高压真空断路器操动机构可靠性分析研究

乔恒栋 吕金刚

摘要：随着时代的快速前进，各领域对用电的需求不断增大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，供电质量和可靠性的要求也越来越高。在配电和供电系统中，由于高压开关的特殊作用，其可靠性和免维护的要求更高，因此世界各国对高压开关的理论研究和设计开发一直在不断地进行着。

关键词：高压真空断路器;操动机构;可靠性;分析研究

引言

满足工程应用中的客观需求是真空断路器研究中的一项很重要的课题。因真空断路器市场占有率在逐年增加，故障也呈逐年增加的趋势，其故障的发生主要集中在机械部分。根据近几年的调查统计资料显示，在高压开关的故障中，非电类故障率接近70%，其中40%以上属于操动机构故障。由此可见，高压开关操动机构事故在整个高压开关事故中占有很大的比例。因此加强真空操动机构的研究，特别是对影响操动机构性能的关键控制点的研究尤为重要。

1概述

真空断路器具有两大部件：一为真空灭弧室，相当于真空断路器的心脏，另一为操动机构，相当于真空断路器的神经中枢。操动机构为断路器完成分、合闸操作，对真空断路器的操作性能影响很大。而操作机构又是真空断路器中机械结构最为复杂、维护工作量最大的部件。国内外的统计表明，操动机构的故障占真空断路器总故障的89.4%。由此可见，操动机构的可靠性至为重要。真空断路器操动机构包括电磁、弹簧、永磁操动机构。永磁操动机构因其出力特性与真空断路器的负载特性吻合度好而成为目前的研究热点。

2高压真空断路器操动机构的分类

1）手动操动机构：靠手动直接合闸的操动机构。2）液压操动机构：利用液压作为动力传动介质，操动方式有两种：直接驱动和储能式。3）电动操动机构：利用电动机经减速装置带动开关合闸的操动机构。4）气动操动机构：利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构。5）电磁操动机构：靠电磁力合闸的操动机构。6）弹簧操动机构：利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常由电动机通过减速装置来完成。7）永磁从动机构：利用永磁体实现合闸保持和分闸保持的一种形式的电磁操动机构。其合闸都是采用电磁操作，分闸可有电磁操动和弹簧操动两种形式。

3机构结构特点及运动特性分析

3.1结构特点

ZW□?126/2000?40型126kV单断口真空断路器的整体布局见图1。断路器的三相绝缘瓷套安装在同一个横梁上，横梁通过位于其两侧底部的支柱支撑与地基底座固定，操动机构驱动装置设置在断路器横梁边侧，操动机构控制箱位于断路器横梁底端中部。高压真空断路器电机操动机构由驱动电机、电机控制器和传动机构3部分组成，采用一台电机直接驱动传动机构进行断路器三极机械联动的总体设计方案，见图2。驱动电机位于断路器边相位置，其输出转轴通过法兰盘与传动机构连接。传动机构为一套曲柄连杆机构，主要包括传动主轴、拐臂、传动连杆和绝缘拉杆。传动主轴的一端通过法兰盘与驱动电机的输出转轴连接，三个拐臂等间距固定安装于传动主轴上并与驱动电机同轴旋转。传动连杆的两端分别与拐臂和绝缘拉杆铰链连接，将旋转运动变换为直线运动，从而驱动断路器动触头运动。

机构运动特性分析126kV真空断路器永磁电机操动机构系统运行原理见图3，并对其进行运行状态分析。当合闸时，驱动电机主轴a以旋转方式角度θ推动拐臂ab绕a点以逆时针方向旋转运动，连杆bc在拐臂ab的作用下以直线移动并旋转的方式运动，绝缘拉杆cde在连杆bc作用下以直线移动方式运动，其位移为dy，動触头ef在绝缘拉杆的cd作用下以直线移动方式运动，其位移为S。当S=S0时，真空灭弧室动、静触头闭合，真空开关处于刚合位置。驱动电机主轴a继续转角θ，由于真空灭弧室动、静触头已闭合，触头弹簧组件de上的弹簧开始压缩，当θ=θ0时，驱动电机主轴a转动结束，真空开关处于合闸状态，触头弹簧组件de上的弹簧压缩量为C，即为接触行程。同理，分闸过程正好与此相反。

3影响高压真空断路器弹簧操动机构性能的关键控制点分析

3.1弹簧

在高压真空断路器中，弹簧操动机构使用较为普遍，并且其涉及的弹簧数量和类型较多，因而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。比如合闸弹簧，如果输出功较小，会导致开关合闸速度过小，进而导致断路器合不上闸;如果输出功较大，速度过高，不管是对机构还是灭弧室都会造成较大的冲击力，影响到断路器的使用寿命。再比如分闸弹簧，如果输出功较大，在合闸功不变的情况下，会导致断路器合闸速度过小，严重的话会导致断路器合不上闸;如果输出功较小，会导致分闸速度过小，严重的话会导致断路器分闸不到位。以上两种情况均会影响到断路器的开合性能，导致断路器事故的发生。所以说对弹簧的尺寸、材料、制造工艺和载荷性质进行合理的分析、设计与制造，进而提高弹簧的疲劳可靠度，对操动机构的性能至关重要。

3.2合闸及合闸保持单元

弹簧操动机构在完成储能以后，都是采用机械保持的方法来维持储能，可采用手动或电动的方式触动储能机械保持单元，释放弹簧能量，来实现断路器的合闸操作。在完成合闸操作后，又都是通过另外一套机械保持单元来维持合闸。如果用于保持储能的机械保持单元和用于保持合闸的机械保持单元设计不合理，或者结构零部件所采用的原材料、结构设计及制造工艺满足不了操作需求，便会导致合闸及合闸保持失效，或拒合等机械故障。

3.3分闸单元

断路器在完成合闸后便处于合闸保持状态，在正常和非正常状态下，通过手动或者电动的方式触动合闸机械保持单元，通过分闸弹簧功的作用，使断路器完成分闸操作。所以说对于分闸单元零部件的选材、结构设计及制造工艺合理化设计，对操动机构性能影响尤为重要。

3.4凸轮、拐臂和连杆等传动部件的材质与加工工艺

对于弹簧操动机构工作原理，主要就是通过很多的传动部件的配合来实现，如果存在设计的不合理，必然会导致操动机构可靠性较差。比如，零部件硬度高低来说，要是硬度过低，随着操动机构使用，会引起传动部件的弯曲变形等;要是硬度过高，会引起传动部件的断裂等。不管是传动部件的弯曲，还是断裂对于操动机构的影响都是致命的，所以说对于操动机构关键传动部件的选材、结构的设计精度、加工精度和加工质量，对于减少机械故障，提高产品质量至关重要。

结语

为了减少机械故障，提高产品质量，应该努力改进结构设计，提供加工精度和加工质量。提高操动机构的关键控制点设计精度，在设计阶段，进行仿真分析，清除不合理因素，使产品的设计与实际要求最大限度的吻合。严格把关操动机构的关键控制点零部件的选材，提高操动机构的关键控制点零部件的加工工艺，使产品的加工精度和加工质量与设计要求最大限度的吻合。

参考文献

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