高壓氣動隔離開關(guān)操作機構(gòu)設(shè)計

沈 文，李治軍，鐘積科

高壓氣動隔離開關(guān)操作機構(gòu)設(shè)計

沈 文，李治軍，鐘積科

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

操作機構(gòu)是隔離開關(guān)傳動執(zhí)行的重要部件，其可靠性直接影響隔離開關(guān)的正常合閘與分閘。本文提出了一種高壓氣動隔離開關(guān)，對其氣動操作機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，提出了幾種氣動回路方案，對方案的優(yōu)劣進(jìn)行了比較分析與優(yōu)化，可為類似結(jié)構(gòu)隔離開關(guān)操作機構(gòu)的設(shè)計提供一定的參考。

高壓 隔離開關(guān) 氣動回路 電磁閥

0 引言

隔離開關(guān)是高壓開關(guān)電器中使用最多的一種電器，其主要作用是在需要檢修的部分和其它帶電部分之間形成足夠大且明顯可見的斷口以保證檢修工作時的安全[1]。近年來，國內(nèi)廠家不斷借鑒國外隔離開關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗，縮短了與國際產(chǎn)品的差距，部分超高壓隔離開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品國產(chǎn)數(shù)量已經(jīng)超過進(jìn)口，但與國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品差距仍然較大[2]。隨著電器試驗室和電站對隔離開關(guān)耐受短路電流能力要求不斷提高，國內(nèi)高壓隔離開關(guān)設(shè)備在技術(shù)參數(shù)、質(zhì)量性能方面仍有較大改進(jìn)的空間[3]。因此，新型氣動隔離開關(guān)的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

本文所研究的高壓氣動隔離開關(guān)簡化模型如圖1所示，主要由觸頭組件、操作機構(gòu)和底座組成。其中觸頭部分主要由動觸頭板、靜觸頭座和觸指等組成；底座部分主要由框架支座和絕緣子等組成；操作機構(gòu)部分主要由氣缸、連桿、轉(zhuǎn)軸、軸套等組成。操作機構(gòu)采用氣動操作機構(gòu)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控隔開開關(guān)動作；氣缸與動觸頭板采用曲軸連接來實現(xiàn)合分閘操作。操作機構(gòu)最大的要求就是保證隔離開關(guān)準(zhǔn)確動作，為確保設(shè)備安全和人身安全，設(shè)計的操作機構(gòu)應(yīng)能準(zhǔn)確定位，在開關(guān)動作到位時準(zhǔn)確反饋運行狀態(tài)[4]。

本文對該隔離開關(guān)氣動操作機構(gòu)的開距、轉(zhuǎn)角以及傳動桿系在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了設(shè)計分析，并在兩種不同氣動回路方案的優(yōu)劣進(jìn)行對比分析后，對氣動回路方案進(jìn)行了優(yōu)化，使隔離開關(guān)運行更加可靠。

1 操作機構(gòu)設(shè)計

1.1 開距轉(zhuǎn)角計算

對本隔離開關(guān)操作機構(gòu)的主要要求為開距，如下圖2所示，開距為，若及尺寸已知，則可得出開距與轉(zhuǎn)角的關(guān)系式為：

圖2 開距示意圖

測量本隔離開關(guān)參考樣機可得=460 mm，=60 mm（約為250 mm），轉(zhuǎn)角及對應(yīng)的開距由公式(1)計算結(jié)果見下表1。

表1 轉(zhuǎn)動角度對應(yīng)的開距

由表1可知，開距為250 mm時，則動觸刀轉(zhuǎn)動角度應(yīng)該為40°，若增大開距到300 mm，轉(zhuǎn)動角度為48°。以下按照初始開距為250 mm，轉(zhuǎn)角為40° 計算。

1.2 傳動桿長度確定

如圖1所示，將三個傳動桿分別標(biāo)為桿1、桿2、桿3，其中桿1與氣缸組成桿系A(chǔ)、桿2和桿3組成桿系B。

根據(jù)開距反推其他桿的長度。桿系B中，已知桿2最終轉(zhuǎn)角超過豎直后10°，動觸刀初始狀態(tài)處于水平，動觸刀轉(zhuǎn)動40°，另動觸刀支點到中轉(zhuǎn)點距離為225 mm。若設(shè)置桿2長度為150 mm，通過計算可知，桿2轉(zhuǎn)角為94.35°，桿3長度為632.28 mm。由于轉(zhuǎn)角過大，需對桿2長度進(jìn)行略微調(diào)整，取桿2長度為200 mm，桿3為580 mm，得到桿2轉(zhuǎn)角為80.92°，動觸刀轉(zhuǎn)角為43.18°，由公式（1）可得開距為276.4 mm，符合要求。

對于桿系A(chǔ)，目標(biāo)值為在氣缸的推動下，氣缸由初始位置達(dá)到最終位置時，桿1轉(zhuǎn)動角度應(yīng)與桿2轉(zhuǎn)動角度相同，為 80.92°。已知氣缸壓縮時，氣缸長度為660 mm，氣缸伸長時長度為960 mm，氣缸初始狀態(tài)安裝角為15°以保證正常工作。經(jīng)過計算得到桿1長度為234.76 mm，對桿1長度進(jìn)行圓整，取240 mm，得到氣缸初始安裝角為16.6°。

至此，傳動桿數(shù)據(jù)已經(jīng)分析完成，所確定尺寸如下表2所示：

表2 操作機構(gòu)尺寸

2 氣動回路方案

2.1 氣動回路方案一

氣動回路方案一如圖3所示，主要由氣缸、單向節(jié)流閥、三位五通電磁閥及氣源組成。該氣動回路方案可分為三個正常狀態(tài)及不同故障模式，分別如下：

圖3 氣動方案一

保持態(tài)：氣源提供壓縮氣體，經(jīng)過單向閥進(jìn)入三位五通電磁閥，該電磁閥為雙電控式，若電磁閥兩邊未通電，即處于圖1所示的保持態(tài)，壓縮氣體不能通過電磁閥，氣缸內(nèi)部氣體也不能排除，此時處于保持態(tài)，動觸刀長期閉合或者分開狀態(tài)時，電磁閥應(yīng)處于此狀態(tài)。此時，電磁閥斷電也不會造成事故。

分閘：若電磁閥左端通電（分閘過程中保持通電），此時隔離開關(guān)由保持態(tài)轉(zhuǎn)換為分閘狀態(tài)，分閘狀態(tài)氣動回路動觸刀速度可通過可調(diào)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)。合閘完畢后，通過接近傳感器感知并反饋給電磁閥，電磁閥右端斷電，分閘完畢，電磁閥由分閘狀態(tài)恢復(fù)到保持態(tài)，動觸刀處于并保持于分開狀態(tài)。

合閘：動觸刀處于分開狀態(tài)，且電磁閥處于保持態(tài)，若需要進(jìn)行合閘，則對電磁閥右端進(jìn)行通電（分閘過程中保持通電），氣動回路進(jìn)入合閘狀態(tài)，氣缸到位后接近開關(guān)感知并給電磁閥斷電，電磁閥恢復(fù)到保持態(tài)，動觸刀處于并保持于閉合狀態(tài)。

斷電斷氣故障：斷電斷氣時，不管出于何種狀態(tài)，電磁閥會恢復(fù)到保持態(tài)，氣路氣體阻塞，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前面斷氣保持原位要求。

斷電不斷氣故障：斷電不斷氣時，不管出于何種狀態(tài)，電磁閥會恢復(fù)到保持態(tài)，氣路氣體阻塞，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前文所述斷氣保持原位要求。

斷氣不斷電故障：當(dāng)處于保持態(tài)時，氣泵斷氣，由于氣路氣體阻塞，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前面斷氣保持原位要求。

當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行分閘時，電磁閥不斷電、氣泵斷氣，電磁閥仍處于打開狀態(tài)，由于設(shè)置單向閥，氣缸仍不動作，符合斷氣保持原位，故系統(tǒng)安全。

當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行合閘時，電磁閥不斷電、氣泵斷氣，電磁閥仍處于打開狀態(tài)。

2.2 氣動回路方案二

方案二與方案一的區(qū)別在于電磁閥不同。如圖4所示，方案二采用雙電控兩位五通電磁閥，該閥工作原理在于有兩個位置，無保持狀態(tài)。

分閘狀態(tài)：電磁閥左端給電（瞬時通電即可，無復(fù)位彈簧，斷電后保持通電前原位），左端導(dǎo)通，氣缸動作，開始分閘，分閘到位后，所有部件保持原態(tài)。

合閘狀態(tài)：電磁閥右端給電（瞬時通電即可，無復(fù)位彈簧，斷電后保持通電前原位），右端導(dǎo)通，氣缸動作，開始合閘，合閘到位后，所有部件保持原態(tài)。

圖4 氣動方案二

斷電故障：由于電磁閥是瞬時通電，斷電對電磁閥動作不影響。

斷氣故障：當(dāng)左端接通時，斷電斷氣，電磁閥保持左端接通，由于有單向閥，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前面斷氣保持原位要求；

當(dāng)右端接通時，斷電斷氣，電磁閥保持右端接通。

2.3 兩種氣動回路方案對比分析

兩種氣動回路方案的差異是由電磁閥帶來的，因此各自氣動回路具有各自的特點。

1）方案一

優(yōu)點：電磁閥是三位，在長期閉合或分開時有自鎖功能。

缺點：電磁閥在運行時需一直保持通電

2）方案二

優(yōu)點：二位電磁閥結(jié)構(gòu)簡單，瞬時通電。

缺點：不管在何種狀態(tài)，氣路一直處于接通狀態(tài)，供氣設(shè)備一直處于供氣中，對壽命有影響。

2.4 氣動回路方案改進(jìn)

結(jié)合前兩個方案的優(yōu)點，對氣動回路進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了一種方案三(圖5所示)，能夠很好的實現(xiàn)所要求的各種斷電斷氣故障的保護(hù)措施。

分閘：若電磁閥左端通電（分閘過程中瞬時脈沖即可），此時隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換為分閘狀態(tài)，分閘狀態(tài)氣動回路兩位兩通氣動閥在氣源有一定壓力時處于接通狀態(tài)，動觸刀速度可通過可調(diào)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

合閘：若電磁閥右端通電（合閘過程中瞬時脈沖即可），此時隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換為合閘狀態(tài)，合閘狀態(tài)氣動回路兩位兩通氣動閥在氣源有一定壓力時處于接通狀態(tài)，動觸刀速度可通過可調(diào)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

圖5 氣動回路方案三

斷電故障：由于電磁閥是瞬時通電，斷電對電磁閥動作不影響，系統(tǒng)安全。

斷氣故障：當(dāng)氣源斷氣時，兩位兩通氣動閥會自動關(guān)閉，氣缸內(nèi)氣體量不變，氣缸不動作（無負(fù)荷或小負(fù)荷時），系統(tǒng)安全。

3 總結(jié)

本文提出一種高壓氣動隔離開關(guān)，對其結(jié)構(gòu)組成作了簡單介紹，并對其操作機構(gòu)及氣動回路進(jìn)行了設(shè)計分析。

操作機構(gòu)采用氣動操作，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，氣缸與動觸板采用曲軸連接，在短路電流發(fā)生時能確保觸頭靜觸板和動觸板的接觸處于最佳狀態(tài)，提高開關(guān)的動熱穩(wěn)定水平；連桿機構(gòu)分閘位采用過死點方案，對比機構(gòu)分閘不過過死點方案，使氣缸斷氣時，不會因為自重而導(dǎo)致錯合閘，結(jié)構(gòu)更加可靠。

[1] 邵淑敏, 張英杰, 賈華景, 等. 12 kV 環(huán)保充氣柜用三工位隔離開關(guān)操作機構(gòu)的研發(fā)[J]. 高壓電器, 2019, 55(9): 236-240.

[2] 齊炳利, 孟忠, 王宇弛, 等. 800 kV高壓交流隔離開關(guān)研究開發(fā)[J]. 高壓電器, 2012, 48(4): 46-53.

[3] 鐘振蛟. 國產(chǎn)高壓交流隔離開關(guān)的發(fā)展和向特高壓的跨越[J]. 高壓電器, 2007, 43(4): 265-268.

[4] 張艷曉, 張杰, 趙成, 等. 雙凸輪組合定位的三工位隔離開關(guān)電動操作機構(gòu)研究[J]. 高壓電器, 2018, 54(4): 211-215.

Design of the operating mechanism for the high-voltage pneumatic isolating switch

Shen Wen, Li Zhijun, Zhong Jike

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564.1

A

1003-4862（2022）06-0049-04

2021-09-30

沈文（1989-），男，工程師。研究方向：直流斷路器。E-mail:549601989@qq.com