一種戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具的研究和應用

韓彥微，沈豪華，李耀輝，郭佳慶，劉振華

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山，528400）

0 引言

結合目前設備現場運維情況分析，斷路器彈簧機構使用一定年限后，機構分合閘彈簧疲勞將極可能導致分合閘彈簧彈力不足，從而導致分合閘速度降低，影響斷路器速度特性。由于影響該類型斷路器合閘速度特性的主要是分合閘彈簧性能、預壓縮量、機構的負載等，而斷路器合閘時會同時對分閘進行儲能，因此調整斷路器分閘彈簧預壓縮量，是一個較為便捷的調整斷路器分合閘速度特性的方法。可通過調整增加分閘彈簧的預壓縮量，便可提高斷路器的分閘速度，使其速度特性滿足現場運維要求。

本研究是研制一種戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具，有效便捷地完成雙螺母調整工作，可有效解決上述弊端，只需一名操作人員就可實現快速對雙螺母進行卡緊固定和松緊操作，省時省力，人機功效高。適用于戶外斷路器帶分閘筒的分閘彈簧調整操作，無需對原有設備進行改造，配置成本低，體積小，攜帶使用方便，可推廣性高。本組合工具的研究，將結合多年以來積累的現場生產工作經驗提出的一種新的組合工具，在制作完成后將應用于實際調整工作中，有效解決目前調整工作的缺點，提高現場工作效率。

圖1 某型號戶外斷路器操作機構分閘彈簧筒機構

1 戶外斷路器彈簧操作機構應力分布的分析

高壓斷路器是電力輸送的關鍵設備，其可靠性是保證電力系統可靠運行的必要條件。相關統計數據表明，在斷路器故障中有43%-45%是由機械故障引起的。操作機構機械零部件較多，傳動過程相對復雜，且傳動過程中瞬時沖擊力較大。由于某運動元件疲勞受損所導致的機構整體應力分布不合理，易造成嚴重的故障，威脅斷路器設備安全甚至電網穩定運行。因此，分析操作機構易損元件故障條件下的應力分布特性及運動特性，對探究操作機構故障演變過程及對其設計改進、監控等具有重要意義。

通過監測斷路器分合閘運動狀態及分合閘線圈的電流，獲得彈簧的運行狀態，得出彈簧性能及疲勞程度，解決了彈簧操作機構運行中，彈簧狀態不易測量的問題；通過給出了分合閘彈簧的可靠度計算模型，結合強度退化模型，將操作機構儲能彈簧的可靠度與動作次數相關聯，探究儲能彈簧的可靠度隨操作次數增加而降低的現象，分析了儲能彈簧的預期壽命；通過建立斷路器操作機構受電網諧波影響的熱力學模型，采用瞬態熱路法分析了電網諧波對斷路器操作機構動特性的影響，并采用有限元分析軟件對所建模型進行仿真分析；在基于Johnson-Cook模型和碰撞理論，建立了含間隙的彈簧操作機構有限元彈塑性動力學仿真模型，研究了系統中分、合閘過程中大功率脈沖對復雜寬帶非線性動力學特性的影響，探究銷軸-軸套擠壓變形、失效破壞的產生機理；通過有限元分析軟件對直流真空斷路器的機械聯動動力特性進行了仿真分析，根據仿真結果，調整了斷路器模塊樣機，并對真空斷路器模塊的機械聯動配合進行了測量；有作者研究了兩種新型電機操作機構，設計兩種電機操動機構并分析了其動特性。通過有限元仿真分析，調整了電機設計參數，得到符合操作特性要求的電機操動機構，同時探究了兩種電機操動機構起動特性、運行方式及控制方面的特點。以上方法均有效給出戶外斷路器操作機構應力分布的一定理論分析支持。

彈簧疲勞是彈簧操作機構最典型的故障，在合閘彈簧疲勞狀態下操作機構各敏感單元(分閘彈簧、凸輪及滾輪、傳動機構)的應力分布變化及合閘動作響應變化情況，結合分析可以驗證分析結果的準確性，分析結果對彈簧操作機構的優化設計及運行維護具有重要的參考價值。

2 戶外斷路器彈簧機構應力松弛造成的影響

應力松弛是金屬材料在應力或形變持續施加的情況下，微塑性變形逐漸積累，應力逐漸下降的過程，亦可稱為彈性衰退。應力松弛過程與材料類型、環境溫度、應力水平等相關。對于機械彈簧等彈性元件，應力松弛是其失效的主要模式之一。儲能彈簧作為分合閘力的來源，其應力松弛對斷路器分合閘操作的可靠性產生重要影響。斷路器彈簧機構應力松弛將會造成分合閘速度變化，從而影響斷路器的安全運行。典型的應力松弛曲線如圖2所示。

圖2 典型應力松弛曲線

3 戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具研究前景

目前電網設備實施嚴格的規范化檢修工作，對斷路器機械特性測試及分合閘速度測試都有規范的技術要求。戶外斷路器在變電站中數量巨大，尤其是操作機構為彈簧儲能的更為常見，在設備長期運行中容易出現由于彈簧疲勞導致分合閘速度不合格的現象，因而需要調整彈簧進而使其分合閘速度可以滿足運行要求。普通的工器具對雙螺母進行卡緊固定和松緊操作較難完成，一般的普通工具對于此類雙螺母機構調整不具備優勢，很難達到最優的調整狀態。目前市場上的操作工具實用性不強，操作空間狹小，操作人員很難施展，調整耗時耗力。在斷路器的機構里作業，空間極其有限，對于專用的操作工具要求極高，且在空間有限的條件下無法完成單人操作，調整時需要多名操作人員同步協作，人機功效低，存在操作不當時有可能對分閘彈簧固定軸造成應力損傷，導致影響分閘速度。本組合工具有效便捷地完成雙螺母調整工作，可有效解決上述弊端，只需一名操作人員就可實現快速對雙螺母進行卡緊固定和松緊操作，省時省力，人機功效高。

4 戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具的原理

本項目研究的戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具，主要包括固定可更換組件、松緊可更換組件、可控制延長滑桿、固定主桿、控制操作桿、智能力矩數顯裝置、便攜式三角固定支架、固定主桿固定輔助裝置。固定可更換組件形同“7”字，一邊為固定上螺母專用組件，其直角的寬度可有效提供調整第二顆螺母螺絲的空間；固定可更換組件另一邊設置有可更換接頭，可以根據使用場景及目標對象的不同，從而更換固定可更換組件，固定可更換組件接頭可與可控制延長固定滑桿相連。松緊可更換組件一邊為松緊下螺母專用組件，松緊可更換組件另一邊設置有可更換接頭，松緊可更換組件接頭與固定主桿相連，從而將力矩有效的傳遞。適當調整可控制延長固定滑桿的長度，有效配合固定可更換組件，以至于調整專用工具力臂達到最優狀態。可控制延長固定滑桿下部設置鎖緊裝置，當可控制延長固定滑桿調整至合適長度時，將其鎖緊防止滑動。固定主桿上部連接收緊可更換組件，下部連接控制操作桿，在調整斷路器分閘彈簧雙螺母時，主要起力矩傳遞、連接收緊可更換組件收緊控制桿的作用。控制操作桿設置有方向鎖，在調整斷路器分閘彈簧雙螺母的下螺母時，可根據需要進行收緊及松開。智能力矩數顯裝置固定在固定主桿下部，在調整斷路器分閘彈簧雙螺母的下螺母收緊及松開時，可直觀的獲得當前力矩，有效保證螺母調整操作質量。便攜式三角固定支架上端通過萬向頭與可控制延長固定滑桿進行連接，可根據現場情況有效調整便攜式三角固定支架的角度，從而達到最優的固定狀態。固定主桿固定輔助裝置有效將固定主桿與可控制延長固定滑桿固定起來，方便在操作時更穩定可靠。

圖3 戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具原理圖

經過上述戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具實現了將固定螺母輔助工具和螺母調整控制工具結合起來，有效解決由于空間狹隘、多人操作等問題。在對分閘彈簧筒內雙螺母螺絲作業調整時，可實現單人操作，從而達到操作效率高、調整方便、節省人力物力等效果，提高操作的安全可靠性。

5 戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具的創新點

本研究在設計及功能構造上都比現有技術更便捷、實用，具有以下優點：

(1)結構巧妙，設計創新。戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具創新性將固定螺母輔助工具和螺母調整控制工具有機結合起來，既能實現上螺母的固定作用，又能實現下螺母的松緊操作，有效解決空間狹隘、多人操作等問題。

(2)有效克服空間狹小的限制，人機功效高。普通工器具對雙螺母進行卡緊固定和松緊操作較難完成。一般的普通工具對于此類雙螺母機構調整不具備優勢，很難達到最優的調整狀態。

(3)輔助工具可實現單人操作，方便快捷。目前所用的操作用具需多人配合才能完成操作任務，本發明所研制的新型專用工具利用巧妙的機構設計，可以在卡緊第一顆螺母的前提下，輕松完成第二顆螺母的松緊，從而實現單人操作，方便快捷。

(4)操作安全系數高。在以往的分閘彈簧調整過程中，由于操作工具不能較好的卡緊雙螺母的其中一顆，在操作過程中有可能會由于卡不緊也松掉，導致操作工具滑落，此時用力較大，將會打傷分閘彈簧及其他機構，也會對操作人員造成一定的安全風險。采用新型戶外斷路器機構雙螺母調整組合工具對分閘彈簧筒內雙螺母螺絲進行卡緊固定后，可由單人輕松將另一顆螺母進行松緊操作，從而達到操作效率高、調整方便，操作安全系數高。