具有重合閘功能的塑殼斷路器電動操作機構結構分析

陳咸

摘要：低壓配電網智能化的發展要求塑殼斷路器具有自動重合閘功能，電動操作機構不但要能實現正常情況下斷路器的再扣與合閘，還要能在應急情況下實現手動合閘功能。本文實例分析了3種電動操作機構，通過結構示意圖講述了它們的工作原理，通過運動仿真分析了它們的受力狀態，為進一步提高電動操作機構的機械壽命及可靠性提供參考。

關鍵詞：塑殼斷路器；重合閘；電動操作機構；手動模式；電動模式

塑殼斷路器增加重合閘電動機構是源于中國的農村電網改造，由于多方面原因，農村電網相較于城市電網而言，線路質量差，傳送距離遠，用電用戶較分散。在實施三級漏保農村電網改造的過程中，頻繁的漏電跳閘給供電部門帶來了沉重的維護壓力，在剩余電流保護斷路器上增加電動機構及控制器實現自動重合閘功能成功解決了供電部門面臨的問題。塑殼斷路器從增加漏電保護模塊變成一種半自動保護器件，再到增加電動機構及控制器變成一種全自動保護單元，應用在偏遠、無人值守的場所，必然對整個全自動保護器件的可靠性、穩定性提出更高的要求。

塑殼斷路器經過幾十年的發展，即使在添加漏電保護模塊變成剩余電流保護斷路器，無論從技術還是從生產、工藝、檢驗都已經相當成熟，但塑殼斷路器內部增加電動機構的歷史并不長。從簡單的電動機構到能兼顧手動的電動機構，再到能單獨手動操作的電動機構，對電動機構的要求隨著市場的不斷擴大、用戶認知的不斷提升而提出了更高的要求。在塑殼斷路器內部增加電動機構與在外部加裝電操模塊不同，當外部電操模塊損壞時可以單獨更換，但內部電動機構出現問題就會影響整個產品的可靠性與客戶認識度，因此，電動機構的可靠性很大程度影響著整個產品的質量穩定性。本文結合運動仿真，對幾種電動機構的結構進行受力分析，為進一步提高電動操作機構的機械壽命及可靠性提供參考。

1 電動機構的設計思路與理論分析

因塑殼斷路器是配電保護電器，它的操作機構采用四連桿結構，當回路中出現短路或過載故障時，脫扣器觸發操作機構牽引桿，由操作機構帶動斷路器自動跳閘。而斷路器如果需要重新合閘，必須通過推動斷路器操作機構的杠桿，先再扣，再合閘，才能完成整個過程。當通過電動機構實現斷路器的再扣、合閘時，一般將減速電機的旋轉運動通過連桿或凸輪轉換為杠桿的前后運動，同時配合斷路器的狀態檢測，實現減速電機的啟動與停止。

正常情況下，斷路器通過電動機構來實現重合閘操作；應急情況下，為了保證用戶的正常用電，就必須通過手動操作實現斷路器的重合閘，因此，電動機構在設計時不但要實現電動操作的可靠性與穩定性，還必須實現手動操作的可靠性與便捷性。

電動機構的減速電機一般通過連桿與斷路器操作機構的杠桿相連，手動操作時，如果直接推動杠桿，杠桿會帶動減速電機轉動，操作比較費力；如果通過另外的減速齒輪來轉動減速電機，再由減速電機通過連桿帶動杠桿前后運動，則相對省力，但操作過程手感差，客戶體驗不佳。因此，優選方案是手動操作時通過離合裝置將連桿與減速電機分離，操作者只需克服斷路器自身操作機構的力來完成合閘過程，而電動操作時，離合裝置將連桿與減速電機重新嚙合，實現手動操作與電動操作的自由轉換且互不干擾。

2 電動機構的實例分析

隨著國家對農村電網改造的不斷投入，國家電網公司招標力度的加大，國內很多公司根據自己的思路開發出不同的電動操作機構，但基本上都有手動與電動兩種操作模式。結構上有的不帶離合裝置，直接用一組齒輪減速裝置轉動減速電機實現重合閘；有的帶離合裝置，轉換后能夠將減速電機脫離，通過操作斷路器手柄實現合閘；我們的設計方案采用多連桿結構，并在其中一個連桿上增加離合裝置，手動操作時，斷開減速電機，通過轉動連桿帶動手柄進行再扣、合閘；電動操作時，通過減速電機的正反轉，通過連桿帶動手柄進行重合閘操作。

2.1 電動操作機構1

圖2為電動操作機構1的結構示意圖，結構設計中沒有離合裝置，在電機輸出軸上配置有一個大齒輪，并把它作為偏心輪使用，通過連桿與塑殼斷路器的杠桿連接，與杠桿相連的連桿端部設計有腰孔，因杠桿的運動方向與電動機構連桿的運動方向不在同一平面，通過腰孔為連桿提供較大的間隙，防止連桿在電動過程中受到扭力影響。在手動操作時，則直接轉動布置在大齒輪旁的小齒輪，驅動減速電機轉動，當大齒輪轉動一圈時，就能完成斷路器的再扣、合閘操作。

圖3是電動操作機構1的仿真模型圖，僅保留了與電動機構運動相關的零件，圖4是通過運動仿真輸出的關于斷路器操作機構杠桿（圖4中虛線）與電動操作機構大齒輪（圖4中實線）的受力曲線圖。由曲線圖可以看出，斷路器操作機構再扣前，杠桿受力持續增大；合閘時，杠桿過死點前受力變大，過死點后，杠桿受力有小幅陡降。從大齒輪的受力曲線可以看出，在整個運動過程中它分成了兩段，再扣過程受力逐步加大，再扣后力值突降為0，合閘時受力相對于再扣時小，杠桿過死點后，大齒輪受力又突降為0，這種力值的變化反映出大齒輪在再扣與合閘過程中受到了沖擊。因此，采用手動操作時通過小齒輪轉動大齒輪，除了要克服減速電機的運動阻尼，還要承擔斷路器操作機構在再扣與合閘中產生的運動沖擊。

2.2 電動操作機構2

圖5為電動操作機構2的結構示意圖，它擁有一套簡單的離合裝置。電動機構采用齒輪齒條進行傳動，小齒輪與電機的輸出軸連接，電機固定在連桿上，連桿可以繞軸心轉動，連桿的末端通過偏心輪控制連桿的轉動位置，連桿轉動位置的變化帶動齒輪與齒條的嚙合與分離。當需要手動操作時，先旋轉偏心輪轉動連桿將齒輪與齒條分開，然后操作斷路器手柄，實現斷路器的再扣與合閘。這種電動機構的離合裝置較簡單，手動模式時，操作斷路器手柄不受減速電機阻尼的影響。

圖6是電動操作機構2的仿真模型圖，僅保留了與電動機構運動相關的零件，圖7是通過運動仿真輸出的關于斷路器操作機構杠桿（圖7中虛線）與電動操作機構小齒輪（圖7中實線）在整個再扣與合閘過程中的受力曲線圖。機構杠桿的受力曲線與圖4中的基本一致，而電動機構小齒輪的受力曲線起伏稍小一些，這是由于齒條在前后運動時有支架作為運動導向，同時，齒條與小齒輪的配合間隙小，運動過程中的沖擊相對小一些。

2.3 電動操作機構3

圖8是我們設計的電動操作機構3的結構示意圖，它采用了不同于前兩種思路的結構，電機橫臥在斷路器手柄的右側，電機輸出軸與“幾”字形連桿連接，“幾”字形連桿上方通過直連桿與斷路器手柄相連。電動操作時，電機帶動“幾”字形連桿轉動，再通過直連桿帶動斷路器機構杠桿轉動，通過控制電機的轉動方向，實現斷路器的再扣與合閘操作。手動操作時，斷開“幾”字形連桿與電機輸出軸之間的離合裝置，通過外置工具轉動“幾”字形連桿，同樣實現斷路器的再扣與合閘。

圖9是電動操作機構3的仿真模型圖，僅保留了與運動相關的零件，圖10是通過運動仿真輸出的杠桿受力扭矩曲線（圖中虛線）及電機輸出軸的受力扭矩曲線（圖中實線）。3個仿真模型中的斷路器機構參數一致，因此，3個斷路器操作機構杠桿受力曲線基本一致，然而，3個電機輸出軸受力曲線卻差異較大，圖10中的曲線接近于一條直線，電機輸出軸處的扭矩不但峰值小且變化不大，說明電機在整個斷路器再扣與合閘的過程中受到的力小，且沖擊也小，有利于提高電動機構的機械壽命。

3 電動機構的總結

隨著分布式光伏電站的不斷推廣，越來越多的光伏并網斷路器要求具有自動重合閘功能，它們特殊的安裝條件和使用環境要求斷路器的電動操作機構能夠滿足高機械壽命、高可靠性要求。

上述3種電動操作機構都能夠實現斷路器的電動重合閘及應急情況下的手動重合閘，第1種電動操作機構因不帶有離合裝置，在手動操作時，操作較費力，旋轉過程中有力量沖擊，因此給用戶的體驗較差；另一方面，在電動工作模式下，電機受到的反力大且合閘過程中有較大沖擊，對于電機及其它連桿的機械壽命將有較大影響。

第2種電動操作機構設計有簡單的離合裝置，轉換為手動操作模式后，用戶可以通過直接操作手柄實現斷路器的重新合閘，但需要在面板上留下很大一塊手柄活動的空間，對外觀有一定的影響。電動工作模式下，齒輪與齒條受力大，伴有一定的沖擊，如果想要提高電動機構的機械壽命，需要對齒輪、齒條進行必要的熱處理。

第3種電動操作機構采用了多連桿結構，從電機的受力曲線上可以看出，在整個的再扣與合閘過程中，電機受力較均衡，沖擊小，有利于提高電動機構的機械壽命，并且從實際產品的機械壽命試驗情況來看，它能輕松的達到1萬次以上。手動模式下，可將“幾”字形連桿與電機脫離，通過工具直接扳動 “幾”字形連桿左側的六角棒就可以轉動斷路器手柄，實現再扣與合閘。但目前這套電動機構在電動與手動轉換的結構上設計得稍復雜，如圖10，它由三個連桿組成，通過它們把豎直方向的連桿運動轉換為水平連桿的軸向位移，從而推動“幾”字形連桿向左移動，實現它與電機的脫離。而從手動模式轉換到電動模式采用了半自動結構，當確認電動模式時，電機輸出軸上的銷在電機轉動過程中推動豎直連桿向上運動，帶動“幾”字形連桿在彈簧力的作用下向右復位，準備與電機重新嚙合。但電機輸出軸上的銷推動連桿的行程有限，受裝配因素及摩擦力影響，有時候“幾”字形連桿不能完全復位到初始位置，導致“幾”字形連桿與電機無法嚙合，最終不能實現電動模式。

為了提高手動與電動切換的可靠性，可以考慮簡單結構，將由三個桿件鉚接而成的連桿簡化為一個連桿，并把“幾”字形連桿與電機的嚙合方式變為純手動結構，設計一個底部帶偏心輪、頂部帶轉換旋鈕的連桿，通過人工轉動旋鈕來撥動“幾”字形連桿向左或向右移動，達到“幾”字形連桿與電機的嚙合與分離。

4 結語

隨著分布式新能源的進一步推廣，必將推動低壓智能配電網的進一步發展，斷路器的自動化運行必然要求電動操作機構具有高壽命、高可靠性。因此，在電動操作機構的結構設計時，可以通過運動仿真分析各連桿、電機的受力情況，一方面要降低電機的額定輸出扭矩，另一方面，要盡可能減少斷路器在再扣與合閘過程中對電機及其它連桿的沖擊。

（作者單位：江蘇輝能電氣有限公司）