GN30-4000 大電流隔離開關操作力矩分析

王 偉，呂 強，陳尚選，吳昆泰，黃石華

（廣東電網(wǎng)有限責任公司清遠供電局，廣東 清遠 511000）

在電力行業(yè)的發(fā)展過程中，GN30 隔離開關經(jīng)歷了漫長的發(fā)展時期，當前，一些大電流隔離開關逐步出現(xiàn)并在很多領域得到了應用。在早期GN30 隔離開關出現(xiàn)與應用之初，由于存在設計理念、技術的局限性，導致其功能并不完善，而在當前，即使設計工藝逐步成熟，但是，應用GN30 隔離開關的過程中，故障頻發(fā)依舊是制約其應用的關鍵因素，尤其是在應用GN30-4000 大電流隔離開關的過程中，操作力矩的控制極為重要，操作力矩設置的合理性能夠降低開關故障概率。

1 隔離開關機構操作力測試系統(tǒng)的硬件構成

隔離開關機構操作力測試系統(tǒng)的構成相對復雜，其系統(tǒng)內主要包含了扭矩傳感器、信號變送器、移動電源模塊、上位機與多條電纜。在隔離開關的運行過程中，力矩傳感器在其中主要負責相關信號的傳輸與轉變，在獲得相應的力矩值以后，可以將這些信息轉化為對應的電信號。由于系統(tǒng)內包含了信號變送器，在接收到這些電信號以后，能夠進行信號的放大與數(shù)字化處理，被處理的信號可以經(jīng)由USB 接口被傳輸至上位機中，而相應的軟件內可以直接進行各種信息的記錄、存儲與分析。

1.1 電源模塊

在隔離開關機構操作力測試系統(tǒng)內，電源模塊一般采用的是聚合物鋰離子電池。而在傳統(tǒng)的電源模塊中，大多采用的是液態(tài)鋰離子電池，而聚合物鋰離子電池中，傳統(tǒng)的液體電解質被固體電解質所取代，質量能量比較高，使得在電源的運行與使用過程中，不僅能夠保持更為安全、可靠的運行狀態(tài)，還能夠具有更長的使用壽命[1]。

1.2 力矩傳感器

力矩傳感器是整個隔離開關機構操作力測試系統(tǒng)中的重要組成部分，力矩傳感器主要采用的是靜態(tài)力矩傳感器，而通過應變電測技術，能夠在系統(tǒng)運行過程中獲得相應的扭矩參數(shù)。具體來說，在彈性軸上粘貼應變計，最終會形成測量電橋，當在系統(tǒng)運行過程中，彈性軸受到扭矩作用出現(xiàn)極小的變形情況時，電橋電阻值也會隨之發(fā)生相應的變化，應變電橋電阻在變化的過程中會轉變?yōu)殡娦盘柕淖兓诖诉^程中，力矩傳感器能夠獲得相應的扭矩值，實現(xiàn)精準測量。相比較而言，力矩傳感器的應用使得力矩的測量與控制更為高效、精度更高、可靠性更好。

1.3 信號變送器

在使用隔離開關的過程中，信號變送器的存在能夠將傳感器的輸出信號加以精密放大處理，而在這種情況下，線路內部能夠達到穩(wěn)壓狀態(tài)，電壓電流的轉換更為便捷[2]。此外，信號變送器的存在還能夠達到阻抗適配、線性布行、溫度補償?shù)男Ч瑢崿F(xiàn)力學量向標準電流、電壓信號的轉換。

1.4 硬件連接

隔離開關機構操作中力測試系統(tǒng)的硬件連接極為重要，其接線主要包含了以下方面：①電池輸出端口與變送器電源輸入端口的連接，使得變送器能夠為傳感器提供其運行所需的電力資源；②傳感器信號線路與變送器的連接；③變送器信號輸出線USB 接口與上位機USB 接口的連接[3]。

2 GN30-4000 大電流隔離開關操作力矩的分析

從根本上看，在使用隔離開關的過程中，操作力矩的分析與計算對于相關產(chǎn)品零部件結構強度設計、操作機構的匹配有著直接的關系。近年來，隨著各個領域對隔離開關的使用逐步增多，人們對隔離開關通流容量的要求越來越高，而對于操作力矩的要求反而越來越低，以保障操作的靈活性與便捷性。當前，國內針對隔離開關產(chǎn)品分合閘過程中操作力矩計算的研究相對較少，很多研究更多地集中在對垂直面內分合隔離開關重力距的計算方面。相比較而言，額定電流在2 000 A 以內電流等級的隔離開關，在分合閘的過程中，一般都要求操作力矩相對較小，對操作力矩并沒有過于嚴苛的要求。而對于GN30-4000 這樣的大電流隔離開關而言，在操作力矩的控制上較為嚴格，必須經(jīng)由相應的分析與計算才能夠得到，否則，大電流隔離開關過大的操作力矩將會導致開關運行過程中有關的傳動零部件存在變形風險[4]。

在GN30-4000 大電流隔離開關的分合閘過程中，當觸頭與觸指沒有接觸的情況下，產(chǎn)品傳動僅僅需要克服和應對轉軸位置處理的摩擦力。在這種情況下，操作力矩相對較小，而在觸頭與觸指接觸以后，會存在一定的接觸壓力，進而增加附加的操作力矩，且觸頭與觸指接觸的角度行程會占據(jù)分合閘角度總行程的一定比例，因此，在整個隔離開關的運行過程中，附加操作力矩的增加往往是由接觸壓力所造成的。

在使用隔離開關的過程中，機構傳統(tǒng)過程與原理相對特殊，在觸頭與觸指沒有接觸的情況下，機構運動的自由度為1，此時，機構可以保持正常的運行狀態(tài)；當觸頭與觸指在基礎以后，由于在二者之中增加了一個高副接觸，此時，機構運動的自由度會發(fā)生一定的變化，從1 變?yōu)?。這種情況下，在運動的過程中隔離開關機構運動方向將與阻力最小的方向保持一致。結合GN30-4000 大電流隔離開關的結構特征，在實際的運行過程中，觸頭觸指位置會產(chǎn)生一定的彈性變形現(xiàn)象，在這種情況下，隔離開關的運動方向為合閘方向或者分閘方向。而觸頭與觸指接觸以后，形成了閉鏈零自由度機構，操作力矩的分析更為困難。

此外，在使用GN30-4000 大電流隔離開關的過程中，由于安裝拐臂的軸相對較細，當開關處于分合閘狀態(tài)下時，軸端極易出現(xiàn)剛性變形現(xiàn)象，雖然在快速分合閘的過程中，能夠瞬間抵消一部分的合閘力與行程，但是會造成更為嚴重的問題，比如，分合閘難以維持最佳狀態(tài)，難以實現(xiàn)正常的分合閘，即使可以達到合閘狀態(tài)，其效果也極不理想。在隔離開關的使用過程中，還存在拐臂位置角度不合理的情況，在這種狀態(tài)下，即使處于同樣的合閘力條件下，合閘力矩也相對較小。

3 大電流隔離開關操作力矩的改進

通過對GN30-4000 大電流隔離開關操作力矩的詳細分析，要保障操作力矩符合開關穩(wěn)定運行的需求，需針對隔離開關的具體情況來進行相應的改進，改進措施主要包括將原有的動刀旋轉結構轉變?yōu)樗竭\動方式，用絲桿傳動來取代原有的拐臂聯(lián)動結構，將搖柄聯(lián)動絲桿進行手動操作與控制，在電機聯(lián)動絲桿添加電動操作，實現(xiàn)電動與手動的結合操作與控制[5]。

4 結束語

近年來，從對GN30-4000 大電流隔離開關的應用情況來看，其常常出現(xiàn)各種的運行故障，為了最大程度上維持開關最佳的運行狀態(tài)，有關人員需在實際的工作中結合開關運行與使用情況，加強對操作力矩的分析與計算，使得操作力矩能夠達到隔離開關使用的需求。