手車式真空斷路器聯鎖設計及優化分析

張敬濤 叢艷偉 康世榮 趙東輝 張羅銳 于洪宇 吳 登

（天津平高智能電氣有限公司，天津300300）

作為電力系統中重要的開關設備，在斷路器運行中，防止誤操作裝置的設計關系到直接關系到斷路器運行維護中的安全及可靠問題。電網運行規范中指出凡是有可能發生人員失誤而引起誤操作的高壓電器設備應裝設誤防裝置，誤防裝置應實現“五防”功能，在成套的高壓開關柜中誤防裝置要有限選用機械閉鎖。手車式真空斷路器作為高壓開關柜中最重要的開關設備，其聯鎖閉鎖功能直接關系到開關柜的穩定運行，而在手車式真空斷路器試驗位置與工作位置切換途中的合閘閉鎖功能是其“五防”聯鎖中的重要功能之一。

本文通過對斷路器合閘閉鎖的設計及優化分析，對手車式真空斷路器的合閘閉鎖功能實現及彈簧力值的選擇進行優化分析，最終設計出滿足使用要求的合閘閉鎖結構，實現了斷路器的安全可靠運行。

1 合閘閉鎖結構設計

手車式真空斷路器合閘聯鎖是依靠機構合閘閉鎖板的上下運動實現的，當機構聯鎖板處于下端時，機構處于解鎖狀態，當機構聯鎖板向上運動到設計位置時，機構處于合閘閉鎖狀態。如圖1 所示：

2 合閘閉鎖仿真分析

2.1 初始判據

為保證合閘閉鎖結構靈活可靠，底盤車鎖板轉動輸出力值應始終大于合閘閉鎖復位簧的力值，并應有1.2 倍的設計裕度。

2.2 合閘閉鎖運動過程力值計算

2.2.1 設計輸入參數

a. 底盤車鎖板扭簧：T1=2394±230N.mm T2=2260±220N.mm K=13.3N.mm/°，設計轉角10 度°。

b.合閘閉鎖復位簧：F1=10N，F2=15N，K=0.625N/mm，有效圈數n=12。

2.2.2 力學分析

由于初始為止存在間隙，底盤車搖動脫扣后轉動2.19°與合閘聯鎖橫板接觸，帶動聯鎖推桿向上運動。底盤車初始位置與合閘聯鎖結構位置關系如圖2 所示：

圖2 底盤車初始位置與合閘聯鎖結構位置關系圖

對接觸位置進行受力分解，如圖3 所示：

圖3 初始接觸位置受力分析圖

底盤車初始扭簧扭矩為2394N.mm，轉動2.19°后扭矩為：

N=2394-2.19°×13.3=2364.873N.mm

接觸時切向力為：

F切=N÷L=2364.873÷68.6=34.47N

傳動效率按75%計算，豎直向上的分力為：

F豎= F切sinθ=34.47×sin26.16°×75%=12.2025N

將公式進行整合為：

F豎= (N/L)sinθ×75%

按照此公式以1°為步長進行逐步計算，直至轉角到達10°。計算結果表1 所示：

表1 底盤車聯板扭簧標稱值輸出力值

根據圖紙要求，計算扭簧下偏差極限力值，如表2 所示：

表2 底盤車聯板扭簧下偏差值輸出力值

通過計算，聯鎖推桿向上移動9.7mm，聯鎖推板與推桿中間存在2.57mm 間隙，所以聯鎖推板運動距離為7.13mm。根據此力值進行合閘閉鎖復位簧運動力值計算，如表3 所示：

表3 合閘閉鎖復位簧運動力值

將三組數據繪制成曲線圖進行對比分析，如圖4 所示：

圖4 力值對比曲線圖

2.2.3 計算結果分析

通過對比可以看出，當底盤車鎖板轉動到9°時，合閘閉鎖復位簧力值高于扭簧設計下限輸出力值，底盤車鎖板停止動作，此時合閘閉鎖板移動高度為6.43mm。當底盤車鎖板轉動到7.2°時，合閘閉鎖復位簧力值高于判據值，底盤車鎖板停止動作，此時合閘閉鎖板移動高度為5.03mm。

2.3 結論

通過計算分析可以得出，在底盤車鎖板扭簧力值下限時，合閘閉鎖板移動高度可以滿足可靠聯鎖需要高度，但在判據值下，合閘閉鎖板移動高度在可靠聯鎖需要高度偏下部位。此結構存在合閘閉鎖不可靠的情況，當零部件尺寸加工誤差較大，裝配工藝處理不好的情況下，極易出現合閘閉鎖失效的情況。此計算亦可反推驗證判據值的合理性。

3 合閘閉鎖優化設計分析

重新設計合閘閉鎖復位簧，將彈簧工作位置F2 值設計為低于底盤車鎖板扭簧輸出力值判據值,值為6.66N。

考慮安全系數關系，F2=6.66/σ

其中:σ-安全系數，值為1.2,則F2=5.55。

新設計彈簧輸入參數:d=0.8mm，D=8mm，F2=5.55N，F1=2.7N,合閘閉鎖復位簧拉伸行程△L=7.13mm，K=0.4N/mm，機構初始安裝合閘閉鎖復位簧高度H=41mm。

則彈簧初始安裝尺寸: L=H-(F1/K)=34.25mm

根據彈簧剛度計算公式：

其中：K-彈簧剛度；G-彈簧材料切變模量；d- 彈簧線徑；D-彈簧中經；n-彈簧有效纏繞圈數；

將已知量帶入公式，通過計算得出：n=20 元整為：n=20

原結構彈簧與優化彈簧參數對比如4 表所示：

表4 優化前后合閘閉鎖復位簧參數對比

根據前述計算步驟進行優化后合閘閉鎖復位簧運動力值計算，如表5 所示：

表5 合閘閉鎖復位簧運動力值

將底盤車鎖板扭簧輸出力值與改進后合閘閉鎖復位簧力值數據繪制成曲線圖進行對比分析，如圖5 所示：

圖5 力值對比曲線圖

通過圖表可以看出，在合閘聯鎖結構整個運動過程中，合閘閉鎖復位簧力值低于底盤車鎖板扭簧輸出力值的判據值，滿足設計要求。

4 結論

通過對斷路器合閘閉鎖設計結構校核，發現原設計結構在底盤車鎖板扭簧力值下限時，合閘閉鎖板移動高度可以滿足可靠聯鎖需要高度，但在判據值下，合閘閉鎖板移動高度不滿足可靠聯鎖需要高度。此結構存在合閘閉鎖不可靠的情況，當零部件尺寸加工誤差較大，裝配工藝處理不好的情況下，極易出現合閘閉鎖失效的情況。對合閘閉鎖連板及合閘閉鎖連板復位簧進行優化設計，通過計算，設計結構在判據值以內，滿足設計要求。