接地开关电动操动机构的研发与结构设计研究

李小平

摘 要：随着电力事业的发展，高压开关设备也得到了很大的发展。高压开关中的部分隔离开关或接地开关在进行开关分合闸时，使用了传动结构为齿轮或丝杆的两种传动方式。这两种传动方式对开关设计提出了更高的要求，只有设计出更完善的开关电动操动机构，才能为这种传动方式提供支撑。此外，现代配电系统和用电系统对开关设备的要求也越来越高，所以，必须要加速接地开关的电动操作，促进接地开关在监测、控制和保护等诸多方面的智能化，提高接地开关电动操作机构的准确性和可靠程度。

关键词：接地开关；电动操作机构；结构设计；厂内试验

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）07-0031-02

为了持续推进智能电网的快速发展，促进接地开关电动操作的智能化，以满足当前电力系统对开关监测、控制等方面的高要求，本文对接地开关开合闸的工作原理进行了研究、分析，并根据接地开关的开合闸过程对新型接地开关操动机构的设计进行了构想，并在此构想的基础上进行设计。设计、研发、制作完毕后，对该操动机构进行了厂内试验，实验结果表明，该接地开关电动操作机构在技术上和性能上都符合有关标准和要求，具有较高的可靠性。

1 接地开关工作原理

普通型接地开关的结构是弹簧过重动作机构，在进行分（合）闸时，通过操作力来克服阻力矩，从而带动主轴转动，使机构中的拐臂转往分（合）闸方向，慢慢对弹簧进行压缩从而储存能量。当压缩弹簧中心线超过拐臂死点后，弹簧将储存的能量释放出来，从而推动触头高速度运转，完成分（合）闸过程。接地开关进行分（合）闸的速度由弹簧储存的能量和开关分合闸速度定义点的归化情况决定，人的操作速度不会对其造成影响。

2 接地开关电动操动机构基本结构

2.1 接地开关电动操作机构的设计构想

根据接地开关的工作原理和分合闸实现过程，可以设计一个驱动机构（凸点），将其作为接地开关进行分合闸工作时弹簧压缩能量的提供源头。在弹簧运转超过拐臂死点后进行能量释放时，因为接地开关大轴的运转速度比动力输入轴的速度要快，在这种情况下，只需为传动件的持续运转创造运动空间即可。接收到分合到位的信号后，断掉电源，中断对电机的供电。实现分合闸过程后，为了促使接地开关的主轴进行反方向运转，可以依靠程序控制推动电机进行反方向运转，从而保证驱动件可以回到原来的位置，为接地开关进行反向转动创造充足的运动空间，具体动作过程如图1所示。在图1中，部件2上的凸

台会对部件产生一个推动作用，促使其运转起来，之后部件2回到原始位置，这就实现了不通过传统离合器仍可保证接地开关电动操作动作可靠性的目的。

2.2 接地开关电动操动机构的机械结构设计

基于以上对接地开关电动操作程序的设计构想，对接地开关电动操作机构的机械结构进行设计。该机构通过两级齿轮的转动带动驱动齿轮的运转，在接地开关的主轴上设置一个无油轴承，再在上面安装一个轴套为驱动齿轮提供支撑。当驱动齿轮进行一定角度的转动后，齿轮左面的凸台就会与主轴驱动件产生接触，从而带动主轴驱动件运转，因为主轴驱动件直接连接着操作主轴，当驱动件发生运转时，主轴也会跟着同步运转起来。运转到一定程度时，接地开关开始动作，这时主轴驱动件的运转速度比驱动齿轮的运动速度要快，但是，因为驱动凸台已经拥有足够的运动空间，所以，就保证了驱动齿轮与主轴驱动件在工作时互不影响，并保持持续性的独立运动。接收到接地开关动作信号后，驱动齿轮回到原始位置，以保证在手动操作时，不会使主轴驱动件和驱动齿轮相互影响，使整个机构得以顺利运转。具体接地开关电动操作的设计简图如图2所示。

2.3 主要技术参数选择

《交流高压隔离开关和接地开关》（GB 1985—1989），即旧标准规定，人力操作的操作力矩最大额为户外产品取值300 N·m，并要求户内产品的额定电流不得大于1 250 A，最大操作力矩为200 N·m。除了这个旧标准以外，并没有其他文件和条款明确指出操作力矩的具体规定值。根据《高压交流隔离开关和接地开关》（GB 1985—2004），即新标准的相关规定，一转以内操作隔离、接地开关所需的最大力为250 N，该标准并未对操作力矩作出规定。在该标准中，对人力操作机构操作件的尺寸作出了规定，要求人力操动机构的手柄、单臂杠杆的长度≤500 mm。由此可推算，10 kV中置柜内的接地开关装置的操作力矩为125 N·m。

2.3.1 主轴角速度及功率

综合考虑新旧标准，同时，为了提高操作的可靠度，默认接地开关的操作力矩最大值为200 N·m。现阶段，还没有相关文件对接地开关的操作时间进行明确规定，以110 kV组合电器的检修时间为参考依据，接地开关的检修操作所用时间通常不能多于6 s，所以，该机构分合闸所用时间取值为4 s，并且推算接地开关主轴的角速度为ξ = π/8 =0.405，据此算出主轴的功率为：

P=N×ξ. （1）

式（1）中：P——主轴的功率；

N——操作力矩最大值；

ξ——角速度。

代入数据得：P=200×0.405=81 W。

2.3.2 传动效率

由于该机构使用的是两级圆柱齿轮传动方式，通过圆锥齿轮实现动力传送。在该机构运转过程中使用的是无油轴承而不是滚珠轴承，转速相对较慢，所以，在选择齿轮和锥齿轮传动效率值时，应尽量考虑选取中间值。通过查阅机械设计手册，最终计算得出传动效率η=0.945×0.945×0.93=0.83.

2.3.3 输出功率

由于电机的输出转矩要求一定要比机构所需转矩大，而电机的工作时间一般都要求不要过长，因为短时间的工作方式可控制机械的发热状况，同时获得充足的散热时间，所以，可以取安全系数值为k=1.2，据此计算电机的输出功率为：

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——电机的输出功率；

k——安全系数值；

η——传动效率。

代入数据得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最终将电机输出功率取整数值120 W。

2.3.4 输出角速度及转速

该操作机构的传动比是n=2.454 5，整个操动机构至接地开关传动的圆锥传动比是2，由此推算出电机的输出角速度为ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，输出转数为n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于电机的输出力矩要求为定值，功率大小与转速快慢成正比，所以，为了使机电功率设计有所盈余，取输出转数的值为18 r/min。

综合以上各项技术参数，机构设计、研发最终选用输出功率P1=180 W，输出转速n≤18 r/min，并且具备减速装置的直流电机。

3 机构的可靠性和科学性验证

在整个接地开关电动操作机构研发制作完毕后，将机构送到厂内进行配柜试验，完成2 000次（M1级）寿命试验，通过试验检验机构的实用性和可靠性。厂内试验由3次电动操作和2个手动操作组成一个循环，在进行试验的过程中，电动操作机构部分都比较顺利地实现了接地开关的分合闸。此外，在电动操作的间隙中进行的手动操作机构也能够可靠、有效地完成，电动操作与手动操作两者之间未对彼此造成影响，取得了相当不错的试验效果。试验完毕后，根据试验中的堵转状况，对电机在整个操作过程中的电流曲线进行测量。测量结果显示，电机在电流启动后50 ms的电流值是最大的，最大值为2.8 A；弹簧在刚发生压缩的那段时间电流值大概为0.4 A，电流在1.5 s内保持同一数值，过后1 s内，电流值保持在0.5 A左右，3 s后电流值开始逐渐降低，3.5 s左右发生堵转，机电的电流值在预先设定好的1.5 A持续了0.5 s的时间，这与设计是完全相符的。试验结果表明，此次接地开关操动机构的设计、研发和制作具有很高的可靠性和可操作性，试验结果令人十分满意。

4 结束语

目前，大部分接地开关电动操动机构的设计和研发都还不够完善，仍存在很多不足和缺陷，无法满足电力系统对开关监控在准确性和可靠性等方面的高要求。为了寻求更科学、完善的开关电动操作机构，本文对接地开关的分合闸过程，即工作原理进行了研究分析，并在此基础上提出了新型接地开关操动机构的设计构想，根据该设计构想设计出一种新的机械结构和电器控制手段。通过这一新方法可以有效解决普通开关设计的缺陷，进一步提高接地开关电动操动的可靠程度和准确性。该机构的厂内试验取得了令人满意的试验结果——试验证明，该机构完全能够满足各项预期设想，相信它也会随着智能化变电站的发展而得到推广和应用。

参考文献

[1]常勇，李辉，梁云丹.面向电网稳定性的智能化直流输电控制系统[J].电网与清洁能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鲍颜红，等.具有智能化特征的安全稳定分析与控制决策技术[J].电网与清洁能源，2012，15（05）：222-223.

〔编辑：白洁〕

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——电机的输出功率；

k——安全系数值；

η——传动效率。

代入数据得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最终将电机输出功率取整数值120 W。

2.3.4 输出角速度及转速

该操作机构的传动比是n=2.454 5，整个操动机构至接地开关传动的圆锥传动比是2，由此推算出电机的输出角速度为ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，输出转数为n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于电机的输出力矩要求为定值，功率大小与转速快慢成正比，所以，为了使机电功率设计有所盈余，取输出转数的值为18 r/min。

综合以上各项技术参数，机构设计、研发最终选用输出功率P1=180 W，输出转速n≤18 r/min，并且具备减速装置的直流电机。

3 机构的可靠性和科学性验证

在整个接地开关电动操作机构研发制作完毕后，将机构送到厂内进行配柜试验，完成2 000次（M1级）寿命试验，通过试验检验机构的实用性和可靠性。厂内试验由3次电动操作和2个手动操作组成一个循环，在进行试验的过程中，电动操作机构部分都比较顺利地实现了接地开关的分合闸。此外，在电动操作的间隙中进行的手动操作机构也能够可靠、有效地完成，电动操作与手动操作两者之间未对彼此造成影响，取得了相当不错的试验效果。试验完毕后，根据试验中的堵转状况，对电机在整个操作过程中的电流曲线进行测量。测量结果显示，电机在电流启动后50 ms的电流值是最大的，最大值为2.8 A；弹簧在刚发生压缩的那段时间电流值大概为0.4 A，电流在1.5 s内保持同一数值，过后1 s内，电流值保持在0.5 A左右，3 s后电流值开始逐渐降低，3.5 s左右发生堵转，机电的电流值在预先设定好的1.5 A持续了0.5 s的时间，这与设计是完全相符的。试验结果表明，此次接地开关操动机构的设计、研发和制作具有很高的可靠性和可操作性，试验结果令人十分满意。

4 结束语

目前，大部分接地开关电动操动机构的设计和研发都还不够完善，仍存在很多不足和缺陷，无法满足电力系统对开关监控在准确性和可靠性等方面的高要求。为了寻求更科学、完善的开关电动操作机构，本文对接地开关的分合闸过程，即工作原理进行了研究分析，并在此基础上提出了新型接地开关操动机构的设计构想，根据该设计构想设计出一种新的机械结构和电器控制手段。通过这一新方法可以有效解决普通开关设计的缺陷，进一步提高接地开关电动操动的可靠程度和准确性。该机构的厂内试验取得了令人满意的试验结果——试验证明，该机构完全能够满足各项预期设想，相信它也会随着智能化变电站的发展而得到推广和应用。

参考文献

[1]常勇，李辉，梁云丹.面向电网稳定性的智能化直流输电控制系统[J].电网与清洁能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鲍颜红，等.具有智能化特征的安全稳定分析与控制决策技术[J].电网与清洁能源，2012，15（05）：222-223.

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P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——电机的输出功率；

k——安全系数值；

η——传动效率。

代入数据得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最终将电机输出功率取整数值120 W。

2.3.4 输出角速度及转速

该操作机构的传动比是n=2.454 5，整个操动机构至接地开关传动的圆锥传动比是2，由此推算出电机的输出角速度为ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，输出转数为n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于电机的输出力矩要求为定值，功率大小与转速快慢成正比，所以，为了使机电功率设计有所盈余，取输出转数的值为18 r/min。

综合以上各项技术参数，机构设计、研发最终选用输出功率P1=180 W，输出转速n≤18 r/min，并且具备减速装置的直流电机。

3 机构的可靠性和科学性验证

在整个接地开关电动操作机构研发制作完毕后，将机构送到厂内进行配柜试验，完成2 000次（M1级）寿命试验，通过试验检验机构的实用性和可靠性。厂内试验由3次电动操作和2个手动操作组成一个循环，在进行试验的过程中，电动操作机构部分都比较顺利地实现了接地开关的分合闸。此外，在电动操作的间隙中进行的手动操作机构也能够可靠、有效地完成，电动操作与手动操作两者之间未对彼此造成影响，取得了相当不错的试验效果。试验完毕后，根据试验中的堵转状况，对电机在整个操作过程中的电流曲线进行测量。测量结果显示，电机在电流启动后50 ms的电流值是最大的，最大值为2.8 A；弹簧在刚发生压缩的那段时间电流值大概为0.4 A，电流在1.5 s内保持同一数值，过后1 s内，电流值保持在0.5 A左右，3 s后电流值开始逐渐降低，3.5 s左右发生堵转，机电的电流值在预先设定好的1.5 A持续了0.5 s的时间，这与设计是完全相符的。试验结果表明，此次接地开关操动机构的设计、研发和制作具有很高的可靠性和可操作性，试验结果令人十分满意。

4 结束语

目前，大部分接地开关电动操动机构的设计和研发都还不够完善，仍存在很多不足和缺陷，无法满足电力系统对开关监控在准确性和可靠性等方面的高要求。为了寻求更科学、完善的开关电动操作机构，本文对接地开关的分合闸过程，即工作原理进行了研究分析，并在此基础上提出了新型接地开关操动机构的设计构想，根据该设计构想设计出一种新的机械结构和电器控制手段。通过这一新方法可以有效解决普通开关设计的缺陷，进一步提高接地开关电动操动的可靠程度和准确性。该机构的厂内试验取得了令人满意的试验结果——试验证明，该机构完全能够满足各项预期设想，相信它也会随着智能化变电站的发展而得到推广和应用。

参考文献

[1]常勇，李辉，梁云丹.面向电网稳定性的智能化直流输电控制系统[J].电网与清洁能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鲍颜红，等.具有智能化特征的安全稳定分析与控制决策技术[J].电网与清洁能源，2012，15（05）：222-223.

〔编辑：白洁〕