接地開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)的研發(fā)與結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李小平

摘 要：隨著電力事業(yè)的發(fā)展，高壓開關(guān)設(shè)備也得到了很大的發(fā)展。高壓開關(guān)中的部分隔離開關(guān)或接地開關(guān)在進(jìn)行開關(guān)分合閘時，使用了傳動結(jié)構(gòu)為齒輪或絲桿的兩種傳動方式。這兩種傳動方式對開關(guān)設(shè)計提出了更高的要求，只有設(shè)計出更完善的開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)，才能為這種傳動方式提供支撐。此外，現(xiàn)代配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)對開關(guān)設(shè)備的要求也越來越高，所以，必須要加速接地開關(guān)的電動操作，促進(jìn)接地開關(guān)在監(jiān)測、控制和保護(hù)等諸多方面的智能化，提高接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性和可靠程度。

關(guān)鍵詞：接地開關(guān)；電動操作機(jī)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；廠內(nèi)試驗

中圖分類號：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）07-0031-02

為了持續(xù)推進(jìn)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，促進(jìn)接地開關(guān)電動操作的智能化，以滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)對開關(guān)監(jiān)測、控制等方面的高要求，本文對接地開關(guān)開合閘的工作原理進(jìn)行了研究、分析，并根據(jù)接地開關(guān)的開合閘過程對新型接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了構(gòu)想，并在此構(gòu)想的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計、研發(fā)、制作完畢后，對該操動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廠內(nèi)試驗，實驗結(jié)果表明，該接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)在技術(shù)上和性能上都符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，具有較高的可靠性。

1 接地開關(guān)工作原理

普通型接地開關(guān)的結(jié)構(gòu)是彈簧過重動作機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行分（合）閘時，通過操作力來克服阻力矩，從而帶動主軸轉(zhuǎn)動，使機(jī)構(gòu)中的拐臂轉(zhuǎn)往分（合）閘方向，慢慢對彈簧進(jìn)行壓縮從而儲存能量。當(dāng)壓縮彈簧中心線超過拐臂死點后，彈簧將儲存的能量釋放出來，從而推動觸頭高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，完成分（合）閘過程。接地開關(guān)進(jìn)行分（合）閘的速度由彈簧儲存的能量和開關(guān)分合閘速度定義點的歸化情況決定，人的操作速度不會對其造成影響。

2 接地開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

2.1 接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)想

根據(jù)接地開關(guān)的工作原理和分合閘實現(xiàn)過程，可以設(shè)計一個驅(qū)動機(jī)構(gòu)（凸點），將其作為接地開關(guān)進(jìn)行分合閘工作時彈簧壓縮能量的提供源頭。在彈簧運(yùn)轉(zhuǎn)超過拐臂死點后進(jìn)行能量釋放時，因為接地開關(guān)大軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比動力輸入軸的速度要快，在這種情況下，只需為傳動件的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)創(chuàng)造運(yùn)動空間即可。接收到分合到位的信號后，斷掉電源，中斷對電機(jī)的供電。實現(xiàn)分合閘過程后，為了促使接地開關(guān)的主軸進(jìn)行反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，可以依靠程序控制推動電機(jī)進(jìn)行反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證驅(qū)動件可以回到原來的位置，為接地開關(guān)進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動創(chuàng)造充足的運(yùn)動空間，具體動作過程如圖1所示。在圖1中，部件2上的凸

臺會對部件產(chǎn)生一個推動作用，促使其運(yùn)轉(zhuǎn)起來，之后部件2回到原始位置，這就實現(xiàn)了不通過傳統(tǒng)離合器仍可保證接地開關(guān)電動操作動作可靠性的目的。

2.2 接地開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于以上對接地開關(guān)電動操作程序的設(shè)計構(gòu)想，對接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。該機(jī)構(gòu)通過兩級齒輪的轉(zhuǎn)動帶動驅(qū)動齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，在接地開關(guān)的主軸上設(shè)置一個無油軸承，再在上面安裝一個軸套為驅(qū)動齒輪提供支撐。當(dāng)驅(qū)動齒輪進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動后，齒輪左面的凸臺就會與主軸驅(qū)動件產(chǎn)生接觸，從而帶動主軸驅(qū)動件運(yùn)轉(zhuǎn)，因為主軸驅(qū)動件直接連接著操作主軸，當(dāng)驅(qū)動件發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)時，主軸也會跟著同步運(yùn)轉(zhuǎn)起來。運(yùn)轉(zhuǎn)到一定程度時，接地開關(guān)開始動作，這時主軸驅(qū)動件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度比驅(qū)動齒輪的運(yùn)動速度要快，但是，因為驅(qū)動凸臺已經(jīng)擁有足夠的運(yùn)動空間，所以，就保證了驅(qū)動齒輪與主軸驅(qū)動件在工作時互不影響，并保持持續(xù)性的獨立運(yùn)動。接收到接地開關(guān)動作信號后，驅(qū)動齒輪回到原始位置，以保證在手動操作時，不會使主軸驅(qū)動件和驅(qū)動齒輪相互影響，使整個機(jī)構(gòu)得以順利運(yùn)轉(zhuǎn)。具體接地開關(guān)電動操作的設(shè)計簡圖如圖2所示。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)選擇

《交流高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)》（GB 1985—1989），即舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，人力操作的操作力矩最大額為戶外產(chǎn)品取值300 N·m，并要求戶內(nèi)產(chǎn)品的額定電流不得大于1 250 A，最大操作力矩為200 N·m。除了這個舊標(biāo)準(zhǔn)以外，并沒有其他文件和條款明確指出操作力矩的具體規(guī)定值。根據(jù)《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》（GB 1985—2004），即新標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，一轉(zhuǎn)以內(nèi)操作隔離、接地開關(guān)所需的最大力為250 N，該標(biāo)準(zhǔn)并未對操作力矩作出規(guī)定。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對人力操作機(jī)構(gòu)操作件的尺寸作出了規(guī)定，要求人力操動機(jī)構(gòu)的手柄、單臂杠桿的長度≤500 mm。由此可推算，10 kV中置柜內(nèi)的接地開關(guān)裝置的操作力矩為125 N·m。

2.3.1 主軸角速度及功率

綜合考慮新舊標(biāo)準(zhǔn)，同時，為了提高操作的可靠度，默認(rèn)接地開關(guān)的操作力矩最大值為200 N·m。現(xiàn)階段，還沒有相關(guān)文件對接地開關(guān)的操作時間進(jìn)行明確規(guī)定，以110 kV組合電器的檢修時間為參考依據(jù)，接地開關(guān)的檢修操作所用時間通常不能多于6 s，所以，該機(jī)構(gòu)分合閘所用時間取值為4 s，并且推算接地開關(guān)主軸的角速度為ξ = π/8 =0.405，據(jù)此算出主軸的功率為：

P=N×ξ. （1）

式（1）中：P——主軸的功率；

N——操作力矩最大值；

ξ——角速度。

代入數(shù)據(jù)得：P=200×0.405=81 W。

2.3.2 傳動效率

由于該機(jī)構(gòu)使用的是兩級圓柱齒輪傳動方式，通過圓錐齒輪實現(xiàn)動力傳送。在該機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中使用的是無油軸承而不是滾珠軸承，轉(zhuǎn)速相對較慢，所以，在選擇齒輪和錐齒輪傳動效率值時，應(yīng)盡量考慮選取中間值。通過查閱機(jī)械設(shè)計手冊，最終計算得出傳動效率η=0.945×0.945×0.93=0.83.

2.3.3 輸出功率

由于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩要求一定要比機(jī)構(gòu)所需轉(zhuǎn)矩大，而電機(jī)的工作時間一般都要求不要過長，因為短時間的工作方式可控制機(jī)械的發(fā)熱狀況，同時獲得充足的散熱時間，所以，可以取安全系數(shù)值為k=1.2，據(jù)此計算電機(jī)的輸出功率為：

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——電機(jī)的輸出功率；

k——安全系數(shù)值；

η——傳動效率。

代入數(shù)據(jù)得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最終將電機(jī)輸出功率取整數(shù)值120 W。

2.3.4 輸出角速度及轉(zhuǎn)速

該操作機(jī)構(gòu)的傳動比是n=2.454 5，整個操動機(jī)構(gòu)至接地開關(guān)傳動的圓錐傳動比是2，由此推算出電機(jī)的輸出角速度為ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，輸出轉(zhuǎn)數(shù)為n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于電機(jī)的輸出力矩要求為定值，功率大小與轉(zhuǎn)速快慢成正比，所以，為了使機(jī)電功率設(shè)計有所盈余，取輸出轉(zhuǎn)數(shù)的值為18 r/min。

綜合以上各項技術(shù)參數(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計、研發(fā)最終選用輸出功率P1=180 W，輸出轉(zhuǎn)速n≤18 r/min，并且具備減速裝置的直流電機(jī)。

3 機(jī)構(gòu)的可靠性和科學(xué)性驗證

在整個接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)研發(fā)制作完畢后，將機(jī)構(gòu)送到廠內(nèi)進(jìn)行配柜試驗，完成2 000次（M1級）壽命試驗，通過試驗檢驗機(jī)構(gòu)的實用性和可靠性。廠內(nèi)試驗由3次電動操作和2個手動操作組成一個循環(huán)，在進(jìn)行試驗的過程中，電動操作機(jī)構(gòu)部分都比較順利地實現(xiàn)了接地開關(guān)的分合閘。此外，在電動操作的間隙中進(jìn)行的手動操作機(jī)構(gòu)也能夠可靠、有效地完成，電動操作與手動操作兩者之間未對彼此造成影響，取得了相當(dāng)不錯的試驗效果。試驗完畢后，根據(jù)試驗中的堵轉(zhuǎn)狀況，對電機(jī)在整個操作過程中的電流曲線進(jìn)行測量。測量結(jié)果顯示，電機(jī)在電流啟動后50 ms的電流值是最大的，最大值為2.8 A；彈簧在剛發(fā)生壓縮的那段時間電流值大概為0.4 A，電流在1.5 s內(nèi)保持同一數(shù)值，過后1 s內(nèi)，電流值保持在0.5 A左右，3 s后電流值開始逐漸降低，3.5 s左右發(fā)生堵轉(zhuǎn)，機(jī)電的電流值在預(yù)先設(shè)定好的1.5 A持續(xù)了0.5 s的時間，這與設(shè)計是完全相符的。試驗結(jié)果表明，此次接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計、研發(fā)和制作具有很高的可靠性和可操作性，試驗結(jié)果令人十分滿意。

4 結(jié)束語

目前，大部分接地開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計和研發(fā)都還不夠完善，仍存在很多不足和缺陷，無法滿足電力系統(tǒng)對開關(guān)監(jiān)控在準(zhǔn)確性和可靠性等方面的高要求。為了尋求更科學(xué)、完善的開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)，本文對接地開關(guān)的分合閘過程，即工作原理進(jìn)行了研究分析，并在此基礎(chǔ)上提出了新型接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)想，根據(jù)該設(shè)計構(gòu)想設(shè)計出一種新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器控制手段。通過這一新方法可以有效解決普通開關(guān)設(shè)計的缺陷，進(jìn)一步提高接地開關(guān)電動操動的可靠程度和準(zhǔn)確性。該機(jī)構(gòu)的廠內(nèi)試驗取得了令人滿意的試驗結(jié)果——試驗證明，該機(jī)構(gòu)完全能夠滿足各項預(yù)期設(shè)想，相信它也會隨著智能化變電站的發(fā)展而得到推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]常勇，李輝，梁云丹.面向電網(wǎng)穩(wěn)定性的智能化直流輸電控制系統(tǒng)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，10（06）：111-112.

[2]李碧君，徐泰山，鮑顏紅，等.具有智能化特征的安全穩(wěn)定分析與控制決策技術(shù)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，15（05）：222-223.

〔編輯：白潔〕

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——電機(jī)的輸出功率；

k——安全系數(shù)值；

η——傳動效率。

代入數(shù)據(jù)得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最終將電機(jī)輸出功率取整數(shù)值120 W。

2.3.4 輸出角速度及轉(zhuǎn)速

該操作機(jī)構(gòu)的傳動比是n=2.454 5，整個操動機(jī)構(gòu)至接地開關(guān)傳動的圓錐傳動比是2，由此推算出電機(jī)的輸出角速度為ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，輸出轉(zhuǎn)數(shù)為n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于電機(jī)的輸出力矩要求為定值，功率大小與轉(zhuǎn)速快慢成正比，所以，為了使機(jī)電功率設(shè)計有所盈余，取輸出轉(zhuǎn)數(shù)的值為18 r/min。

綜合以上各項技術(shù)參數(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計、研發(fā)最終選用輸出功率P1=180 W，輸出轉(zhuǎn)速n≤18 r/min，并且具備減速裝置的直流電機(jī)。

3 機(jī)構(gòu)的可靠性和科學(xué)性驗證

在整個接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)研發(fā)制作完畢后，將機(jī)構(gòu)送到廠內(nèi)進(jìn)行配柜試驗，完成2 000次（M1級）壽命試驗，通過試驗檢驗機(jī)構(gòu)的實用性和可靠性。廠內(nèi)試驗由3次電動操作和2個手動操作組成一個循環(huán)，在進(jìn)行試驗的過程中，電動操作機(jī)構(gòu)部分都比較順利地實現(xiàn)了接地開關(guān)的分合閘。此外，在電動操作的間隙中進(jìn)行的手動操作機(jī)構(gòu)也能夠可靠、有效地完成，電動操作與手動操作兩者之間未對彼此造成影響，取得了相當(dāng)不錯的試驗效果。試驗完畢后，根據(jù)試驗中的堵轉(zhuǎn)狀況，對電機(jī)在整個操作過程中的電流曲線進(jìn)行測量。測量結(jié)果顯示，電機(jī)在電流啟動后50 ms的電流值是最大的，最大值為2.8 A；彈簧在剛發(fā)生壓縮的那段時間電流值大概為0.4 A，電流在1.5 s內(nèi)保持同一數(shù)值，過后1 s內(nèi)，電流值保持在0.5 A左右，3 s后電流值開始逐漸降低，3.5 s左右發(fā)生堵轉(zhuǎn)，機(jī)電的電流值在預(yù)先設(shè)定好的1.5 A持續(xù)了0.5 s的時間，這與設(shè)計是完全相符的。試驗結(jié)果表明，此次接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計、研發(fā)和制作具有很高的可靠性和可操作性，試驗結(jié)果令人十分滿意。

4 結(jié)束語

目前，大部分接地開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計和研發(fā)都還不夠完善，仍存在很多不足和缺陷，無法滿足電力系統(tǒng)對開關(guān)監(jiān)控在準(zhǔn)確性和可靠性等方面的高要求。為了尋求更科學(xué)、完善的開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)，本文對接地開關(guān)的分合閘過程，即工作原理進(jìn)行了研究分析，并在此基礎(chǔ)上提出了新型接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)想，根據(jù)該設(shè)計構(gòu)想設(shè)計出一種新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器控制手段。通過這一新方法可以有效解決普通開關(guān)設(shè)計的缺陷，進(jìn)一步提高接地開關(guān)電動操動的可靠程度和準(zhǔn)確性。該機(jī)構(gòu)的廠內(nèi)試驗取得了令人滿意的試驗結(jié)果——試驗證明，該機(jī)構(gòu)完全能夠滿足各項預(yù)期設(shè)想，相信它也會隨著智能化變電站的發(fā)展而得到推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2]李碧君，徐泰山，鮑顏紅，等.具有智能化特征的安全穩(wěn)定分析與控制決策技術(shù)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，15（05）：222-223.

〔編輯：白潔〕

P1=k×P/η. （2）

式（2）中：P1——電機(jī)的輸出功率；

k——安全系數(shù)值；

η——傳動效率。

代入數(shù)據(jù)得：P1=1.2×81/0.83=117.1 W，最終將電機(jī)輸出功率取整數(shù)值120 W。

2.3.4 輸出角速度及轉(zhuǎn)速

該操作機(jī)構(gòu)的傳動比是n=2.454 5，整個操動機(jī)構(gòu)至接地開關(guān)傳動的圓錐傳動比是2，由此推算出電機(jī)的輸出角速度為ξ1=ξ×2×2.454 5=1.998，輸出轉(zhuǎn)數(shù)為n=60×ξ1/（2×3.14）=18.99（r/min）。由于電機(jī)的輸出力矩要求為定值，功率大小與轉(zhuǎn)速快慢成正比，所以，為了使機(jī)電功率設(shè)計有所盈余，取輸出轉(zhuǎn)數(shù)的值為18 r/min。

綜合以上各項技術(shù)參數(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計、研發(fā)最終選用輸出功率P1=180 W，輸出轉(zhuǎn)速n≤18 r/min，并且具備減速裝置的直流電機(jī)。

3 機(jī)構(gòu)的可靠性和科學(xué)性驗證

在整個接地開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)研發(fā)制作完畢后，將機(jī)構(gòu)送到廠內(nèi)進(jìn)行配柜試驗，完成2 000次（M1級）壽命試驗，通過試驗檢驗機(jī)構(gòu)的實用性和可靠性。廠內(nèi)試驗由3次電動操作和2個手動操作組成一個循環(huán)，在進(jìn)行試驗的過程中，電動操作機(jī)構(gòu)部分都比較順利地實現(xiàn)了接地開關(guān)的分合閘。此外，在電動操作的間隙中進(jìn)行的手動操作機(jī)構(gòu)也能夠可靠、有效地完成，電動操作與手動操作兩者之間未對彼此造成影響，取得了相當(dāng)不錯的試驗效果。試驗完畢后，根據(jù)試驗中的堵轉(zhuǎn)狀況，對電機(jī)在整個操作過程中的電流曲線進(jìn)行測量。測量結(jié)果顯示，電機(jī)在電流啟動后50 ms的電流值是最大的，最大值為2.8 A；彈簧在剛發(fā)生壓縮的那段時間電流值大概為0.4 A，電流在1.5 s內(nèi)保持同一數(shù)值，過后1 s內(nèi)，電流值保持在0.5 A左右，3 s后電流值開始逐漸降低，3.5 s左右發(fā)生堵轉(zhuǎn)，機(jī)電的電流值在預(yù)先設(shè)定好的1.5 A持續(xù)了0.5 s的時間，這與設(shè)計是完全相符的。試驗結(jié)果表明，此次接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計、研發(fā)和制作具有很高的可靠性和可操作性，試驗結(jié)果令人十分滿意。

4 結(jié)束語

目前，大部分接地開關(guān)電動操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計和研發(fā)都還不夠完善，仍存在很多不足和缺陷，無法滿足電力系統(tǒng)對開關(guān)監(jiān)控在準(zhǔn)確性和可靠性等方面的高要求。為了尋求更科學(xué)、完善的開關(guān)電動操作機(jī)構(gòu)，本文對接地開關(guān)的分合閘過程，即工作原理進(jìn)行了研究分析，并在此基礎(chǔ)上提出了新型接地開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)想，根據(jù)該設(shè)計構(gòu)想設(shè)計出一種新的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器控制手段。通過這一新方法可以有效解決普通開關(guān)設(shè)計的缺陷，進(jìn)一步提高接地開關(guān)電動操動的可靠程度和準(zhǔn)確性。該機(jī)構(gòu)的廠內(nèi)試驗取得了令人滿意的試驗結(jié)果——試驗證明，該機(jī)構(gòu)完全能夠滿足各項預(yù)期設(shè)想，相信它也會隨著智能化變電站的發(fā)展而得到推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2]李碧君，徐泰山，鮑顏紅，等.具有智能化特征的安全穩(wěn)定分析與控制決策技術(shù)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，15（05）：222-223.

〔編輯：白潔〕