高壓真空斷路器操動機構可靠性分析研究

喬恒棟 呂金剛

摘要：隨著時代的快速前進，各領域對用電的需求不斷增大，促使電力事業迅速發展，電網不斷擴大，供電質量和可靠性的要求也越來越高。在配電和供電系統中，由于高壓開關的特殊作用，其可靠性和免維護的要求更高，因此世界各國對高壓開關的理論研究和設計開發一直在不斷地進行著。

關鍵詞：高壓真空斷路器;操動機構;可靠性;分析研究

引言

滿足工程應用中的客觀需求是真空斷路器研究中的一項很重要的課題。因真空斷路器市場占有率在逐年增加，故障也呈逐年增加的趨勢，其故障的發生主要集中在機械部分。根據近幾年的調查統計資料顯示，在高壓開關的故障中，非電類故障率接近70%，其中40%以上屬于操動機構故障。由此可見，高壓開關操動機構事故在整個高壓開關事故中占有很大的比例。因此加強真空操動機構的研究，特別是對影響操動機構性能的關鍵控制點的研究尤為重要。

1概述

真空斷路器具有兩大部件：一為真空滅弧室，相當于真空斷路器的心臟，另一為操動機構，相當于真空斷路器的神經中樞。操動機構為斷路器完成分、合閘操作，對真空斷路器的操作性能影響很大。而操作機構又是真空斷路器中機械結構最為復雜、維護工作量最大的部件。國內外的統計表明，操動機構的故障占真空斷路器總故障的89.4%。由此可見，操動機構的可靠性至為重要。真空斷路器操動機構包括電磁、彈簧、永磁操動機構。永磁操動機構因其出力特性與真空斷路器的負載特性吻合度好而成為目前的研究熱點。

2高壓真空斷路器操動機構的分類

1）手動操動機構：靠手動直接合閘的操動機構。2）液壓操動機構：利用液壓作為動力傳動介質，操動方式有兩種：直接驅動和儲能式。3）電動操動機構：利用電動機經減速裝置帶動開關合閘的操動機構。4）氣動操動機構：利用壓縮空氣作為能源產生推力的操動機構。5）電磁操動機構：靠電磁力合閘的操動機構。6）彈簧操動機構：利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構。彈簧儲能通常由電動機通過減速裝置來完成。7）永磁從動機構：利用永磁體實現合閘保持和分閘保持的一種形式的電磁操動機構。其合閘都是采用電磁操作，分閘可有電磁操動和彈簧操動兩種形式。

3機構結構特點及運動特性分析

3.1結構特點

ZW□?126/2000?40型126kV單斷口真空斷路器的整體布局見圖1。斷路器的三相絕緣瓷套安裝在同一個橫梁上，橫梁通過位于其兩側底部的支柱支撐與地基底座固定，操動機構驅動裝置設置在斷路器橫梁邊側，操動機構控制箱位于斷路器橫梁底端中部。高壓真空斷路器電機操動機構由驅動電機、電機控制器和傳動機構3部分組成，采用一臺電機直接驅動傳動機構進行斷路器三極機械聯動的總體設計方案，見圖2。驅動電機位于斷路器邊相位置，其輸出轉軸通過法蘭盤與傳動機構連接。傳動機構為一套曲柄連桿機構，主要包括傳動主軸、拐臂、傳動連桿和絕緣拉桿。傳動主軸的一端通過法蘭盤與驅動電機的輸出轉軸連接，三個拐臂等間距固定安裝于傳動主軸上并與驅動電機同軸旋轉。傳動連桿的兩端分別與拐臂和絕緣拉桿鉸鏈連接，將旋轉運動變換為直線運動，從而驅動斷路器動觸頭運動。

機構運動特性分析126kV真空斷路器永磁電機操動機構系統運行原理見圖3，并對其進行運行狀態分析。當合閘時，驅動電機主軸a以旋轉方式角度θ推動拐臂ab繞a點以逆時針方向旋轉運動，連桿bc在拐臂ab的作用下以直線移動并旋轉的方式運動，絕緣拉桿cde在連桿bc作用下以直線移動方式運動，其位移為dy，動觸頭ef在絕緣拉桿的cd作用下以直線移動方式運動，其位移為S。當S=S0時，真空滅弧室動、靜觸頭閉合，真空開關處于剛合位置。驅動電機主軸a繼續轉角θ，由于真空滅弧室動、靜觸頭已閉合，觸頭彈簧組件de上的彈簧開始壓縮，當θ=θ0時，驅動電機主軸a轉動結束，真空開關處于合閘狀態，觸頭彈簧組件de上的彈簧壓縮量為C，即為接觸行程。同理，分閘過程正好與此相反。

3影響高壓真空斷路器彈簧操動機構性能的關鍵控制點分析

3.1彈簧

在高壓真空斷路器中，彈簧操動機構使用較為普遍，并且其涉及的彈簧數量和類型較多，因而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。比如合閘彈簧，如果輸出功較小，會導致開關合閘速度過小，進而導致斷路器合不上閘;如果輸出功較大，速度過高，不管是對機構還是滅弧室都會造成較大的沖擊力，影響到斷路器的使用壽命。再比如分閘彈簧，如果輸出功較大，在合閘功不變的情況下，會導致斷路器合閘速度過小，嚴重的話會導致斷路器合不上閘;如果輸出功較小，會導致分閘速度過小，嚴重的話會導致斷路器分閘不到位。以上兩種情況均會影響到斷路器的開合性能，導致斷路器事故的發生。所以說對彈簧的尺寸、材料、制造工藝和載荷性質進行合理的分析、設計與制造，進而提高彈簧的疲勞可靠度，對操動機構的性能至關重要。

3.2合閘及合閘保持單元

彈簧操動機構在完成儲能以后，都是采用機械保持的方法來維持儲能，可采用手動或電動的方式觸動儲能機械保持單元，釋放彈簧能量，來實現斷路器的合閘操作。在完成合閘操作后，又都是通過另外一套機械保持單元來維持合閘。如果用于保持儲能的機械保持單元和用于保持合閘的機械保持單元設計不合理，或者結構零部件所采用的原材料、結構設計及制造工藝滿足不了操作需求，便會導致合閘及合閘保持失效，或拒合等機械故障。

3.3分閘單元

斷路器在完成合閘后便處于合閘保持狀態，在正常和非正常狀態下，通過手動或者電動的方式觸動合閘機械保持單元，通過分閘彈簧功的作用，使斷路器完成分閘操作。所以說對于分閘單元零部件的選材、結構設計及制造工藝合理化設計，對操動機構性能影響尤為重要。

3.4凸輪、拐臂和連桿等傳動部件的材質與加工工藝

對于彈簧操動機構工作原理，主要就是通過很多的傳動部件的配合來實現，如果存在設計的不合理，必然會導致操動機構可靠性較差。比如，零部件硬度高低來說，要是硬度過低，隨著操動機構使用，會引起傳動部件的彎曲變形等;要是硬度過高，會引起傳動部件的斷裂等。不管是傳動部件的彎曲，還是斷裂對于操動機構的影響都是致命的，所以說對于操動機構關鍵傳動部件的選材、結構的設計精度、加工精度和加工質量，對于減少機械故障，提高產品質量至關重要。

結語

為了減少機械故障，提高產品質量，應該努力改進結構設計，提供加工精度和加工質量。提高操動機構的關鍵控制點設計精度，在設計階段，進行仿真分析，清除不合理因素，使產品的設計與實際要求最大限度的吻合。嚴格把關操動機構的關鍵控制點零部件的選材，提高操動機構的關鍵控制點零部件的加工工藝，使產品的加工精度和加工質量與設計要求最大限度的吻合。

參考文獻

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