具有重合闸功能的塑壳断路器电动操作机构结构分析

陈咸

摘要：低压配电网智能化的发展要求塑壳断路器具有自动重合闸功能，电动操作机构不但要能实现正常情况下断路器的再扣与合闸，还要能在应急情况下实现手动合闸功能。本文实例分析了3种电动操作机构，通过结构示意图讲述了它们的工作原理，通过运动仿真分析了它们的受力状态，为进一步提高电动操作机构的机械寿命及可靠性提供参考。

关键词：塑壳断路器；重合闸；电动操作机构；手动模式；电动模式

塑壳断路器增加重合闸电动机构是源于中国的农村电网改造，由于多方面原因，农村电网相较于城市电网而言，线路质量差，传送距离远，用电用户较分散。在实施三级漏保农村电网改造的过程中，频繁的漏电跳闸给供电部门带来了沉重的维护压力，在剩余电流保护断路器上增加电动机构及控制器实现自动重合闸功能成功解决了供电部门面临的问题。塑壳断路器从增加漏电保护模块变成一种半自动保护器件，再到增加电动机構及控制器变成一种全自动保护单元，应用在偏远、无人值守的场所，必然对整个全自动保护器件的可靠性、稳定性提出更高的要求。

塑壳断路器经过几十年的发展，即使在添加漏电保护模块变成剩余电流保护断路器，无论从技术还是从生产、工艺、检验都已经相当成熟，但塑壳断路器内部增加电动机构的历史并不长。从简单的电动机构到能兼顾手动的电动机构，再到能单独手动操作的电动机构，对电动机构的要求随着市场的不断扩大、用户认知的不断提升而提出了更高的要求。在塑壳断路器内部增加电动机构与在外部加装电操模块不同，当外部电操模块损坏时可以单独更换，但内部电动机构出现问题就会影响整个产品的可靠性与客户认识度，因此，电动机构的可靠性很大程度影响着整个产品的质量稳定性。本文结合运动仿真，对几种电动机构的结构进行受力分析，为进一步提高电动操作机构的机械寿命及可靠性提供参考。

1 电动机构的设计思路与理论分析

因塑壳断路器是配电保护电器，它的操作机构采用四连杆结构，当回路中出现短路或过载故障时，脱扣器触发操作机构牵引杆，由操作机构带动断路器自动跳闸。而断路器如果需要重新合闸，必须通过推动断路器操作机构的杠杆，先再扣，再合闸，才能完成整个过程。当通过电动机构实现断路器的再扣、合闸时，一般将减速电机的旋转运动通过连杆或凸轮转换为杠杆的前后运动，同时配合断路器的状态检测，实现减速电机的启动与停止。

正常情况下，断路器通过电动机构来实现重合闸操作；应急情况下，为了保证用户的正常用电，就必须通过手动操作实现断路器的重合闸，因此，电动机构在设计时不但要实现电动操作的可靠性与稳定性，还必须实现手动操作的可靠性与便捷性。

电动机构的减速电机一般通过连杆与断路器操作机构的杠杆相连，手动操作时，如果直接推动杠杆，杠杆会带动减速电机转动，操作比较费力；如果通过另外的减速齿轮来转动减速电机，再由减速电机通过连杆带动杠杆前后运动，则相对省力，但操作过程手感差，客户体验不佳。因此，优选方案是手动操作时通过离合装置将连杆与减速电机分离，操作者只需克服断路器自身操作机构的力来完成合闸过程，而电动操作时，离合装置将连杆与减速电机重新啮合，实现手动操作与电动操作的自由转换且互不干扰。

2 电动机构的实例分析

随着国家对农村电网改造的不断投入，国家电网公司招标力度的加大，国内很多公司根据自己的思路开发出不同的电动操作机构，但基本上都有手动与电动两种操作模式。结构上有的不带离合装置，直接用一组齿轮减速装置转动减速电机实现重合闸；有的带离合装置，转换后能够将减速电机脱离，通过操作断路器手柄实现合闸；我们的设计方案采用多连杆结构，并在其中一个连杆上增加离合装置，手动操作时，断开减速电机，通过转动连杆带动手柄进行再扣、合闸；电动操作时，通过减速电机的正反转，通过连杆带动手柄进行重合闸操作。

2.1 电动操作机构1

图2为电动操作机构1的结构示意图，结构设计中没有离合装置，在电机输出轴上配置有一个大齿轮，并把它作为偏心轮使用，通过连杆与塑壳断路器的杠杆连接，与杠杆相连的连杆端部设计有腰孔，因杠杆的运动方向与电动机构连杆的运动方向不在同一平面，通过腰孔为连杆提供较大的间隙，防止连杆在电动过程中受到扭力影响。在手动操作时，则直接转动布置在大齿轮旁的小齿轮，驱动减速电机转动，当大齿轮转动一圈时，就能完成断路器的再扣、合闸操作。

图3是电动操作机构1的仿真模型图，仅保留了与电动机构运动相关的零件，图4是通过运动仿真输出的关于断路器操作机构杠杆（图4中虚线）与电动操作机构大齿轮（图4中实线）的受力曲线图。由曲线图可以看出，断路器操作机构再扣前，杠杆受力持续增大；合闸时，杠杆过死点前受力变大，过死点后，杠杆受力有小幅陡降。从大齿轮的受力曲线可以看出，在整个运动过程中它分成了两段，再扣过程受力逐步加大，再扣后力值突降为0，合闸时受力相对于再扣时小，杠杆过死点后，大齿轮受力又突降为0，这种力值的变化反映出大齿轮在再扣与合闸过程中受到了冲击。因此，采用手动操作时通过小齿轮转动大齿轮，除了要克服减速电机的运动阻尼，还要承担断路器操作机构在再扣与合闸中产生的运动冲击。

2.2 电动操作机构2

图5为电动操作机构2的结构示意图，它拥有一套简单的离合装置。电动机构采用齿轮齿条进行传动，小齿轮与电机的输出轴连接，电机固定在连杆上，连杆可以绕轴心转动，连杆的末端通过偏心轮控制连杆的转动位置，连杆转动位置的变化带动齿轮与齿条的啮合与分离。当需要手动操作时，先旋转偏心轮转动连杆将齿轮与齿条分开，然后操作断路器手柄，实现断路器的再扣与合闸。这种电动机构的离合装置较简单，手动模式时，操作断路器手柄不受减速电机阻尼的影响。

图6是电动操作机构2的仿真模型图，仅保留了与电动机构运动相关的零件，图7是通过运动仿真输出的关于断路器操作机构杠杆（图7中虚线）与电动操作机构小齿轮（图7中实线）在整个再扣与合闸过程中的受力曲线图。机构杠杆的受力曲线与图4中的基本一致，而电动机构小齿轮的受力曲线起伏稍小一些，这是由于齿条在前后运动时有支架作为运动导向，同时，齿条与小齿轮的配合间隙小，运动过程中的冲击相对小一些。

2.3 电动操作机构3

图8是我们设计的电动操作机构3的结构示意图，它采用了不同于前两种思路的结构，电机横卧在断路器手柄的右侧，电机输出轴与“几”字形连杆连接，“几”字形连杆上方通过直连杆与断路器手柄相连。电动操作时，电机带动“几”字形连杆转动，再通过直连杆带动断路器机构杠杆转动，通过控制电机的转动方向，实现断路器的再扣与合闸操作。手动操作时，断开“几”字形连杆与电机输出轴之间的离合装置，通过外置工具转动“幾”字形连杆，同样实现断路器的再扣与合闸。

图9是电动操作机构3的仿真模型图，仅保留了与运动相关的零件，图10是通过运动仿真输出的杠杆受力扭矩曲线（图中虚线）及电机输出轴的受力扭矩曲线（图中实线）。3个仿真模型中的断路器机构参数一致，因此，3个断路器操作机构杠杆受力曲线基本一致，然而，3个电机输出轴受力曲线却差异较大，图10中的曲线接近于一条直线，电机输出轴处的扭矩不但峰值小且变化不大，说明电机在整个断路器再扣与合闸的过程中受到的力小，且冲击也小，有利于提高电动机构的机械寿命。

3 电动机构的总结

随着分布式光伏电站的不断推广，越来越多的光伏并网断路器要求具有自动重合闸功能，它们特殊的安装条件和使用环境要求断路器的电动操作机构能够满足高机械寿命、高可靠性要求。

上述3种电动操作机构都能够实现断路器的电动重合闸及应急情况下的手动重合闸，第1种电动操作机构因不带有离合装置，在手动操作时，操作较费力，旋转过程中有力量冲击，因此给用户的体验较差；另一方面，在电动工作模式下，电机受到的反力大且合闸过程中有较大冲击，对于电机及其它连杆的机械寿命将有较大影响。

第2种电动操作机构设计有简单的离合装置，转换为手动操作模式后，用户可以通过直接操作手柄实现断路器的重新合闸，但需要在面板上留下很大一块手柄活动的空间，对外观有一定的影响。电动工作模式下，齿轮与齿条受力大，伴有一定的冲击，如果想要提高电动机构的机械寿命，需要对齿轮、齿条进行必要的热处理。

第3种电动操作机构采用了多连杆结构，从电机的受力曲线上可以看出，在整个的再扣与合闸过程中，电机受力较均衡，冲击小，有利于提高电动机构的机械寿命，并且从实际产品的机械寿命试验情况来看，它能轻松的达到1万次以上。手动模式下，可将“几”字形连杆与电机脱离，通过工具直接扳动 “几”字形连杆左侧的六角棒就可以转动断路器手柄，实现再扣与合闸。但目前这套电动机构在电动与手动转换的结构上设计得稍复杂，如图10，它由三个连杆组成，通过它们把竖直方向的连杆运动转换为水平连杆的轴向位移，从而推动“几”字形连杆向左移动，实现它与电机的脱离。而从手动模式转换到电动模式采用了半自动结构，当确认电动模式时，电机输出轴上的销在电机转动过程中推动竖直连杆向上运动，带动“几”字形连杆在弹簧力的作用下向右复位，准备与电机重新啮合。但电机输出轴上的销推动连杆的行程有限，受装配因素及摩擦力影响，有时候“几”字形连杆不能完全复位到初始位置，导致“几”字形连杆与电机无法啮合，最终不能实现电动模式。

为了提高手动与电动切换的可靠性，可以考虑简单结构，将由三个杆件铆接而成的连杆简化为一个连杆，并把“几”字形连杆与电机的啮合方式变为纯手动结构，设计一个底部带偏心轮、顶部带转换旋钮的连杆，通过人工转动旋钮来拨动“几”字形连杆向左或向右移动，达到“几”字形连杆与电机的啮合与分离。

4 结语

随着分布式新能源的进一步推广，必将推动低压智能配电网的进一步发展，断路器的自动化运行必然要求电动操作机构具有高寿命、高可靠性。因此，在电动操作机构的结构设计时，可以通过运动仿真分析各连杆、电机的受力情况，一方面要降低电机的额定输出扭矩，另一方面，要尽可能减少断路器在再扣与合闸过程中对电机及其它连杆的冲击。

（作者单位：江苏辉能电气有限公司）