浅谈FK3-4型弹簧操作机构的工作原理及性能

摘要：本文简要介绍了法国AREVA公司生产的第三代FK3-4型高压断路器弹簧操作机构，阐述了该型弹簧操作机构的基本组成结构及工作原理，并对其工作性能进行了简单分析，文章结尾对该型弹簧操作机构的推广使用提出了展望。

关键词：断路器;弹簧操作机构;工作原理;性能;

1  引言

高压断路器是电力系统中最重要的开关设备之一，由于其具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，所以，它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载和负荷电流，而且能在系统发生故障时通过与继电保护装置的配合，切断过载电流和短路电流，对电力设备及系统起到重要的保护作用。而操作机构作为高压断路器分合闸操作的重要附属部件，其动作的可靠性和运行稳定性愈显得至关重要。

高压断路器的操作机构根据工作原理一般可分为电磁机构、气动机构、液压机构、液压弹簧机构和弹簧机构等。国际大电网协会关于《CIGRE1994：13-201194第二次高压断路器工作故障和缺陷国际调查正式报告 （WG13-06）》的概括性结论认为：高压断路器44%的主要故障及39.4%的轻微故障都与操作结构有关。弹簧操作机构在工作中的故障率仅为0.4%，而液压机构的轻微故障率是弹簧机构的7倍，气动操作机构的故障率是弹簧机构的2倍，由此可见，弹簧机构是高压断路器最为理想的操作机构。国内外的弹簧操作机构基本上可以分为夹板式结构和整体铸铝壳体式结构两类。目前，夹板式CT系列弹簧机构和AREVA公司生产的整体铸铝壳体式FK系列弹簧机构是各类高压断路器中应用最多的两种弹簧操作机构，由于FK系列弹簧机构具有优越的设计理念和良好的工作性能，本文就AREVA公司的第三代FK3-4型弹簧操作机构的结构及性能特点进行相应论述。

2  FK3-4型弹簧操作机构的结构及工作原理

法国AREVA公司生产的FK系列型弹簧操作机构是目前世界上最先进的高压断路器弹簧操作机构，FK3-4型弹簧机构属于AREVA的第三代弹簧机构产品，该机构采用两根螺旋压缩弹簧储存的能量分别实现断路器的分合闸操作。FK3-4型弹簧操作机构主要由储能系统、合分闸系统及辅助部件三部分构成，各部分的具体组成结构见图2-1：

图2-1  FK3-4型弹簧操作机构的基本结构

2.1  储能系统结构及工作原理

FK3-4型弹簧操作机构配有一个合闸弹簧和一个分闸弹簧，合闸弹簧的储能可由储能电机和人工手动储能两种方式实现。储能电机和手动储能曲柄只给合闸弹簧储能，而分闸弹簧则利用断路器合闸时合闸弹簧释放的部分能量实现储能。储能系统机构见图2-1，其主要包括直流儲能电机（12）、减速齿轮组（13）、手动储能曲柄（21）、链条（15）、齿轮（35）、合闸弹簧（9）、惯性飞轮（8）、飞轮轴柱（16）、自由轮（19）、合闸插销（14）等部件。机构正常工作时，储能电机上电，电机转子顺时针旋转并带动减速齿轮组转动。减速齿轮组带动惯性飞轮逆时针转动180°，固定在惯性飞轮上的轴柱通过链条和齿轮（35）压缩合闸弹簧储能。合闸弹簧储能到位后，通过合闸弹簧的行程开关常闭辅助触点切断储能电机工作电源，电机停转，而惯性飞轮则通过固定在其轮面上的轴柱轻靠在合闸插销上，自由轮停靠在惯性飞轮的无齿段上，整个储能过程结束，被压缩的合闸弹簧作用在惯性飞轮上的转动扭矩由飞轮轴柱和合闸插销平衡。若储能电机失电或者设备调试试验，可将手动储能曲柄嵌套在减速齿轮组的第一个齿轮轴上，通过逆时针手动摇动曲柄实现合闸弹簧的储能。

2.2合分闸系统结构及工作原理

FK3-4型弹簧操作机构对高压断路器的分合闸操作分别通过合闸弹簧和分闸弹簧储存的能量实现，合闸弹簧由1个合闸线圈释放，而分闸弹簧则由两个相同却相互独立的分闸线圈释放。合分闸系统主要组成部分见图2-2：

图2-2  FK3-4型弹簧机构合分闸系统结构

如图2-2所示，合分闸系统主要包括合闸轴（7）、传动轴（1）、惯性飞轮（8）、飞轮轴柱（16）、合闸弹簧（9）、链条（15）、合闸插销（14）、凸轮（26）、合闸凸轮（10）、联动杠杆（11）、合闸线圈（22）、手动合闸杠杆（24）、分闸弹簧（3）、链条（34）、拐臂（33）、拐臂（5）、分闸插销（6）、分闸线圈（27）、手动分闸杠杆（28）、拐臂（32）、阻尼器（4）、拐臂（2）及输出拐臂等部件。在合闸弹簧储能以后，惯性飞轮通过飞轮轴柱停靠在合闸插销上，弹簧始终保持压缩状态。

当外部合闸指令接通合闸线圈电源回路，线圈励磁产生电磁吸力释放合闸插销，或者在操作机构检修试验时手动按压手动合闸杠杆使得合闸插销脱扣，此时已经储能的合闸弹簧便释放能量，通过链条和齿轮带动惯性飞轮和合闸轴顺时针旋转180°。由于合闸凸轮齿合带滚子的联动杆杠，惯性飞轮通过合闸轴带动合闸凸轮顺时针转动的同时，合闸凸轮使得联动杠杆带动传动轴逆时针转动60°，传动轴上的拐臂（2）通过输出拐臂和连杆带动断路器动触头直线运动，实现断路器触头快速合闸，同时拐臂（32）带动阻尼器向上运动，阻尼器吸收合闸弹簧过剩的能量转换为重力势能，减小断路器触头的合闸冲击力。

断路器合闸过程中，由于传动轴带动拐臂（33）逆时针转动了60°，此拐臂转动时通过链条和齿轮压缩分闸弹簧储能，分闸弹簧储能到位的瞬间，拐臂（5）刚好停靠在分闸插销（6）上。由于断路器合闸完成后合闸弹簧释能，储能电机会立即接通电源运转，通过减速齿轮为合闸弹簧再次储能。

当外部操作装置或继电保护系统发出断路器分闸指令后，分闸线圈电源回路接通，分闸线圈励磁产生电磁吸力释放分闸插销，或者在机构检修调试时人工手动按压分闸杠杆（28）使得分闸插销脱扣，此时分闸弹簧释放能量，通过链条和齿轮带动传动轴顺时针旋转60°，传动轴上的拐臂（2）通过输出拐臂和连杆带动断路器动触头反向运动，实现断路器分闸操作，而传动轴上的阻尼器由于储存了重力势能，所以在分闸过程中用以辅助带动断路器动触头反向运动，实现断路器平稳分闸。分闸结束后，联动杠杆通过滚子停靠在合闸凸轮上，为断路器的再次合闸做好准备。

2.3辅助部件

FK3-4型弹簧操作机构的辅助部件主要有弹簧储能行程开关（17）、凸轮（26）、拐臂（31）、断路器辅助触点（30）、弹簧储能指示器（23）、断路器状态指示器（29）等，主要用作断路器本体操作回路及预留给自动化控制、电气闭锁及远方操作等二次回路的功能拓展，同时辅助部件便于观察机构弹簧及断路器分合闸状态。断路器辅助触点由连杆和拐臂（31）触动，弹簧储能行程开关由装在合闸轴上的凸轮（26）触动。

3  FK3-4型弹簧操作机构的性能分析

3.1  机构的合闸性能简要分析

结合AREVA公司厂家资料，该操作机构合闸线圈可在80%～110%的额定操作电压下正常工作，额定电压为DC220V。选取80%UN、100% UN和110% UN三个点分别进行断路器合闸性能现场试验，分别测量三相触头合闸时间，所得试验数据如表3.1：

根据表3.1试验数据可求得在80%的额定操作电压（176.0V）下，断路器三相触头的平均合闸时间为104.8ms，三相不同期时间为1.6ms; 在100%的额定操作电压（220.0V）下，断路器三相触头的平均合闸时间为104.1ms， 三相不同期时间为0.1ms; 在110%的额定操作电压（243.0V）下，断路器三相触头的平均合闸时间为104.1ms，三相不同期时间为1.7ms;同时在本次试验中测得三种电压等级下断路器的平均合闸速度分别为：2.83m/s、2.85 m/s、2.85 m/s。因此，可看出该机构在80%～110%的额定电压下均具有良好的合闸性能，合闸电压大幅度变化的时候，合闸时间基本相等，尤其在额定电压下合闸不同期时间仅为0.1ms，对电气设备及系统的冲击甚小，并且在不同工作电压下合闸速度保持稳定，适应工作电压范围较广。

3.2 机构的分闸性能简要分析

由于AREVA公司厂家资料给出该操作机构分闸线圈工作电压范围为65%～120%的额定电压，额定电压为DC220V。现场选取65% UN、100% UN和120% UN三个点分别进行断路器分闸性能试验，与合闸性能试验一样，分别测试三相触头的分闸时间。由于断路器设有两个独立的分闸回路，所以现场对分闸回路1和分闸回路2分别加电进行试验，所得试验数据如表3.2和表3.3：

根据表3.2（分闸回路1试验数据）可求得在65%的额定操作电压（143.0V）下，断路器三相触头的平均分闸时间为34.3ms， 三相不同期时间为0.2ms; 在100%的额定操作电压（220.0V）下，断路器三相触头的平均分闸时间为32.1ms，三相不同期时间为0.1ms; 在120%的额定操作电压（265.0V）下，断路器三相触头的平均分闸时间为31.6ms，三相不同期時间为0.3ms; 试验中测得三种电压等级下的平均分闸速度分别为：3.57m/s、3.62m/s、3.64 m/s。由表3.3（分闸回路2试验数据）可求得在65%的额定操作电压（143.0V）下，断路器三相触头的平均分闸时间为32.9ms， 三相不同期时间为0.4ms; 在100%的额定操作电压（220.0V）下，断路器三相触头的平均分闸时间为31.8ms，三相不同期时间为0.2ms; 在120%的额定操作电压（265.0V）下，断路器三相触头的平均分闸时间为31.6ms，三相不同期时间为0.3ms; 试验中测得三种电压等级下的平均分闸速度分别为：3.58m/s、3.64m/s、3.63 m/s。

两个分闸回路分别测试过程中，现场测得合闸弹簧首次储能时间为10～12s，储能电机电流为7.1～7.2A;断路器进行连续合分闸操作过程中，弹簧再储能平均时间为5.3～5.5s，电机电流平均为7.1～7.2A。结合以上数据可知此种螺旋压缩弹簧具有良好的力学性能，可以承受频繁压缩和释放操作，同时螺旋弹簧能储存较多能量和承受较大载荷，电机再储能时间较短，储能电流小，所以此类弹簧操作机构更能适应水轮发电机出口断路器的快速分合闸及频繁操作的要求。

4. 结束语

FK3-4型弹簧操作机构应用螺旋压缩弹簧，零部件不易老化，具有免维护性，不存在机构漏油、泄漏等问题，同时具有低噪音和使用寿命长等诸多优点。由于机械弹簧一旦储能，操作机构可以长久保持其能量不损失，并且储能时间较短，工作性能不受环境温度的影响，所以最适合用于年平均开断次数多、操作频繁的发电机出口断路器上。同时，由于此型弹簧操作机构采用先进的设计理念，具有极高的可靠性和稳定性，分合闸速度快，适应工作电压范围广，是当今全世界范围内开关设备操作机构技术发展的趋势，未来将被更广泛地应用于操作发电机出口断路器、GIS罐式断路器以及高压磁柱式断路器等开关设备上。

参  考  文  献

[1] CIGRE WG 13.06;论文13-201194第二次高压断路器工作故障和缺陷国际调查正式报告

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[4] 真空断路器弹簧操动机构仿真与优化[M].高电压技术，2006.2，第32卷第2期.

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作者简介：冶鹏飞（1989.5-），男，甘肃宕昌人，大学本科，助理工程师，主要从事水电站电气设备的运维工作。