一种弹簧操动机构的真空断路器传动计算研究与应用

于洪宇 张敬涛 王小焕 汪 宁 陈利民

（天津平高智能电气有限公司，天津300000）

1 背景

弹簧操动机构是真空断路器中应用最广泛的一种机构，是利用已储能弹簧的动力操动断路器的机构[1-3]。操动机构通常有电磁操动机构、永磁操动机构、弹簧操动机构。其中弹簧操动机构应用较为广泛，真空断路器作为开关柜中核心元器件，在系统出现短路故障时，能够快速切断故障，保护整个电力系统，因此要求真空断路器要具有可靠的传动和稳定的特性，满足真空断路器短路故障时的需求。

在真空断路器设计中，弹簧操动机构核心元器件是凸轮元件，通常采用凸轮和连杆设计，将合闸弹簧能传递到真空断路器的动触头，从而完成断路器合闸操作。其中分、合闸速度、分、合闸时间、合闸弹跳、动触头行程等断路器参数，主要由传动设计和弹簧操动机构决定。

2 机构设计

CTP2 长寿命、模块化弹簧操动机构采用铝合金框架作为机构零部件的安装支撑，机构的分合闸按钮、分合闸指示牌、储能指示牌采用对称布置；计数器和手动储能布置在机构箱体的对称中心；合闸簧采用单边布置；储能结构采用齿轮传动方式，手动储能二级减速，电机储能一级传动。传统机构采用两块或多块金属板结构，将机构所有零部件安装其上，再将该板安装在断路器的框架中，这样的布局可采用多个模块，在将各模块通过传动轴连接在一起，这样的布局安装检修方便，但总体刚度不好。CTP2 长寿命、模块化弹簧机构采用的铝合金框架结构，铝合金采用AlSi9Mg 材料，其抗拉强度σb≥290MPa。这样结构布局样式新颖，突破传统，且强度满足要求，最大好处是，箱体可采用一次定位加工全部孔位，孔位的同轴度和定位精度高，机构的整体刚度好。

图1 机构图

3 主传动设计

机构的作用是驱动断路器分、合闸的，机构的储能也是为分、合闸做准备工作的。所以机构主传动的设计非常重要，设计一个优化的主传动可以大大减小合闸功，也可以极大减小储能电机的功率，这两个数据是衡量设计者水平的重要指标。主传动的设计要结合断路器输出部分进行。 本次以VTP2-12/T1250-31.5 断路器的相关参数为例进行说明。

图中实线表示机构分闸位置，虚线表示合闸位置，两个位置的输出端距离是13.4mm。断路器的开距要求是（8±1）mm，超行程要求是（3.5±0.5）mm，那么总行程的变化范围在（10～13）mm 之间，考虑到传动部件受力后的变形和加工装配误差，固将其总行程设计的稍大一些。

整套传动的设计力求简单，机构中的传动采用合闸簧直接驱动合闸凸轮，合闸凸轮驱动输出拐臂，再通过连杆传动将合闸簧能量传递出去。整套传递是由两级四连杆组成。第一级四连杆是凸轮、合闸拐臂及其上端滚子组成，第二级四连杆由输出拐臂和两个连杆组成。这样简单的传动链可以提高输出的效率，减少传动的零件，增强机构的可靠性。

由于受到设计空间的和装配难易程度的约束，高效率四连杆的设计会受到限制，凸轮是一个可变连杆长度的结构,所以整套传动的效率更主要是通过凸轮来实现的。合理的凸轮不仅可以极大提高合闸能力，也可调节机构合闸速度数量级上的变化。

分闸簧的作用是改变分闸速度和克服额定开距下的触头反力，其位置一般布置在“跷跷板”形式的绝缘拉杆对侧。

图2 主传动示意图

铝合金箱体采用ALSi9Mg 材料，铸造方法采用砂型铸造，热处理采用T6（固溶处理加完全人工时效），抗拉强度达到290Mpa，布氏硬度达到90。

由于AC 相拐臂的动作相当于通过通轴由B 相带动，因此长轴受力后存在弯曲和扭曲的现象。

进行6 种主轴形式的建模，仿真，综合考虑6 种方式的变形量以及实施难度，确定采用通轴轴径Φ42mm，通轴距转动中心67mm 的方案，计算结果3。

图3 强度计算

4 连杆设计计算

在断路器设计中，首先根据柜体配柜尺寸，确定断路器外形尺寸，在静态设计中，首先传动计算主要涉及四连杆、五连杆计算，如图4 所示，四连杆ABCD 中，按照机构封闭矢量方程式改写成复数矢量形式，如式子（1）所示。

图4 四连杆传动

在断路器传动计算中，从凸轮开始计算，将凸轮看成四连杆组成，按照四连杆传动计算原理，如图所示5，将凸轮中心到第一段圆弧圆心标记为四连杆第一杆，在四连杆ABCD 中，组成四连杆传动，从合闸弹簧储能开始，通过式子（3）进行力矩传递计算。

图5 凸轮简化图

在进行静态传动计算中，合闸弹簧需要克服分闸弹簧和超程弹簧做功，在静态计算中，没有考虑摩擦系数因素的影响，所以静态计算只是考虑最优化状态时的合闸力和负载之间的比例关系。

将合闸储能簧按照一定角度进行转动，例如5 度，通过角度的变化，合闸扭矩，分闸扭矩都随之变化，力矩传递实现连续性，在将合闸扭矩折算到绝缘拉杆上合闸力，同理，也将分闸弹簧的扭矩折算到绝缘拉杆下端，在同一部件上，将合闸力（包括触头反力）和分闸力和超程簧力在不同角度得到的力值点一起拟合成曲线上，如图6 所示。

图6 合闸力与负载

在传动计算中，静态计算可以得到一个比例趋势，因为没有考虑摩擦系数，在优化传动方案时，要设计一定安全裕度。

目前，断路器传动计算是断路器设计的必要理论依据，通过凸轮简化四连杆设计，实现断路器静态计算突破。实现断路器设计的合闸力和负载量化曲线。