国产开关弹簧机构改进的探讨及方法

杨文青+++石巧莉+++周晓琴+++丁倩

摘 要：近年来，具有弹簧机构的断路器越来越普及，与过去的直流电磁机构相比具有动作快、合闸电流小、储能电源容量小、交直流均可使用等优点，但在实际检修中，国产操作机构存在着行程开关易烧坏、机构易卡涩等问题，为了提高操作机构的可靠性，文章借鉴ABB、西门子等厂家的改进方法，对弹簧操作机构进行了改进，试验显示：在行程开关接点拉弧的垂直方向上加装一个直径为5毫米的磁铁，可以较为明显的改善断路器的灭弧性能；在分合闸回路的串接接点上并联一副辅助接点，能较为显著地降低线圈烧毁的概率；脱扣机构的转轴与机构支架采用轴与轴承连接可以明显的改善其灵活性。

关键词：弹簧机构；分合闸启动装置；行程开关；辅助开关；脱扣器

引言

高压断路器是电力系统中重要的开关设备，主要作用是正常运行时，用来接通和开断电路中的负荷电流；在故障时，用来开断电路中的短路电流，切除故障电路，按照重闭合的要求还能关合短路电流。高压断路器在电力系统中起着操作、控制与保护作用，并具有完善的灭弧装置。断路器的类型很多，就其结构而言，都是由通断元件、绝缘支持元件、传动结构、基座和操动机构5个基本部分组成。

操作机构可以分为弹簧操作机构、液压操作机构、气动操作机构和电磁操作机构四大类，其中弹簧操动机构具有以下优点：（1）要求电源容量小；（2）交直流电源均可用；（3）失去电源仍能操作一次。弹簧操作机构以其显著优势而得到大规模运用，它们的可靠性对设备及电力系统的安全运行具有重要影响。据调查，国产高压断路器弹簧操动机构的分合闸启动装置易发生故障，进而影响电网运行的可靠性。文章针对天津某开关厂ZN22型弹簧机构，探讨了弹簧机构的故障原因，并提出了相应的改进措施。

1 弹簧机构概述

弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元使触头运动。

弹簧操动机构结构简单，可靠性高，分合闸操作采用两个螺旋压缩弹簧实现。储能电机给合闸弹簧储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸弹簧一释放，储能电机立刻给其储能，储能时间不超过15s（储能电机采用交直流两用电机）。运行时分合闸弹簧均处于压缩状态，而分闸弹簧的释放有一独立的系统，与合闸弹簧没有关系。这样设计的弹簧操动机构具有高度的可靠性和稳定性，既可满足O-0.3 sec -CO-180 sec -CO操作循环，又可满足CO-15sec-CO操作循环，机械稳定性试验达10000次。

2存在问题

弹簧操作机构优势显著，然而在长期的使用中，发现弹簧操作机构故障率远高于气动机构、电磁机构与液压机构，2013年对本公司变电站所使用的开关故障统计如表1和表2所示。

表1 2013年开关设备发生的异常障碍分类统计表

由表1可得，弹簧机构故障数量比重最高，占所有开关故障的71.6%。对弹簧操作机构故障原因详细排查分类后，得出表2：

表2 2013年弹簧机构异常障碍分类统计表

由表2可得，弹簧操作机构问题主要发生在分合闸启动装置上，分合闸启动装置故障将直接导致断路器无法开合、关断电路，从而影响电网运行。文章对第四季度的弹簧操作机构分合闸启动装置故障进行详细分析：该季度共发生9次障碍、异常，其中行程开关坏3次，辅助开关坏3次，脱扣机构不合理3次。由此可见，解决消除弹簧操作机构的这三个问题，就能减少事故、障碍异常，提高电网设备的安全运行的可靠性，增强防止事故的能力，因此，文章提出对弹簧机构的分合闸启动装置进行改进。

3 改进方法

3.1 行程开关改进

行程开关串接在储能电机回路中，用来控制电机的启动与停止，直接接通或断开电机电流，当储能电机储能满后，行程开关跳开停止储能。行程开关若无法闭合将导致电机无法储能，若行程开关无法跳开，将导致电机过度储能从而烧坏电机。如果行程开关的接点容量不够，就容易烧损粘连导致电机不能储能或烧毁，从而造成装置不能动作。另外由于储能电机均为直流电机，行程开关切断电机电流时，只有在行程开关几乎完全打开时，电弧才熄灭，燃弧时间长，也容易使行程开关烧坏。

图1 储能回路接线图及行程开关简图

图1中，SP1为行程开关。为了增强行程开关性能，提高其可靠性，现对其进行改进，缩短燃弧时间。

文章经过大量研究后，参考35KV厦门ABB公司HVD4的储能行程开关的灭弧方法。在行程开关接点的拉弧的垂直方向上加装一个直径为5毫米的磁铁，并用绝缘性能良好的塑料外壳固定。在切断电流时，电弧在磁场作用下可被迅速拉长，电弧被提前熄灭。

3.2 辅助开关改进

辅助开关接点串接在分合闸回路中，如图3所示。其作用是用来切断控制回路的分合闸电流。它没有灭弧装置，直流电流也没有过零点，因此不易断弧，再加上弹簧机构的辅助开关接点接触面小，而且断开时打开的距离也小，所以容易烧坏，辅助开关的损坏，将直接导致控制回路无法接通，使得分合闸启动装置无法启动。如果遇到有的操动机构性能不好，断路器合闸时第一次没有合上.其辅助接点未切换，发生合闸自保持的情况，甚至会造成烧毁合闸线圈的事故。

根据现场的实际情况，辅助开关都留有备用接点，为了增大辅助开关接点的容量，可在串接分合闸回路的接点上再并联一副辅助接点，使得接点切断的电流减小一半，从而使接点不再易被烧毁，如图4所示：

3.3 脱扣器改进

弹簧机构的分闸脱扣板固定在一个转轴上，在自身弹簧的作用下复位，转轴利用两个轴套固定在机构架上。由于转轴与轴套之间是滑动摩擦，摩擦力较大，此处不加润滑油，容易锈蚀，加润滑油，容易积污，造成分闸吃力或脱扣板不能复位，从而使启动装置不能正常动作。弹簧操作机构的传动零件较多，而其本身又对传动摩擦等反力特别敏感，因此，为保证弹簧机构良好运转，需有效降低传动部分的摩擦力。图5为设备原有的脱扣器。endprint

参考上海西门子10KV断路器的脱扣原理，文章将脱扣机构的转轴与机构支架的连接由原来的轴与轴套连接，改进为轴与轴承连接，轴与轴承之间存在滚动摩擦，摩擦力大幅度降低，从而避免了锈蚀、积污造成的脱扣板转动不灵活。改进后的脱扣器如图6所示。

4 改进效果及注意事项

（1）行程开关改进后，动作灵活可靠，接点在多次储能后，无烧伤痕迹，改进后的设备运行三个月，未发生行程开关烧坏故障。

（2）辅助开关改进后，辅助开关切换灵活、可靠，分合多次后，无烧伤痕迹。改进后的设备运行三个月，未发生辅助开关烧坏故障。

（3）脱扣器改进后，脱扣板转动灵活，长时间操作不卡涩，效果十分理想，弹簧机构的动作可靠性显著提高。且改进对断路器本身电气和机械性能不构成影响，无需进一步做型式试验。但在改造实施过程中，发现半轴锁扣的扣合面影响断路器的分闸时间和分闸电磁铁的启动电压，所以投运前应进行断路器动作特性的复核。调整分闸电磁铁芯顶杆与脱扣板之间的间隙，可改变分闸时间；调整半轴锁扣的旋转角度对分闸电磁铁启动电压有影响。

5 结束语

断路器弹簧操动机构具有零部件较多、结构复杂、操作冲击力大等特点，加之设计、维护以及材料、环境等各种因素的影响，在操作过程中难免会发生一些故障现象，需要加强检修维护，对于早期投入运行的产品，还应加强运行监测，及时发现和处理其家族性缺陷，从而延长此类操动机构的使用寿命，提高其运行的可靠性。

通过对断路器弹簧操作机构的改进，提高了弹簧机构的运行可靠性，保证了断路器的正常运行，进而提高了断路器的工作性能和使用寿命，降低了断路器的故障率，为电网的安全可靠运行提供了保障。

参考文献

[1]吴伟光，马履中.断路器操动机构的性能分析与研究[J].机械研究与应用，2000，13（3）；9-11

[2]苑舜.高压断路器弹簧操动机构[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]李建基.高压断路器及其应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4]陕西省电力公司组.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2009.

作者简介：杨文青，（1970.1-）女 山东聊城，大专学历，技师，从事方向：变电检修.

石巧莉（1980.12-），女，山东聊城，本科学历，高级工，从事方向：变电检修。

周晓琴（1985.10-），女，山东聊城，硕士学历，助理工程师，从事方向：变电检修。

丁倩（1993.11-），女，电气工程及其自动化。endprint

参考上海西门子10KV断路器的脱扣原理，文章将脱扣机构的转轴与机构支架的连接由原来的轴与轴套连接，改进为轴与轴承连接，轴与轴承之间存在滚动摩擦，摩擦力大幅度降低，从而避免了锈蚀、积污造成的脱扣板转动不灵活。改进后的脱扣器如图6所示。

4 改进效果及注意事项

（1）行程开关改进后，动作灵活可靠，接点在多次储能后，无烧伤痕迹，改进后的设备运行三个月，未发生行程开关烧坏故障。

（2）辅助开关改进后，辅助开关切换灵活、可靠，分合多次后，无烧伤痕迹。改进后的设备运行三个月，未发生辅助开关烧坏故障。

（3）脱扣器改进后，脱扣板转动灵活，长时间操作不卡涩，效果十分理想，弹簧机构的动作可靠性显著提高。且改进对断路器本身电气和机械性能不构成影响，无需进一步做型式试验。但在改造实施过程中，发现半轴锁扣的扣合面影响断路器的分闸时间和分闸电磁铁的启动电压，所以投运前应进行断路器动作特性的复核。调整分闸电磁铁芯顶杆与脱扣板之间的间隙，可改变分闸时间；调整半轴锁扣的旋转角度对分闸电磁铁启动电压有影响。

5 结束语

断路器弹簧操动机构具有零部件较多、结构复杂、操作冲击力大等特点，加之设计、维护以及材料、环境等各种因素的影响，在操作过程中难免会发生一些故障现象，需要加强检修维护，对于早期投入运行的产品，还应加强运行监测，及时发现和处理其家族性缺陷，从而延长此类操动机构的使用寿命，提高其运行的可靠性。

通过对断路器弹簧操作机构的改进，提高了弹簧机构的运行可靠性，保证了断路器的正常运行，进而提高了断路器的工作性能和使用寿命，降低了断路器的故障率，为电网的安全可靠运行提供了保障。

参考文献

[1]吴伟光，马履中.断路器操动机构的性能分析与研究[J].机械研究与应用，2000，13（3）；9-11

[2]苑舜.高压断路器弹簧操动机构[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]李建基.高压断路器及其应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4]陕西省电力公司组.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2009.

作者简介：杨文青，（1970.1-）女 山东聊城，大专学历，技师，从事方向：变电检修.

石巧莉（1980.12-），女，山东聊城，本科学历，高级工，从事方向：变电检修。

周晓琴（1985.10-），女，山东聊城，硕士学历，助理工程师，从事方向：变电检修。

丁倩（1993.11-），女，电气工程及其自动化。endprint

参考上海西门子10KV断路器的脱扣原理，文章将脱扣机构的转轴与机构支架的连接由原来的轴与轴套连接，改进为轴与轴承连接，轴与轴承之间存在滚动摩擦，摩擦力大幅度降低，从而避免了锈蚀、积污造成的脱扣板转动不灵活。改进后的脱扣器如图6所示。

4 改进效果及注意事项

（1）行程开关改进后，动作灵活可靠，接点在多次储能后，无烧伤痕迹，改进后的设备运行三个月，未发生行程开关烧坏故障。

（2）辅助开关改进后，辅助开关切换灵活、可靠，分合多次后，无烧伤痕迹。改进后的设备运行三个月，未发生辅助开关烧坏故障。

（3）脱扣器改进后，脱扣板转动灵活，长时间操作不卡涩，效果十分理想，弹簧机构的动作可靠性显著提高。且改进对断路器本身电气和机械性能不构成影响，无需进一步做型式试验。但在改造实施过程中，发现半轴锁扣的扣合面影响断路器的分闸时间和分闸电磁铁的启动电压，所以投运前应进行断路器动作特性的复核。调整分闸电磁铁芯顶杆与脱扣板之间的间隙，可改变分闸时间；调整半轴锁扣的旋转角度对分闸电磁铁启动电压有影响。

5 结束语

断路器弹簧操动机构具有零部件较多、结构复杂、操作冲击力大等特点，加之设计、维护以及材料、环境等各种因素的影响，在操作过程中难免会发生一些故障现象，需要加强检修维护，对于早期投入运行的产品，还应加强运行监测，及时发现和处理其家族性缺陷，从而延长此类操动机构的使用寿命，提高其运行的可靠性。

通过对断路器弹簧操作机构的改进，提高了弹簧机构的运行可靠性，保证了断路器的正常运行，进而提高了断路器的工作性能和使用寿命，降低了断路器的故障率，为电网的安全可靠运行提供了保障。

参考文献

[1]吴伟光，马履中.断路器操动机构的性能分析与研究[J].机械研究与应用，2000，13（3）；9-11

[2]苑舜.高压断路器弹簧操动机构[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]李建基.高压断路器及其应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4]陕西省电力公司组.变电检修[M].北京：中国电力出版社，2009.

作者简介：杨文青，（1970.1-）女 山东聊城，大专学历，技师，从事方向：变电检修.

石巧莉（1980.12-），女，山东聊城，本科学历，高级工，从事方向：变电检修。

周晓琴（1985.10-），女，山东聊城，硕士学历，助理工程师，从事方向：变电检修。

丁倩（1993.11-），女，电气工程及其自动化。endprint