鉸鏈四桿機構在斷路器操動機構中的應用

郭小燕，胡旭喆，朱伯濤

（1.國網河北省電力公司培訓中心，石家莊 050031；2.河北建投沙河發電有限責任公司，河北 邢臺 054100；3.國網河北省電力公司邢臺供電分公司，河北 邢臺 054000）

1 概述

高壓斷路器是電力系統的主要設備，操動機構是斷路器的主要組成部分，操動機構的工作性能和質量的優劣，對斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。

斷路器的分、合閘動作是通過操動機構來實現的。操動機構靠機械傳遞操作功使斷路器分、合閘。操動機構是靠電磁鐵或彈簧儲存能量，能量傳遞至斷路器的動觸頭，實現斷路器的分閘或合閘操作，中間由一系列的傳動部件組成，為了能夠實現能量的有效儲存、釋放、傳遞，傳動部件多數采用了鉸鏈四桿機構。另外，在合閘、分閘的機械傳動回路中，為了實現合閘、分閘保持的功能，多數也是通過鉸鏈四桿機構實現。

2 鉸鏈四桿機構

2.1 組成

將4個構件通過轉動鉸鏈聯結而成的機構，稱為鉸鏈四桿機構［1］（見圖1），4個構件如下。機架：鉸鏈四桿機構中，固定不動的構件；連桿：機構中不與機架相連的構件；曲柄：與機架用轉動副相連且能繞該轉動副軸線整圈旋轉的構件；搖桿：與機架用轉動副相連但只能繞該轉動副軸線擺動的構件。

圖1 鉸鏈四桿機構示意

2.2 死點和死區

當從動件上的傳動角為零，驅動力對從動件的有效回轉力矩為零，這個位置稱為機構的死點位置，也就是機構中從動件與連桿共線的位置稱為機構的死點位置［2－4］。

在曲柄搖桿機構中，取搖桿為主動件，曲柄為從動件時，連桿與從動件曲柄2次共線的位置。死點的特點是無論在搖桿上施加多大的驅動力，均不能使從動件曲柄轉動，且轉向不能確定。

如圖2所示，B點位置，鉸鏈四桿機構正處于可以獲得無窮大機械增益的機構位置。如果此時原動件為CD構件，由于從動件AB和連桿BC處于共線位置（即死點位置），則機構將無法運動。如果B點位置在外力作用下移至B1點位置，并由其他外力作用使其保持在B1點位置，使B1點不能夠再向下運動，則B點至B1點的區間稱為死區，在死區區間內，即使搖桿CD作用，也不會使得B1點向上運動，只有在B1點收到向上的外力時，并在外力作用下越過B點，這時，B點才能克服死點位置向上運動。

圖2 鉸鏈四桿機構的死點和死區

死點和死區的存在，無論驅動力有多大，機構都將不能運動，因此可以起到“鎖緊”作用。而對于需要連續動作的機構來說，如果存在死點或死區，則對傳動不利，必須避免機構由死點位置開始起動，同時采取措施使機構在運動過程中能順利通過死點位置并使從動件按預期方向運動。

3 鉸鏈四桿機構的應用

高壓斷路器要求操動機構具備儲能保持、合閘、保持合閘、分閘、自由脫扣等基本功能。保持系統作用是利用死點或死區鎖扣裝置使斷路器保持儲能狀態或合閘狀態；分、合閘操作是利用破壞死點或利用鎖扣釋放使斷路器合閘或分閘。

3.1 在電磁式操動機構中的應用

電磁式操動機構（CD2）［5］如圖3所示。主軸01是固定的，它與斷路器的傳動軸連接，操動機構的拐臂1和主軸01固定連接，3個尺寸同樣的連桿2、3和4；在軸銷B 上有滾輪11；2個尺寸同樣的連桿5和6；以及裝有彈簧的鞍架7。拐臂與連桿之間用軸銷連接，連桿4繞著固定軸02轉動；連桿6繞著固定桿04轉動。

圖3 電磁式操動機構

如圖3所示，機構在準備合閘前的分閘位置，此時連桿5和6的連接點越過死點位置，調節螺栓8阻止其移動，這樣使得軸銷C變成了一個瞬時的固定點。

合閘操作：合閘電磁鐵得電，合閘電磁鐵鐵心頂桿10向上，頂住滾輪11。此時連桿3繞著軸03旋轉，借助連桿2和拐臂1，使主軸01旋轉，帶動斷路器的傳動軸使斷路器合閘并保持合閘。當滾輪11升起時，迫使鞍架7向左。合閘結束后，鞍架7已脫離滾輪作用，在彈簧力作用下，向右返回，頂住滾輪11，使機構保持在合閘位置。

分閘操作：分閘電磁鐵繞組12通電，分閘電磁鐵鐵心頂桿9 向上運動，使C點脫離死區，向上運動，軸銷03 向上移動，于是滾輪11從鞍架7 上落下，操動機構主軸01在斷路器分閘彈簧作用下，向著逆時針方向轉動，使斷路器分閘。

自由脫扣：當斷路器關合短路故障電流時，不管合閘命令是否解除，只要接到分閘命令，斷路器都能立刻分閘。如圖4所示，當斷路器操動機構接到分閘命令后，即使合閘命令尚未解除，合閘電磁鐵鐵心頂桿10仍向上運動，但分閘電磁鐵鐵心頂桿9向上運動，使C點脫離死區，在連桿4、5、6 的共同作用下，軸銷03向右移動，于是滾輪11從合閘電磁鐵鐵心頂桿10上落下，斷路器分閘，即自由脫扣。

3.2 在彈簧式操動機構中的應用

CT2－XG型彈簧式操動機構［5］如 圖4所 示，軸03－07、010和011均為固定軸，其中軸05 為操動機構主軸。軸04和05間形成四連桿機構。四連桿機構軸06、07，軸03、07和軸010、011都處于死點位置附近，軸09被分閘連桿8鎖住，不能左移。軸08成為機構的臨時固定軸，在軸04和軸08間形成可以傳動的四連桿機構。

合閘彈簧已儲能，當A點、02軸和滾子20三點在一條直線上時，A點處于死點位置，當A點繼續向右運動，使得3點不在一條直線上，這時，如果沒有鎖扣3阻擋A點，則A點就會在彈簧力的作用下，繼續向右運動，并圍繞02軸做逆時針運動，從而釋放彈簧能量，也就是說鎖扣3實現了彈簧能量的保持功能。合閘動作過程：一旦合閘電磁鐵1得電，鐵心動作，鐵心頂桿推動合閘連桿2把鎖扣3的扣接解除，見圖5，連桿4被釋放，使得渦輪5向逆時針方向旋轉。在已儲能的合閘彈簧作用下，拐臂6帶動杠桿7、拉桿和輸出軸8運動，于是傳動拉桿10向右水平運動使斷路器合閘。

圖4 CT2－XG 型彈簧式操動機構

圖5 合閘四連桿動作情況

合閘后，合閘電磁鐵的鐵心頂桿復位，杠桿7被固定在鎖扣11上，將操動機構保持在合閘位置，如圖6所示。

分閘操作過程：如圖4所示，當分閘電磁鐵1得電，鐵心被吸引，頂桿推動分閘四連桿機構，連桿2、3、4發生屈折，連桿5推動軸09向左運動，在斷路器分閘彈簧的作用下，杠桿帶動鎖扣、拉桿和輸出拐臂運動，于是傳動拉桿向左水平運動，使斷路器分閘。

自由脫扣。如圖6所示，當斷路器關合有故障電路時，在合閘過程中，當接到分閘命令時，分閘電磁鐵得電動作，破壞分閘四連桿的平衡，在分閘彈簧作用下，使得連桿7脫離鎖扣11，實現自由脫扣。

圖6 分閘四連桿動作情況

3.3 應用注意事項

鉸鏈四桿機構結構簡單，力的傳遞性好，從機械方面能夠滿足和實現操動機構的各項功能，因此，在操動機構中得到廣泛應用。但是，鉸鏈四桿機構中存在死點和死區，其相關聯部件需要定期進行檢查，以保證連桿的可靠動作，另外，在鉸鏈四桿機構中存在較多桿件和軸銷，在維護時要注意加強桿件的變形監測和軸銷的潤滑，以保證操動機構的動作可靠性。

4 結束語

操動機構利用鉸鏈四桿機構可以實現能量保持、合閘保持等功能。準確理解鉸鏈四桿機構原理，對操動機構中鉸鏈四桿機構相關聯部件進行及時維護檢修，可以減少操動機構的故障率，增強設備的運行可靠性，從而保證電網運行的可靠性和安全性。

［1］陳 劍，葛文杰，王軍強，等.平面四桿機構參數化設計及運動仿真研究與實現［J］.中國制造業信息化：學術版.2010（5）：23－26，30.

［2］河北省電力公司.變電檢修現場技術問答［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［3］楊香澤.變電檢修［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］國家電網公司人力資源部.變電檢修［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［5］上海超高壓輸變電公司.變電設備檢修［M］.北京：中國電力出版社，2008.