扭簧彈開式斷路器絕緣自動(dòng)保護(hù)解決方案

孫 浩，賁 飛，侯培紅

（1.國網(wǎng)上海市電力公司 物資公司，上海 200235；2．上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245）

0 引言

設(shè)計(jì)斷路器是解決保護(hù)配電網(wǎng)開斷電力系統(tǒng)中負(fù)荷電流，關(guān)合過載及短路電流等問題的需要，主要針對(duì)10kV 系統(tǒng)。要求設(shè)計(jì)的斷路器適用于城網(wǎng)或農(nóng)網(wǎng)作為分段開關(guān)或者聯(lián)絡(luò)開關(guān)，亦可用于農(nóng)網(wǎng)配電系統(tǒng)戶外變電站作為出線開關(guān)，可與FTU/智能控制器配合使用，作為環(huán)網(wǎng)線路分段、分支出線故障的自動(dòng)檢測、隔離和報(bào)警，監(jiān)控線路的運(yùn)行，具有自動(dòng)恢復(fù)非故障段供電功能。斷路器配置測量、保護(hù)、控制和通訊模塊后，可滿足配網(wǎng)自動(dòng)化要求，適用于變電站及工礦企業(yè)對(duì)配電系統(tǒng)中進(jìn)行保護(hù)和控制，同時(shí)也適用于城市電網(wǎng)、農(nóng)村電網(wǎng)及頻繁操作的場所[1～3]。

1 斷路器的基本設(shè)計(jì)思路

該種斷路器主要用于室外，需固定安裝在距離地面五米以上的電桿上使用，且要求便于從地面觀察確認(rèn)是否開合。因此作為用于10kV 系統(tǒng)的該型斷路器擬采用三相固封極柱式結(jié)構(gòu)，真空滅弧室采用縱向磁場熄弧技術(shù)，使用硅橡膠/環(huán)氧樹脂固體絕緣，采用彈簧操作機(jī)構(gòu)和永磁機(jī)構(gòu)的組合，使其具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，既可用控制器遠(yuǎn)程分合閘，也可就地或控制器無電時(shí)，緊急手動(dòng)分合閘。

該型斷路器擬設(shè)計(jì)為智能型戶外柱上高壓交流真空斷路器，其永磁機(jī)構(gòu)采用直線傳輸方式，可有效避免傳統(tǒng)彈簧操作機(jī)構(gòu)易卡滯、易銹蝕的設(shè)計(jì)缺陷，使得機(jī)構(gòu)可靠性大幅提升。而且由于其用于室外，懸于距地面五米以上的高空，所以還需要考慮由于飛禽撞擊或著落等導(dǎo)致短路的情況出現(xiàn)，即考慮增加隔離開關(guān)[1～3]。

2 一般斷路器的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，該型斷路器可分為不帶隔離開關(guān)和帶隔離開關(guān)兩種類型。對(duì)于帶隔離開關(guān)的安裝方式，其所附帶的隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 一般斷路器隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖（ZW32E-12 型斷路器）Fig.1 Schematic diagram of the circuit breaker isolating switch structure (ZW32E-12 type breaker)

由圖1 可見，隔離開關(guān)可分為動(dòng)觸頭段（俗稱上閘）1 和靜觸頭段（俗稱下閘）2，其中動(dòng)觸頭段的末端與隔離開關(guān)的出線端4 連接，其動(dòng)觸頭段的中段經(jīng)隨動(dòng)桿7 與設(shè)置在操作手柄3 的轉(zhuǎn)桿5 上的擺桿6 連接，當(dāng)操作人員轉(zhuǎn)動(dòng)操作手柄時(shí)，其轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)擺桿同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過帶動(dòng)隨動(dòng)桿進(jìn)而使動(dòng)觸頭段的首端發(fā)生升或降。

當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行“分閘”操作時(shí)，在操作手柄之轉(zhuǎn)桿的驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)觸頭段的首端（即常說的動(dòng)觸頭）被隨動(dòng)桿推動(dòng)向上抬起，脫離與靜觸頭2-1 的接觸，實(shí)現(xiàn)“斷開”功能，在電路上形成一個(gè)明顯的斷開點(diǎn)；當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行“合閘”操作時(shí)，動(dòng)觸頭段的首端在操作手柄的帶動(dòng)下，向下降落，與靜觸頭進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)在電路的“連接”功能，以便其后接的高壓交流真空斷路器進(jìn)行相應(yīng)的“合閘”操作。

由于該型斷路器為戶外柱上式（即該開關(guān)是安裝在室外露天的，具體安裝形式為安裝在電桿上的，故業(yè)內(nèi)簡稱為“戶外柱上”式），則其附屬的隔離開關(guān)也是戶外安裝的。由于其中的靜觸頭是朝上裸露在戶外的，極易積存雨水或空氣中的粉塵顆粒，形成污漬并對(duì)靜觸頭形成侵蝕，增大其表面接觸電阻，影響其接觸效果，當(dāng)所在的輸電線路運(yùn)行電流較大時(shí)，還會(huì)因?yàn)樵撎幗佑|電阻的增大和接觸效果的惡化，導(dǎo)致發(fā)熱量劇增，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)因?yàn)殪o、動(dòng)觸頭之間溫升過高而發(fā)生熔融、粘連，影響整個(gè)開關(guān)的正常工作甚至發(fā)生設(shè)備事故，導(dǎo)致正常供電的中斷，影響送電回路或輸電線路的正常運(yùn)行。

現(xiàn)有隔離開關(guān)的靜觸頭，需要定期進(jìn)行清潔和防氧化處理，一方面增大了供電設(shè)備的日常維護(hù)工作量，另一方面，隨著靜觸頭與動(dòng)觸頭接觸部位（接觸面）的不斷被侵蝕，亦會(huì)增大動(dòng)、靜觸頭之間的接觸電阻，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來隱患。

3 改進(jìn)型斷路器設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)分析

針對(duì)上述斷路器存在的問題，在原設(shè)計(jì)圖1 的基礎(chǔ)上增加了一種斷路器絕緣保護(hù)裝置即扭簧彈開式斷路器絕緣自動(dòng)保護(hù)裝置，其二維投影圖和三維立體圖分別如圖2（a）、（b）所示。其在裸露的靜觸頭上設(shè)置了一個(gè)可隨開關(guān)“開”/“閉”操作動(dòng)作協(xié)調(diào)一致的自動(dòng)解除保護(hù)和自動(dòng)實(shí)施保護(hù)的自動(dòng)保護(hù)裝置，也便于人們?cè)诘孛嬗^察，提供了斷路器絕緣保護(hù)的有效、可行的方法，達(dá)到了斷路器保護(hù)技術(shù)效果。

圖2 絕緣自動(dòng)保護(hù)裝置（改進(jìn)型）示意圖Fig.2 An automatic protection device (improved) diagram

由圖2 可見，改進(jìn)型斷路器在圖1 所示原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上又增加了如下結(jié)構(gòu)特征：在隔離開關(guān)主體支架的靜觸頭端，設(shè)置一下支架；在下支架上設(shè)置一前支架；在前支架的下部，設(shè)置一個(gè)導(dǎo)索下定滑輪輪，導(dǎo)索下定滑輪經(jīng)過一個(gè)下定滑輪支架與前支架對(duì)應(yīng)固接；在前支架的上部，設(shè)置一個(gè)導(dǎo)索上定滑輪，導(dǎo)索上定滑輪經(jīng)過一個(gè)上定滑輪支架與前支架對(duì)應(yīng)固接；在前支架的上部，設(shè)置一上支撐板；在前支架的上端，設(shè)置一保護(hù)套桿，保護(hù)套桿與上支撐板經(jīng)過一個(gè)鉸鏈鉸接為一體；在鉸鏈上套裝有一個(gè)扭彈簧；在保護(hù)套桿首端與靜觸頭位置對(duì)應(yīng)處，設(shè)置有一靜觸頭保護(hù)套；在操作手柄的轉(zhuǎn)桿上設(shè)置一繩索固定環(huán)；在主體支架以及上支撐板上，與繩索固定環(huán)的縱向軸線位置對(duì)應(yīng)處，設(shè)置第一和第三導(dǎo)繩孔；設(shè)置一繩索，繩索的首端與保護(hù)套桿的中端固接，繩索依次穿過導(dǎo)索上定滑輪、上支撐板上的第三導(dǎo)繩孔、導(dǎo)索下定滑輪和主體支架上的第一導(dǎo)繩孔設(shè)置；繩索的末端纏繞固接在繩索固定環(huán)上。

其導(dǎo)索下定滑輪經(jīng)一個(gè)下定滑輪軸銷固定在下定滑輪支架上，導(dǎo)索上定滑輪經(jīng)一個(gè)上定滑輪軸銷固定在上定滑輪支架上，其分別位于隔離開關(guān)主體支架以及上支撐板上的第一和第三導(dǎo)繩孔。上、下定滑輪的縱向軸線，位于同一個(gè)縱向平面中，與繩索固定環(huán)所在的縱向平面相重合。其靜觸頭保護(hù)套、靜觸頭以及動(dòng)觸頭段首端的縱向軸線，位于同一個(gè)縱向平面中。其動(dòng)觸頭段、靜觸頭、靜觸頭保護(hù)套、保護(hù)套桿、前支架、上支撐板、繩索、上定滑輪、下定滑輪以及繩索固定環(huán)，設(shè)置在同一縱向平面中。

3.2 工作原理

當(dāng)操作手柄及其轉(zhuǎn)桿繞轉(zhuǎn)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺桿隨轉(zhuǎn)桿一起順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)隨動(dòng)桿向下移，動(dòng)觸頭段逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)向下移動(dòng)，此時(shí)固定在繩索固定環(huán)上的繩索在轉(zhuǎn)軸上釋放松開，保護(hù)套桿在扭彈簧復(fù)位力的作用下，將保護(hù)套桿向上抬起，保護(hù)套桿繞鉸鏈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，離開靜觸頭，之后動(dòng)觸頭段下移到位，與靜觸頭契合。

當(dāng)操作手柄繞轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿隨轉(zhuǎn)桿一起逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)隨動(dòng)桿向上移，動(dòng)觸頭段順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)向上移動(dòng)，脫離與靜觸頭的接觸，此時(shí)固定在繩索固定環(huán)上的繩索在轉(zhuǎn)軸上一同隨轉(zhuǎn)桿逆時(shí)針纏繞收緊，保護(hù)套桿在繩索拉力的作用下將保護(hù)套桿向下拉，保護(hù)套桿繞鉸鏈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，正好覆蓋套在在對(duì)應(yīng)的靜觸頭上，對(duì)靜觸頭進(jìn)行絕緣保護(hù)，以防止靜觸頭直接裸露在露天環(huán)境中，避免其被侵蝕或被污染。可見，絕緣自動(dòng)保護(hù)裝置是通過操作手柄及其轉(zhuǎn)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)繩索帶動(dòng)保護(hù)套桿及首端的靜觸頭保護(hù)套動(dòng)作，為斷路器觸頭提供自動(dòng)的絕緣保護(hù)功能。

4 結(jié)論

方案采用了“保護(hù)套撤離，開關(guān)合閘”和“開關(guān)分閘，保護(hù)套覆蓋”的動(dòng)作步驟，提供了與斷路器“開”/“合”動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，自動(dòng)解除保護(hù)和自動(dòng)實(shí)施保護(hù)的絕緣自動(dòng)保護(hù)裝置，克服了以往對(duì)靜觸頭的保護(hù)不便觀察、不便操作的問題，也便于人們?cè)诘孛嬗^察，提供了戶外式斷路器絕緣保護(hù)的有效、可行的方法，達(dá)到了斷路器自動(dòng)保護(hù)的技術(shù)效果。

[1]董銳睿.低壓斷路器應(yīng)用研究[J].機(jī)電信息，2010，24.

[2]黃鎧，張策.塑料外殼式斷路器選用的一般原則[J].電氣制造，2010，1.

[3]王少龍，胡云芳.35kV 開關(guān)絕緣隱患引發(fā)主變停運(yùn)事故分析[J].電世界，2015，2.