手车式真空断路器联锁设计及优化分析

张敬涛 丛艳伟 康世荣 赵东辉 张罗锐 于洪宇 吴 登

（天津平高智能电气有限公司，天津300300）

作为电力系统中重要的开关设备，在断路器运行中，防止误操作装置的设计关系到直接关系到断路器运行维护中的安全及可靠问题。电网运行规范中指出凡是有可能发生人员失误而引起误操作的高压电器设备应装设误防装置，误防装置应实现“五防”功能，在成套的高压开关柜中误防装置要有限选用机械闭锁。手车式真空断路器作为高压开关柜中最重要的开关设备，其联锁闭锁功能直接关系到开关柜的稳定运行，而在手车式真空断路器试验位置与工作位置切换途中的合闸闭锁功能是其“五防”联锁中的重要功能之一。

本文通过对断路器合闸闭锁的设计及优化分析，对手车式真空断路器的合闸闭锁功能实现及弹簧力值的选择进行优化分析，最终设计出满足使用要求的合闸闭锁结构，实现了断路器的安全可靠运行。

1 合闸闭锁结构设计

手车式真空断路器合闸联锁是依靠机构合闸闭锁板的上下运动实现的，当机构联锁板处于下端时，机构处于解锁状态，当机构联锁板向上运动到设计位置时，机构处于合闸闭锁状态。如图1 所示：

2 合闸闭锁仿真分析

2.1 初始判据

为保证合闸闭锁结构灵活可靠，底盘车锁板转动输出力值应始终大于合闸闭锁复位簧的力值，并应有1.2 倍的设计裕度。

2.2 合闸闭锁运动过程力值计算

2.2.1 设计输入参数

a. 底盘车锁板扭簧：T1=2394±230N.mm T2=2260±220N.mm K=13.3N.mm/°，设计转角10 度°。

b.合闸闭锁复位簧：F1=10N，F2=15N，K=0.625N/mm，有效圈数n=12。

2.2.2 力学分析

由于初始为止存在间隙，底盘车摇动脱扣后转动2.19°与合闸联锁横板接触，带动联锁推杆向上运动。底盘车初始位置与合闸联锁结构位置关系如图2 所示：

图2 底盘车初始位置与合闸联锁结构位置关系图

对接触位置进行受力分解，如图3 所示：

图3 初始接触位置受力分析图

底盘车初始扭簧扭矩为2394N.mm，转动2.19°后扭矩为：

N=2394-2.19°×13.3=2364.873N.mm

接触时切向力为：

F切=N÷L=2364.873÷68.6=34.47N

传动效率按75%计算，竖直向上的分力为：

F竖= F切sinθ=34.47×sin26.16°×75%=12.2025N

将公式进行整合为：

F竖= (N/L)sinθ×75%

按照此公式以1°为步长进行逐步计算，直至转角到达10°。计算结果表1 所示：

表1 底盘车联板扭簧标称值输出力值

根据图纸要求，计算扭簧下偏差极限力值，如表2 所示：

表2 底盘车联板扭簧下偏差值输出力值

通过计算，联锁推杆向上移动9.7mm，联锁推板与推杆中间存在2.57mm 间隙，所以联锁推板运动距离为7.13mm。根据此力值进行合闸闭锁复位簧运动力值计算，如表3 所示：

表3 合闸闭锁复位簧运动力值

将三组数据绘制成曲线图进行对比分析，如图4 所示：

图4 力值对比曲线图

2.2.3 计算结果分析

通过对比可以看出，当底盘车锁板转动到9°时，合闸闭锁复位簧力值高于扭簧设计下限输出力值，底盘车锁板停止动作，此时合闸闭锁板移动高度为6.43mm。当底盘车锁板转动到7.2°时，合闸闭锁复位簧力值高于判据值，底盘车锁板停止动作，此时合闸闭锁板移动高度为5.03mm。

2.3 结论

通过计算分析可以得出，在底盘车锁板扭簧力值下限时，合闸闭锁板移动高度可以满足可靠联锁需要高度，但在判据值下，合闸闭锁板移动高度在可靠联锁需要高度偏下部位。此结构存在合闸闭锁不可靠的情况，当零部件尺寸加工误差较大，装配工艺处理不好的情况下，极易出现合闸闭锁失效的情况。此计算亦可反推验证判据值的合理性。

3 合闸闭锁优化设计分析

重新设计合闸闭锁复位簧，将弹簧工作位置F2 值设计为低于底盘车锁板扭簧输出力值判据值,值为6.66N。

考虑安全系数关系，F2=6.66/σ

其中:σ-安全系数，值为1.2,则F2=5.55。

新设计弹簧输入参数:d=0.8mm，D=8mm，F2=5.55N，F1=2.7N,合闸闭锁复位簧拉伸行程△L=7.13mm，K=0.4N/mm，机构初始安装合闸闭锁复位簧高度H=41mm。

则弹簧初始安装尺寸: L=H-(F1/K)=34.25mm

根据弹簧刚度计算公式：

其中：K-弹簧刚度；G-弹簧材料切变模量；d- 弹簧线径；D-弹簧中经；n-弹簧有效缠绕圈数；

将已知量带入公式，通过计算得出：n=20 元整为：n=20

原结构弹簧与优化弹簧参数对比如4 表所示：

表4 优化前后合闸闭锁复位簧参数对比

根据前述计算步骤进行优化后合闸闭锁复位簧运动力值计算，如表5 所示：

表5 合闸闭锁复位簧运动力值

将底盘车锁板扭簧输出力值与改进后合闸闭锁复位簧力值数据绘制成曲线图进行对比分析，如图5 所示：

图5 力值对比曲线图

通过图表可以看出，在合闸联锁结构整个运动过程中，合闸闭锁复位簧力值低于底盘车锁板扭簧输出力值的判据值，满足设计要求。

4 结论

通过对断路器合闸闭锁设计结构校核，发现原设计结构在底盘车锁板扭簧力值下限时，合闸闭锁板移动高度可以满足可靠联锁需要高度，但在判据值下，合闸闭锁板移动高度不满足可靠联锁需要高度。此结构存在合闸闭锁不可靠的情况，当零部件尺寸加工误差较大，装配工艺处理不好的情况下，极易出现合闸闭锁失效的情况。对合闸闭锁连板及合闸闭锁连板复位簧进行优化设计，通过计算，设计结构在判据值以内，满足设计要求。