

參考文獻

[1]常勇，李輝，梁云丹.面向電網穩定性的智能化直流輸電控制系統[J].電網與清潔能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鮑顏紅，等.具有智能化特征的安全穩定分析與控制決策技術[J].電網與清潔能源，2012，15（05）：222-223.

〔編輯：白潔〕

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——電機的輸出功率；

k——安全系數值；

η——傳動效率。

代入數據得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最終將電機輸出功率取整數值120 W。

2.3.4 輸出角速度及轉速

該操作機構的傳動比是n=2.454 5，整個操動機構至接地開關傳動的圓錐傳動比是2，由此推算出電機的輸出角速度為ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，輸出轉數為n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于電機的輸出力矩要求為定值，功率大小與轉速快慢成正比，所以，為了使機電功率設計有所盈余，取輸出轉數的值為18 r/min。

綜合以上各項技術參數，機構設計、研發最終選用輸出功率P1=180 W，輸出轉速n≤18 r/min，并且具備減速裝置的直流電機。

3 機構的可靠性和科學性驗證

在整個接地開關電動操作機構研發制作完畢后，將機構送到廠內進行配柜試驗，完成2 000次（M1級）壽命試驗，通過試驗檢驗機構的實用性和可靠性。廠內試驗由3次電動操作和2個手動操作組成一個循環，在進行試驗的過程中，電動操作機構部分都比較順利地實現了接地開關的分合閘。此外，在電動操作的間隙中進行的手動操作機構也能夠可靠、有效地完成，電動操作與手動操作兩者之間未對彼此造成影響，取得了相當不錯的試驗效果。試驗完畢后，根據試驗中的堵轉狀況，對電機在整個操作過程中的電流曲線進行測量。測量結果顯示，電機在電流啟動后50 ms的電流值是最大的，最大值為2.8 A；彈簧在剛發生壓縮的那段時間電流值大概為0.4 A，電流在1.5 s內保持同一數值，過后1 s內，電流值保持在0.5 A左右，3 s后電流值開始逐漸降低，3.5 s左右發生堵轉，機電的電流值在預先設定好的1.5 A持續了0.5 s的時間，這與設計是完全相符的。試驗結果表明，此次接地開關操動機構的設計、研發和制作具有很高的可靠性和可操作性，試驗結果令人十分滿意。

4 結束語

目前，大部分接地開關電動操動機構的設計和研發都還不夠完善，仍存在很多不足和缺陷，無法滿足電力系統對開關監控在準確性和可靠性等方面的高要求。為了尋求更科學、完善的開關電動操作機構，本文對接地開關的分合閘過程，即工作原理進行了研究分析，并在此基礎上提出了新型接地開關操動機構的設計構想，根據該設計構想設計出一種新的機械結構和電器控制手段。通過這一新方法可以有效解決普通開關設計的缺陷，進一步提高接地開關電動操動的可靠程度和準確性。該機構的廠內試驗取得了令人滿意的試驗結果——試驗證明，該機構完全能夠滿足各項預期設想，相信它也會隨著智能化變電站的發展而得到推廣和應用。

參考文獻

[1]常勇，李輝，梁云丹.面向電網穩定性的智能化直流輸電控制系統[J].電網與清潔能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鮑顏紅，等.具有智能化特征的安全穩定分析與控制決策技術[J].電網與清潔能源，2012，15（05）：222-223.

〔編輯：白潔〕