真空断路器弹簧操动机构分闸弹簧的优化设计方法

摘 要：

操动机构分闸弹簧设计时，为解决分闸弹簧出力特性和负载特性不匹配带来的分闸保持不住、分闸速度过大或过小等问题，提出一种分闸弹簧的优化设计方法。首先计算出分闸过程中的力矩与功，然后根据功能原理计算出各位移点的分闸速度，最后根据分闸速度和能量要求等因素对分闸弹簧进行优化。结果表明，优化后的分闸弹簧可使分闸过程中的出力特性和负载特性合理匹配，保证机构可靠分闸的同时，得到满足要求的分闸速度。通过理论计算和试验验证证明了所提优化方法的可行性，为真空断路器弹簧操动机构的分闸弹簧优化设计提供了有益指导。

关键词：

分闸弹簧; 真空断路器; 分闸速度; 优化设计; 功能原理; 可靠分闸

中图分类号： TM561.2

文献标志码： A

文章编号： 2095-8188（2024）09-0029-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.005

Optimal Design Method for Opening Spring of Vacuum Circuit Breaker Spring Operating Mechanism

LI Yanyan， ZHANG Jie， WANG Junwei

（XJ Electric Co.，Ltd.， Xuchang 461000， China）

Abstract：

In order to solve the problem that the opening spring can’t be maintained and the opening speed is too large or too small due to the mismatch between the output and load characteristics of the opering spring when designing the opening spring of the operating mechanism， an optimization design method for the opening spring is proposed.Firstly， the torque and power during the opening process are calculated， and then the opening speed of each shift point is calculated according to the function principle.Finally， according to the speed and energy requirements and other factors， the opening spring is optimized.The optimized opening spring can make the output characteristics and load characteristics match reasonably during the opening process， ensure the reliable opening of the mechanism， and obtain the opening speed that meets the requirements.The feasibility of the optimization method is proved by theoretical calculation and experimental verification， which provides a useful guidance for the optimal design of the opening spring of the vacuum circuit breaker spring operating mechanism.

Key words：

opening spring; vacuum circuit breaker; opening speed; optimization design; principle of work and energy; reliable switching

0 引 言

分闸速度是真空断路器机械性能中的一个重要参数，对真空断路器的开断能力有很大的影响［1］。真空断路器弹簧操动机构设计时，灭弧室已选定，设计出满足要求的分闸速度的关键在于分闸弹簧的设计。目前真空断路器弹簧操动机构的分闸弹簧设计时，基本不对分闸过程中的力矩与功进行计算，无法保证所设计分闸弹簧的出力特性和负载特性合理匹配，可能导致分闸保持不住、分闸速度过大或过小的情况，需要进行反复试验验证才能得到合适的分闸弹簧。

本文以某40.5 kV真空断路器弹簧操动机构为例，提出了一种分闸弹簧的优化设计方法。首先依据同类型操动机构用分闸弹簧，计算出分闸过程中不同位移点的输出力矩和阻力矩，得到分闸过程中的动力和阻力做功;再根据功能原理，计算出各位移点的分闸速度;最后根据灭弧室的分闸速度要求及分闸过程中的力矩和能量要求等因素对分闸弹簧进行优化设计，并通过实际试验验证该方法的可行性，为真空断路器弹簧操动机构的分闸弹簧优化设计提供了有益指导。

1 某40.5 kV真空断路器弹簧操动机构的分闸动作原理

某40.5 kV真空断路器弹簧操动机构合闸保持时的结构图如图1所示。

图1中，拐臂1、拐臂2、拐臂4、拐臂5固定在机构主轴上，其分闸动作原理为分闸脱扣滚轮与分闸脱扣拐臂分离后，合闸保持大挚子和合闸保持小挚子让位，在分闸弹簧和触头簧的作用下，拐臂5顺时针转动，带动主轴顺时针转动，进而带动拐臂2、连杆和拐臂3运动，拐臂3带着灭弧室驱动销向左运动，直到断路器到达刚分位;之后主轴只在分闸弹簧的驱动下转动，同时拐臂4顺时针转动，带动油缓冲滚轮运动，直到油缓冲滚轮与油缓冲接触，并稳定停下，机构到达分闸位。从断路器的分闸动作原理可知，刚分后断路器的分闸动力为分闸弹簧，因此断路器到达分闸位时能否克服灭弧室的触头反力保持在分闸位，并具有满足要求的分闸速度，主要在于分闸弹簧的输出力特性与灭弧室的反力特性能否合理匹配［2］。

2 分闸弹簧的优化设计方法

2.1 分闸弹簧设计原则

真空断路器在分闸过程中，动力为分闸弹簧和触头簧，负载为灭弧室的触头反力及摩擦力等。真空断路器到达刚分位前，分闸弹簧和触头簧同时克服阻力做功;从刚分位到分闸位，只有分闸弹簧做功［3-4］。灭弧室一旦确定，触头簧和灭弧室的触头反力特性也即确定，要使机构具有理想的分闸速度且能够可靠保持在分闸位，主要在于优化分闸弹簧及其输出力的特性。因此，分闸弹簧设计时要满足以下条件：① 分闸弹簧在分闸位的出力要尽可能低，但要保证在分闸位能克服灭弧室的触头反力;② 具有合适的输出力特性，以获得最佳分闸速度、分闸反弹等特性。触头簧和灭弧室技术参数如表1所示。

2.2 操动机构传动的数学模型

某40.5 kV真空断路器弹簧操动机构分闸状态时的传动数学模型如图2所示。图2中以固定点D点为坐标原点，以动触头E点的运动方向为X轴正向。几何参数如表2所示。

2.3 分闸过程能量计算方法

根据连杆驱动断路器分闸过程能量关系分析可知，在分闸过程中，动力为分闸弹簧和触头簧，负载为灭弧室的触头反力及摩擦力。采用微积分的计算方法，在动触头分闸过程中，每隔一小段位

移取1个点，由已知的几何参数和负载参数，可分别计算得到分闸弹簧和触头簧的输出力特性及灭弧室触头反力的负载特性。

2.3.1 分闸弹簧能量计算

由图2的传动数学模型可知，找到分闸弹簧与主轴拐臂连接点H位置与E点位移关系，即可计算出不同位移点分闸弹簧的力值和位移变化量［5-7］，根据转矩计算公式T=Fd（F为力的大小，d为力臂长度，即作用点到轴线的垂直距离），即可计算出分闸过程中不同位移点分闸弹簧对A点的转矩。

找到2个相邻位移点对应的主轴转动角度θ，即可计算出相邻位移点分闸弹簧的做功dW分闸弹簧，最后采用微积分方法，即可计算出整个分闸过程中分闸弹簧的做功W分闸弹簧，计算公式为

dW分闸弹簧=T1+T22·θ（1）

W分闸弹簧=∑dW分闸弹簧（2）

式中： T1、T2——2个相邻位移点分闸弹簧对A点的转矩。

2.3.2 灭弧室触头反力能量计算

由该断路器分闸过程动作原理可知，灭弧室的触头反力为分闸过程中的负载力，为了保证机构能够可靠停在分闸位，并使动力特性与负载特性相匹配，需要根据转矩计算公式T=Fd，计算出灭弧室触头反力等效到A点的转矩，再根据功的计算公式和微积分原理，计算出触头反力在分闸过程中的做功W触头簧，计算公式为

dW触头簧=F1+F22·ΔS（3）

W触头簧=∑dW触头簧（4）

式中： F1、F2——2个相邻位移点触头簧的力值;

ΔS——2个相邻位移点的位移。

2.3.3 触头簧能量计算

由该断路器分闸过程动作原理可知，分闸过程中，触头簧只在刚分前做功。由于触头簧力和灭弧室反力都在E点、方向都在X轴上，触头簧的力矩与功计算方法和灭弧室反力计算方法相同，不再详细说明，但触头簧的力矩和做功只取刚合前数据。

2.4 分闸速度计算方法

根据物理学中的功能原理，一个质量为m、速度为v1的物体，在外力F-Fz的作用下，经过行程h后速度为v2，则当外力F-Fz为常数时，可以得出：

（F-Fz）h=12mv22-12mv21（5）

如果在运动过程中，外力F和Fz都在改变，则式（5）变为

∫h0（F-Fz）dh=12mv22-12mv21（6）

计算断路器的运动速度时，运动部分总是由静止状态开始运动的，因此在h=0行程开始处v1=0，任一行程h处的运动速度计算公式为

∫h0（F-Fz）dh=12mv2（7）

v= ∫h02m（F-Fz）dh= 2m（W-Wz）（8）

式中：" F——输出力;

Fz——阻力;

W——行程0到h内输出力做的功;

Wz——行程0到h内阻力做的功。

理论上利用式（8），只要知道输出力F与阻力Fz的变化情况，或知道输出力所作的功W与阻力消耗的功Wz，以及物体的质量m，即能计算出任一行程h处的物体运动速度v。事实上由于断路器的零件很多，当动触头运动时，克服各轴销处的摩擦力也需要消耗一部分功Wm，考虑轴销处的摩擦后，式（8）应改写为

v= 2m（W-Wz-Wm）（9）

由于各轴销处的摩擦功计算烦琐，准确度也不高，通常将各轴销处的摩擦影响用机械效率η表示，式（9）可改写为

v= 2mη（W-Wz）（10）

一般情况下，η=0.7～0.9，本文取η=0.7［8-10］。

3 分闸弹簧优化设计过程

3.1 优化前分闸过程能量及分闸速度计算

优化前分闸弹簧参数如表3所示。根据分闸过程能量计算方法，可得优化前分闸过程中机构的动力矩、阻力矩及动力做功和阻力做功。部分位移点及关键点优化前力矩和做功值如表4所示。部分位移点及关键点优化前分闸功和分闸速度如表5所示。

由表4可知，分闸弹簧优化前，在分闸位的输出力矩为60.7 N·m，远大于灭弧室触头反力的负载力矩35.7 N·m，虽然能保证机构可靠停在分闸位，但是根据表5计算出的平均分闸速度可知，2.070 m/s大于灭弧室分闸速度要求的（1.75±0.2）m/s，证明分闸弹簧提供能量过大，存在能量过剩，需要对分闸弹簧进行优化。

3.2 优化后分闸过程能量及分闸速度计算

为减小分闸弹簧提供的能量，对分闸弹簧进行优化。优化后分闸弹簧参数如表6所示;优化后力矩和做功值如表7所示;优化后分闸功和分闸速度如表8所示。

由表7可知，分闸弹簧优化后，在分闸位的输出力矩为40.6 N·m，稍大于灭弧室触头反力的负载力矩35.7 N·m，同时根据表8计算出的平均分闸速度可知，1.818 m/s满足灭弧室的分闸速度要求，优化后的分闸弹簧提供的动力既能保证机构可靠分闸，又具有满足要求的分闸速度，也从理论上证明了本文提出的分闸弹簧优化设计方法可行。

4 试验验证

为了验证所提优化设计方法的实际可行性，分别对分闸弹簧优化前后的断路器机构进行机械特性对比试验。为了保证可比性，试验采取在同一台断路器弹簧操动机构上分别安装优化前后的分闸弹簧，测试时机构安装在同一面柜体上。优化前分闸曲线如图3所示。其中，分闸速度为1.99～2.00 m/s。优化后分闸曲线如图4所示。其中，分闸速度为1.74 m/s，机构能够可靠分闸，且分闸速度完全达到技术条件要求，证实了该优化设计方法的实际可行性。

5 结 语

目前真空断路器弹簧操动机构分闸弹簧设计时，不计算分闸过程中的力矩与功，无法保证所设计分闸弹簧的出力特性和负载特性合理匹配，可能出现分闸保持不住、分闸速度过大或过小的现象。本文提出分闸弹簧的优化设计方法，对分闸弹簧优化前后真空断路器弹簧操动机构的分闸速度进行理论及试验对比。该机构分闸弹簧优化前的分闸速度为1.99～2.00 m/s，大于灭弧室分闸速度要求的（1.75±0.2）m/s，造成机构能量过剩，增加机构负担;优化后的分闸速度为1.74 m/s，满足技术要求，验证了该优化方案的有效性及实际工程的可行性，为真空断路器弹簧操动机构的分闸弹簧优化设计提供参考。

【参 考 文 献】

［1］ 孙福松.分合闸弹簧参数对高压断路器机械特性影响研究［J］.电力研究，2018（24）：606-606.

［2］ 任山波， 于贻鹏， 卜浩民， 等.万能式断路器刚分／刚合速度技术研究［J］.电器与能效管理技术，2014（23）：6-10.

［3］ 苑舜.高压断路器弹簧操动机构［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［4］ 苑舜.真空断路器操动机构的设计与优化［M］.北京：中国电力出版社，1997.

［5］ 孙波， 陈刚， 刘晓明， 等.基于稳健优化的真空断路器弹簧操动机构分闸弹簧设计［J］.中国机械工程，2011，22（18）：2214-2217.

［6］ 陈刚， 孙波， 王尔智.真空断路器弹簧操动机构中分闸弹簧的多目标综合优化［J］.高压电器，2007，43（6）：448-450.

［7］ 濮良贵， 陈国定， 吴立言.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2019.

［8］ 谢久明， 孙登月， 曹建波，等.126 kV高压真空断路器分闸速度的计算［J］.机械设计，2015，32（增刊1）：164-169.

［9］ 贾延超， 刘广斧.高压真空断路器分闸速度计算［J］.电气制造，2012（7）：58-60.

［10］ 徐国政， 张节荣， 钱家骊， 等.高压断路器原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，2000.

收稿日期： 2024-07-05