一种用于接地开关关合试验的 气压传动装置设计

高纪轩 付冠青 夏继强

（上海电气输配电试验中心有限公司，上海 200072）

0 引言

接地开关是用于将回路接地的一种机械开关装置，在线路检修时可以保护人身及设备安全[1]。在异常条件下，高压开关设备发生带电关合接地开关的误操作时，接地开关应能承受规定时间内的短路电流[2]，因此，GB1985—2014中要求E1、E2级接地开关须具备一定的短路关合能力[3]。

接地开关短路关合试验是验证接地开关短路关合能力的型式试验项目。手动式操作的高压开关柜内，通过检测人员现场操作试品进行接地开关短路关合试验。在试验中因试品质量等问题，有可能发生触头烧损、弹跳甚至飞弧等危险，一旦试验失败，试品发生爆炸并向壳外喷射火焰、液体、气体或金属微粒，将危及检测人员的人身安全[4-5]。试验过程中，手动操作试品关合难以精准把控操作时间。关合时刻超前或延迟于试验断路器，会导致不能关合电流或者合闸相角不适宜，从而无法关合满足要求的峰值电流，则选相合闸无法发挥作用，需进行多次关合试验方能获取标准中规定的短路关合电流[6]。因此，手动式操作具有危险性高、可靠性差的缺点。

相关资料[7-10]显示，关于高压开关柜接地开关操动机构的设计和应用已有众多学者研究，短路关合的试验方法也有文献涉及，在大容量试验室考虑安全性的手动式开关短路关合试验用的装置却少有文献讨论，因此，本文对短路关合试验中可代替人工手动操作的自动装置进行研究。高压电气设备常配的气压操动机构具有操作功大、电源功率小、适应性强的特点，在抗干扰能力、动作速度和机构稳定性方面表现优异[11-12]，所以本文以压缩空气作为动力源，气缸作为执行元件，借助平面连杆机构设计一种代替人工现场手动操作接地开关关合的装置，实现远程控制方式下的接地开关短路关合试验。该装置可解决短路关合试验手动操作安全性低的问题，且装置稳定性高、时间控制性好、利于合闸相角的调节，可提高试验效率，更好地满足标准要求。

1 基本工作原理

手动接地开关的关合依靠操作手柄按规定方向运动一定角度，带动开关柜内部操动机构进行关合。操作手柄的运动方式为平面旋转运动，设计的平面连杆机构如图1所示。

图1 连杆机构

图1中，气缸1为主动件，传动杆2、操作绳3为从动件，操作手柄4为输出构件，构件5、6为机架，A、B、C、D、E、F为转动副，G为移动副。气压作用下气缸1向左伸出活塞杆推动传动杆2做顺时针旋转运动，同时操作绳3带动操作柄4也做顺时针旋转运动关合试品。首先对传动杆进行受力分析计算触发试品关合的推力，传动杆受力情况如图2所示。

由图2知，传动杆在气缸推力的分力F杆作用下顺时针旋转，由BC位置旋转运动到B′C′位置过程中，旋转角α先减小为0°，过竖直位置后再增大为α，前后过程对称。实际工况中触发角度范围区间在 10°～45°，考虑工程裕量，取触发角度为60°时开关触发关合，即最大旋转角α=30°。受力关系满足式（1）和式（2）。

图2 传动杆受力情况

对试品操作手柄（图1中E处）进行受力分析，如图3所示，受力关系满足式（3）。

图3 操作柄受力分析

标准GB 1985—2014《高压交流隔离开关和接地开关》规定了人力操作的最大力，如5.105.2规定一转以内操作隔离开关或接地开关所需要的操作力应不大于250N[13]。为保证操作可靠性，本文按最大操作力250N的1.2倍设计动力气缸推力，即F0=300N。由式（1）、式（2）和式（3）可推导得

按1.1倍工程裕量，取气缸推力为508.07N。

2 结构部分设计

考虑到不同生产厂家不同类型试品，接地开关操作手柄的长度、运动行程、运动轨迹及受力情况均有区别，因此为了使装置尽可能适配大多数厂家的试品，本装置传动机构基于旋转运动进行设计。传动装置总体结构如图4所示。

图4 传动装置总体结构

由图4可知，装置主要由机构支架、传动杆、传动轴及气动元件构成，触发电磁阀后，气缸活塞杆向左伸出推动传动杆做顺时针旋转运动，同时带动试品操作手柄向右旋转关合试品。传动杆利用杠杆原理将气缸推力传递到绳子端，需要承受一定强度的拉力，鉴于安全性，应具备良好的绝缘性能，选用环氧树脂材料的环氧棒。绳子与传动杆经过弹簧扣连接，当操作手柄长度发生变化时，可以通过调节绳子与传动杆的连接位置改变传动杆的旋转半径，从而实现运动行程的改变。此时操作手柄、绳子、转动杆仍构成似平行四边形机构，以保证水平方向的拉力，增强装置的适配性。传动杆处连接工位如图5所示。

图5 传动杆处连接工位

传动机构将直线运动的气缸和曲线运动的操作手柄连接，保证气缸做更多的有效机械功。传动机构部件如图6所示。

图6 传动机构部件

3 动力部分设计

3.1 开关触发行程计算

根据不同厂家不同类型试品的接地开关，操作手柄r范围区间在200～500mm，旋转角度θ范围区间在0～90°。接地开关触发角度范围区间在10°～45°。充分考虑工程裕量，取最大触发角度为60°， 最大操作手柄长度为500mm；取最小触发角度为 30°，最小操作手柄长度为200mm。弧长公式为

由式（5）计算得出开关触发最大行程为523mm，最小行程为105mm。

3.2 气缸及空气压缩机规格选型

根据3.1节中开关触发行程及推力计算结果，气缸需要提供较大推力及较长的行程。考虑气缸运动速度较快，本文选用具备缓冲能力的粗杆缓冲气缸，用以减小气缸对装置的冲击，动力气缸参数见表1。

表1 动力气缸参数

式中：P为压强；F为推力；S为受力面面积；h为气缸有效行程；d为受力面直径（受力面为圆形）；V为气缸储气量。

由式（5）～式（8）推导出产生780N推力所需压强P为0.389MPa，气缸储气量为0.785L，最低压强值为0.259MPa。

为了产生不低于0.259MPa的气压，空气压缩机储气罐中存储的气体应不低于2.96L。储气量为8L的空气压缩机，可以维持储气量为0.785L的动力气缸工作6次，满足标准中要求E2级接地开关具备5次短路关合能力的次数。另外，实际工况中若发生气缸过载或者电磁阀故障等意外情况，空气压缩机产生的最大压强应不大于气缸及电磁阀的最大使用压力，无需为装置加设气压保护回路，从而便于维护检修。因此本设计所选空气压缩机参数见表2。

表2 空气压缩机参数

3.3 电磁阀规格选型

本文选用二位五通双电控电磁阀对气缸进行双向控制，实现气缸的往复运动。考虑接地开关短路关合试验对开关关合速度的要求，所选电磁阀参数见表3。

表3 电磁阀参数

式中：Q为气体流量；υ为气缸运动速度；t为气缸运动时间。

依据所选气缸参数及电磁阀流量范围联立式（7）、式（9）和式（10）可以计算得出气缸运动速度范围为1.32m/s＜υ＜1.74m/s，理论动作时间范围为205ms＜t＜303ms。

4 短路关合试验验证

为了验证装置的可行性，用本文设计的装置对川开电气有限公司制造的XGW—12（箱式）户外交流金属封闭开关设备样机进行额定短路关合电流5kA、额定短时耐受电流2kA的短路关合试验，试验回路如图7所示。图7中，1QS为进线隔离开关，2QS为主变二次侧隔离开关，1QF为进线断路器，2QF为保护断路器，3QF为试验断路器，L为电抗器，SP为试品，FY为分压器，Rogoski coil为罗氏线圈。网络试验站进线电压35kV，试验回路线电压12kV，单相回路阻抗值3.4Ω。带载试验布置如图8所示。

图7 接地开关短路关合试验回路

图8 带载试验布置

首先，空载情况下进行2次远控合闸操作，保证装置及试品等正常动作，再进行带载远控试验。短路关合试验波形如图9所示，tA时刻接通电源送电，tB时刻试品关合短路开始，tC时刻切断电源短路结束。经采集系统得到的装置动作时间见表4。其中，动作时间为发出关合信号到试品关合的时间，装置动作最短时间217ms，最长时间223ms，动作时间在理论计算值内满足要求。本次现场试验预设关合时刻为248ms，继电器和接触器等固定动作时间30～60ms，实际测量关合时刻295.6～297.3ms，最大时间差1.7ms。装置带动试品关合过程中，气缸并非伸出全部行程，而是一定行程时即可触发试品内部操动机构动作，关合开关。因此，本装置实际动作时间比理论计算值更短。

表4 装置动作时间

图9 短路关合试验波形

图9中，Ia为A相电流，Ib为B相电流，Ic为C相电流；Max为最大值，Min为最小值，Peak为峰峰值，RMS为有效值。A、B、C三相电流有效值分别为2.167kA、1.986kA、2.296kA，C相短路关合电流最大值为5.103kA，短路持续时间223.5ms。短路电流的峰值及有效值均满足标准GB 1985—2014第6.101.5条和DL/T 486—2010[14]第4.101条中对短路关合电流的要求。试验时检测人员进行一次预期试验，根据标准要求调整试验回路阻抗及合闸相角。试验过程中调节了一次合闸相角，成功完成2C-x- 2C-y-1C试验，选相合闸可以有效作用于试验，并且试验过程中无需人员进入试验区。若因试品质量问题导致试验失败，向外喷射气体、液体、火焰或金属微粒等也不会危及操作人员。

5 结论

本文设计并研制出一种气压传动装置，实现了远程控制的接地开关短路关合试验。经现场试验验证，本装置用于接地开关短路关合试验可以满足国家标准要求。该气压传动装置不仅解决了试验室人工现场手动操作开关进行关合试验安全性低的问题，而且可靠性高、稳定性好，有效提高了试验的安全性和试验效率，适配于最大操作力不超过250N的高压手动式开关，具有一定的实用价值。