國產(chǎn)開關(guān)彈簧機構(gòu)改進的探討及方法

楊文青+++石巧莉+++周曉琴+++丁倩

摘 要：近年來，具有彈簧機構(gòu)的斷路器越來越普及，與過去的直流電磁機構(gòu)相比具有動作快、合閘電流小、儲能電源容量小、交直流均可使用等優(yōu)點，但在實際檢修中，國產(chǎn)操作機構(gòu)存在著行程開關(guān)易燒壞、機構(gòu)易卡澀等問題，為了提高操作機構(gòu)的可靠性，文章借鑒ABB、西門子等廠家的改進方法，對彈簧操作機構(gòu)進行了改進，試驗顯示：在行程開關(guān)接點拉弧的垂直方向上加裝一個直徑為5毫米的磁鐵，可以較為明顯的改善斷路器的滅弧性能；在分合閘回路的串接接點上并聯(lián)一副輔助接點，能較為顯著地降低線圈燒毀的概率；脫扣機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與機構(gòu)支架采用軸與軸承連接可以明顯的改善其靈活性。

關(guān)鍵詞：彈簧機構(gòu)；分合閘啟動裝置；行程開關(guān)；輔助開關(guān)；脫扣器

引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的開關(guān)設(shè)備，主要作用是正常運行時，用來接通和開斷電路中的負(fù)荷電流；在故障時，用來開斷電路中的短路電流，切除故障電路，按照重閉合的要求還能關(guān)合短路電流。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起著操作、控制與保護作用，并具有完善的滅弧裝置。斷路器的類型很多，就其結(jié)構(gòu)而言，都是由通斷元件、絕緣支持元件、傳動結(jié)構(gòu)、基座和操動機構(gòu)5個基本部分組成。

操作機構(gòu)可以分為彈簧操作機構(gòu)、液壓操作機構(gòu)、氣動操作機構(gòu)和電磁操作機構(gòu)四大類，其中彈簧操動機構(gòu)具有以下優(yōu)點：（1）要求電源容量小；（2）交直流電源均可用；（3）失去電源仍能操作一次。彈簧操作機構(gòu)以其顯著優(yōu)勢而得到大規(guī)模運用，它們的可靠性對設(shè)備及電力系統(tǒng)的安全運行具有重要影響。據(jù)調(diào)查，國產(chǎn)高壓斷路器彈簧操動機構(gòu)的分合閘啟動裝置易發(fā)生故障，進而影響電網(wǎng)運行的可靠性。文章針對天津某開關(guān)廠ZN22型彈簧機構(gòu)，探討了彈簧機構(gòu)的故障原因，并提出了相應(yīng)的改進措施。

1 彈簧機構(gòu)概述

彈簧操動機構(gòu)是一種以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構(gòu)。彈簧的儲能借助電動機通過減速裝置來完成，并經(jīng)過鎖扣系統(tǒng)保持在儲能狀態(tài)。開斷時，鎖扣借助磁力脫扣，彈簧釋放能量，經(jīng)過機械傳遞單元使觸頭運動。

彈簧操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，分合閘操作采用兩個螺旋壓縮彈簧實現(xiàn)。儲能電機給合閘彈簧儲能，合閘時合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能。合閘彈簧一釋放，儲能電機立刻給其儲能，儲能時間不超過15s（儲能電機采用交直流兩用電機）。運行時分合閘彈簧均處于壓縮狀態(tài)，而分閘彈簧的釋放有一獨立的系統(tǒng)，與合閘彈簧沒有關(guān)系。這樣設(shè)計的彈簧操動機構(gòu)具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，既可滿足O-0.3 sec -CO-180 sec -CO操作循環(huán)，又可滿足CO-15sec-CO操作循環(huán)，機械穩(wěn)定性試驗達10000次。

2存在問題

彈簧操作機構(gòu)優(yōu)勢顯著，然而在長期的使用中，發(fā)現(xiàn)彈簧操作機構(gòu)故障率遠(yuǎn)高于氣動機構(gòu)、電磁機構(gòu)與液壓機構(gòu)，2013年對本公司變電站所使用的開關(guān)故障統(tǒng)計如表1和表2所示。

表1 2013年開關(guān)設(shè)備發(fā)生的異常障礙分類統(tǒng)計表

由表1可得，彈簧機構(gòu)故障數(shù)量比重最高，占所有開關(guān)故障的71.6%。對彈簧操作機構(gòu)故障原因詳細(xì)排查分類后，得出表2：

表2 2013年彈簧機構(gòu)異常障礙分類統(tǒng)計表

由表2可得，彈簧操作機構(gòu)問題主要發(fā)生在分合閘啟動裝置上，分合閘啟動裝置故障將直接導(dǎo)致斷路器無法開合、關(guān)斷電路，從而影響電網(wǎng)運行。文章對第四季度的彈簧操作機構(gòu)分合閘啟動裝置故障進行詳細(xì)分析：該季度共發(fā)生9次障礙、異常，其中行程開關(guān)壞3次，輔助開關(guān)壞3次，脫扣機構(gòu)不合理3次。由此可見，解決消除彈簧操作機構(gòu)的這三個問題，就能減少事故、障礙異常，提高電網(wǎng)設(shè)備的安全運行的可靠性，增強防止事故的能力，因此，文章提出對彈簧機構(gòu)的分合閘啟動裝置進行改進。

3 改進方法

3.1 行程開關(guān)改進

行程開關(guān)串接在儲能電機回路中，用來控制電機的啟動與停止，直接接通或斷開電機電流，當(dāng)儲能電機儲能滿后，行程開關(guān)跳開停止儲能。行程開關(guān)若無法閉合將導(dǎo)致電機無法儲能，若行程開關(guān)無法跳開，將導(dǎo)致電機過度儲能從而燒壞電機。如果行程開關(guān)的接點容量不夠，就容易燒損粘連導(dǎo)致電機不能儲能或燒毀，從而造成裝置不能動作。另外由于儲能電機均為直流電機，行程開關(guān)切斷電機電流時，只有在行程開關(guān)幾乎完全打開時，電弧才熄滅，燃弧時間長，也容易使行程開關(guān)燒壞。

圖1 儲能回路接線圖及行程開關(guān)簡圖

圖1中，SP1為行程開關(guān)。為了增強行程開關(guān)性能，提高其可靠性，現(xiàn)對其進行改進，縮短燃弧時間。

文章經(jīng)過大量研究后，參考35KV廈門ABB公司HVD4的儲能行程開關(guān)的滅弧方法。在行程開關(guān)接點的拉弧的垂直方向上加裝一個直徑為5毫米的磁鐵，并用絕緣性能良好的塑料外殼固定。在切斷電流時，電弧在磁場作用下可被迅速拉長，電弧被提前熄滅。

3.2 輔助開關(guān)改進

輔助開關(guān)接點串接在分合閘回路中，如圖3所示。其作用是用來切斷控制回路的分合閘電流。它沒有滅弧裝置，直流電流也沒有過零點，因此不易斷弧，再加上彈簧機構(gòu)的輔助開關(guān)接點接觸面小，而且斷開時打開的距離也小，所以容易燒壞，輔助開關(guān)的損壞，將直接導(dǎo)致控制回路無法接通，使得分合閘啟動裝置無法啟動。如果遇到有的操動機構(gòu)性能不好，斷路器合閘時第一次沒有合上.其輔助接點未切換，發(fā)生合閘自保持的情況，甚至?xí)斐蔁龤Ш祥l線圈的事故。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，輔助開關(guān)都留有備用接點，為了增大輔助開關(guān)接點的容量，可在串接分合閘回路的接點上再并聯(lián)一副輔助接點，使得接點切斷的電流減小一半，從而使接點不再易被燒毀，如圖4所示：

3.3 脫扣器改進

彈簧機構(gòu)的分閘脫扣板固定在一個轉(zhuǎn)軸上，在自身彈簧的作用下復(fù)位，轉(zhuǎn)軸利用兩個軸套固定在機構(gòu)架上。由于轉(zhuǎn)軸與軸套之間是滑動摩擦，摩擦力較大，此處不加潤滑油，容易銹蝕，加潤滑油，容易積污，造成分閘吃力或脫扣板不能復(fù)位，從而使啟動裝置不能正常動作。彈簧操作機構(gòu)的傳動零件較多，而其本身又對傳動摩擦等反力特別敏感，因此，為保證彈簧機構(gòu)良好運轉(zhuǎn)，需有效降低傳動部分的摩擦力。圖5為設(shè)備原有的脫扣器。endprint

參考上海西門子10KV斷路器的脫扣原理，文章將脫扣機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與機構(gòu)支架的連接由原來的軸與軸套連接，改進為軸與軸承連接，軸與軸承之間存在滾動摩擦，摩擦力大幅度降低，從而避免了銹蝕、積污造成的脫扣板轉(zhuǎn)動不靈活。改進后的脫扣器如圖6所示。

4 改進效果及注意事項

（1）行程開關(guān)改進后，動作靈活可靠，接點在多次儲能后，無燒傷痕跡，改進后的設(shè)備運行三個月，未發(fā)生行程開關(guān)燒壞故障。

（2）輔助開關(guān)改進后，輔助開關(guān)切換靈活、可靠，分合多次后，無燒傷痕跡。改進后的設(shè)備運行三個月，未發(fā)生輔助開關(guān)燒壞故障。

（3）脫扣器改進后，脫扣板轉(zhuǎn)動靈活，長時間操作不卡澀，效果十分理想，彈簧機構(gòu)的動作可靠性顯著提高。且改進對斷路器本身電氣和機械性能不構(gòu)成影響，無需進一步做型式試驗。但在改造實施過程中，發(fā)現(xiàn)半軸鎖扣的扣合面影響斷路器的分閘時間和分閘電磁鐵的啟動電壓，所以投運前應(yīng)進行斷路器動作特性的復(fù)核。調(diào)整分閘電磁鐵芯頂桿與脫扣板之間的間隙，可改變分閘時間；調(diào)整半軸鎖扣的旋轉(zhuǎn)角度對分閘電磁鐵啟動電壓有影響。

5 結(jié)束語

斷路器彈簧操動機構(gòu)具有零部件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作沖擊力大等特點，加之設(shè)計、維護以及材料、環(huán)境等各種因素的影響，在操作過程中難免會發(fā)生一些故障現(xiàn)象，需要加強檢修維護，對于早期投入運行的產(chǎn)品，還應(yīng)加強運行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理其家族性缺陷，從而延長此類操動機構(gòu)的使用壽命，提高其運行的可靠性。

通過對斷路器彈簧操作機構(gòu)的改進，提高了彈簧機構(gòu)的運行可靠性，保證了斷路器的正常運行，進而提高了斷路器的工作性能和使用壽命，降低了斷路器的故障率，為電網(wǎng)的安全可靠運行提供了保障。

參考文獻

[1]吳偉光，馬履中.斷路器操動機構(gòu)的性能分析與研究[J].機械研究與應(yīng)用，2000，13（3）；9-11

[2]苑舜.高壓斷路器彈簧操動機構(gòu)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]李建基.高壓斷路器及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西省電力公司組.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2009.

作者簡介：楊文青，（1970.1-）女 山東聊城，大專學(xué)歷，技師，從事方向：變電檢修.

石巧莉（1980.12-），女，山東聊城，本科學(xué)歷，高級工，從事方向：變電檢修。

周曉琴（1985.10-），女，山東聊城，碩士學(xué)歷，助理工程師，從事方向：變電檢修。

丁倩（1993.11-），女，電氣工程及其自動化。endprint

參考上海西門子10KV斷路器的脫扣原理，文章將脫扣機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與機構(gòu)支架的連接由原來的軸與軸套連接，改進為軸與軸承連接，軸與軸承之間存在滾動摩擦，摩擦力大幅度降低，從而避免了銹蝕、積污造成的脫扣板轉(zhuǎn)動不靈活。改進后的脫扣器如圖6所示。

4 改進效果及注意事項

（1）行程開關(guān)改進后，動作靈活可靠，接點在多次儲能后，無燒傷痕跡，改進后的設(shè)備運行三個月，未發(fā)生行程開關(guān)燒壞故障。

（2）輔助開關(guān)改進后，輔助開關(guān)切換靈活、可靠，分合多次后，無燒傷痕跡。改進后的設(shè)備運行三個月，未發(fā)生輔助開關(guān)燒壞故障。

（3）脫扣器改進后，脫扣板轉(zhuǎn)動靈活，長時間操作不卡澀，效果十分理想，彈簧機構(gòu)的動作可靠性顯著提高。且改進對斷路器本身電氣和機械性能不構(gòu)成影響，無需進一步做型式試驗。但在改造實施過程中，發(fā)現(xiàn)半軸鎖扣的扣合面影響斷路器的分閘時間和分閘電磁鐵的啟動電壓，所以投運前應(yīng)進行斷路器動作特性的復(fù)核。調(diào)整分閘電磁鐵芯頂桿與脫扣板之間的間隙，可改變分閘時間；調(diào)整半軸鎖扣的旋轉(zhuǎn)角度對分閘電磁鐵啟動電壓有影響。

5 結(jié)束語

斷路器彈簧操動機構(gòu)具有零部件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作沖擊力大等特點，加之設(shè)計、維護以及材料、環(huán)境等各種因素的影響，在操作過程中難免會發(fā)生一些故障現(xiàn)象，需要加強檢修維護，對于早期投入運行的產(chǎn)品，還應(yīng)加強運行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理其家族性缺陷，從而延長此類操動機構(gòu)的使用壽命，提高其運行的可靠性。

通過對斷路器彈簧操作機構(gòu)的改進，提高了彈簧機構(gòu)的運行可靠性，保證了斷路器的正常運行，進而提高了斷路器的工作性能和使用壽命，降低了斷路器的故障率，為電網(wǎng)的安全可靠運行提供了保障。

參考文獻

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[3]李建基.高壓斷路器及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西省電力公司組.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2009.

作者簡介：楊文青，（1970.1-）女 山東聊城，大專學(xué)歷，技師，從事方向：變電檢修.

石巧莉（1980.12-），女，山東聊城，本科學(xué)歷，高級工，從事方向：變電檢修。

周曉琴（1985.10-），女，山東聊城，碩士學(xué)歷，助理工程師，從事方向：變電檢修。

丁倩（1993.11-），女，電氣工程及其自動化。endprint

參考上海西門子10KV斷路器的脫扣原理，文章將脫扣機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與機構(gòu)支架的連接由原來的軸與軸套連接，改進為軸與軸承連接，軸與軸承之間存在滾動摩擦，摩擦力大幅度降低，從而避免了銹蝕、積污造成的脫扣板轉(zhuǎn)動不靈活。改進后的脫扣器如圖6所示。

4 改進效果及注意事項

（1）行程開關(guān)改進后，動作靈活可靠，接點在多次儲能后，無燒傷痕跡，改進后的設(shè)備運行三個月，未發(fā)生行程開關(guān)燒壞故障。

（2）輔助開關(guān)改進后，輔助開關(guān)切換靈活、可靠，分合多次后，無燒傷痕跡。改進后的設(shè)備運行三個月，未發(fā)生輔助開關(guān)燒壞故障。

（3）脫扣器改進后，脫扣板轉(zhuǎn)動靈活，長時間操作不卡澀，效果十分理想，彈簧機構(gòu)的動作可靠性顯著提高。且改進對斷路器本身電氣和機械性能不構(gòu)成影響，無需進一步做型式試驗。但在改造實施過程中，發(fā)現(xiàn)半軸鎖扣的扣合面影響斷路器的分閘時間和分閘電磁鐵的啟動電壓，所以投運前應(yīng)進行斷路器動作特性的復(fù)核。調(diào)整分閘電磁鐵芯頂桿與脫扣板之間的間隙，可改變分閘時間；調(diào)整半軸鎖扣的旋轉(zhuǎn)角度對分閘電磁鐵啟動電壓有影響。

5 結(jié)束語

斷路器彈簧操動機構(gòu)具有零部件較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作沖擊力大等特點，加之設(shè)計、維護以及材料、環(huán)境等各種因素的影響，在操作過程中難免會發(fā)生一些故障現(xiàn)象，需要加強檢修維護，對于早期投入運行的產(chǎn)品，還應(yīng)加強運行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理其家族性缺陷，從而延長此類操動機構(gòu)的使用壽命，提高其運行的可靠性。

通過對斷路器彈簧操作機構(gòu)的改進，提高了彈簧機構(gòu)的運行可靠性，保證了斷路器的正常運行，進而提高了斷路器的工作性能和使用壽命，降低了斷路器的故障率，為電網(wǎng)的安全可靠運行提供了保障。

參考文獻

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[2]苑舜.高壓斷路器彈簧操動機構(gòu)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]李建基.高壓斷路器及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4]陜西省電力公司組.變電檢修[M].北京：中國電力出版社，2009.

作者簡介：楊文青，（1970.1-）女 山東聊城，大專學(xué)歷，技師，從事方向：變電檢修.

石巧莉（1980.12-），女，山東聊城，本科學(xué)歷，高級工，從事方向：變電檢修。

周曉琴（1985.10-），女，山東聊城，碩士學(xué)歷，助理工程師，從事方向：變電檢修。

丁倩（1993.11-），女，電氣工程及其自動化。endprint