新型三工位隔離/接地開關的設計

張永剛

（江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211100）

新型三工位隔離/接地開關的設計

張永剛

（江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211100）

為提高共箱式三工位隔離/接地開關的可靠性，針對某結構形式的共箱式三工位隔離/接地開關，提出了中間導體結構和運動優化的設計方案及實現方法。通過實踐證明，新的設計方法簡單可行，零部件數量少、易裝配、可靠性高，滿足了GIS開關設備的小型化要求。

三工位隔離/接地開關；三相共箱式GIS；優化設計

隨著國家電網的不斷發展，氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）在電網中應用越來越廣泛。為滿足用戶對GIS開關設備的高可靠性、免維護（少維護）等方面的要求，特別是伴隨著GIS開關設備的小型化進程，各大GIS開關設備生產單位都陸續研發并使用了三工位隔離/接地開關[1]，它將隔離開關和接地開關組合成一個整體，公用一個動觸頭和一臺操作結構，實現合閘—隔離—接地三個工況位置，簡化了產品結構；同時共用的動觸頭只能有一個位置狀態，實現了隔離開關和接地開關的機械聯鎖，避免了誤操作，提高了運行可靠性。

本文在分析現有某結構形式126kV三工位隔離/接地開關的基礎上，根據需實現的功能，在其實現方式和結構上進行整體的優化設計，減少了零部件數量、降低安裝難度、提高裝配的可靠性。

1 現有三工位隔離/接地開關分析

目前市場上使用的 126kV三工位隔離/接地開關結構如圖1所示，主要有殼體、盆式絕緣子、接地絕緣子、接地導體、接地觸頭、隔離開關靜觸頭、中間觸頭、安裝導體、傳動軸及操動機構等部件組成。中間觸頭裝在安裝導體上，內裝有齒輪齒條等觸頭傳動機構、隔離/接地開關動觸頭等部件。

圖1 傳統三工位隔離/接地開關示意圖

該類型的隔離/接地開關的優點主要有：它將隔離開關和接地開關的動觸頭組合成一個整體，公用一臺操動機構，可實現合閘/隔離/接地 3個工況狀態，使得結構簡化、尺寸縮小并減少一臺操動機構；它省去接地開關和隔離開關的電氣連鎖，避免誤操作，提高了運行可靠性；應用在母線側的三工位隔離/接地開關，可取代老式GIS開關設備的母線模塊，進一步縮小了GIS開關設備的整體尺寸，降低了產品成本。

如圖1所示，該型三工位隔離/接地開關裝配時，先將中間觸頭、安裝導體、盆式絕緣子組裝成盆子裝配部件，再將盆子裝配部件與已安裝有接地導體、接地絕緣子、接地觸頭的殼體連接，并通過工裝旋轉傳動軸調整接地觸頭的對中性。若接地觸頭對中出現較大偏差，需將盆子裝配部件取出，根據對中情況調整接地觸頭、接地導體、接地絕緣子等，常出現多次反復拆裝；同理在接地觸頭對中調整結束后，安裝隔離側觸頭調整過程中也會出現類似的多次調整問題，更為嚴重的是，為保證接地觸頭、隔離開關觸頭等同時滿足對中性要求，有可能出現已完成接地開關觸頭對中性調整卻無法將隔離開關觸頭調整到合適的對中位置，需要重新拆下盆式裝配部件并調整各裝配環節，直至觸頭對中性、三相同期性滿足要求后方可進行其他裝配。

由上述裝配調整過程不難發現，該機構形式的三工位隔離/接地開關雖有諸多優點，但也存在裝配工藝性差的缺點，主要表現為：①殼體、接地絕緣子、接地導體、接地觸頭、安裝導體、盆子絕緣子、中間觸頭、隔離開關觸頭等都是通過螺栓聯接，裝配環節多、生產效率低、裝配質量不易保證；②裝配調整難度大，特別隔離及接地觸頭對中性調整、三個中間觸頭的同軸性及同期性調整耗時、耗力，影響整機裝配效率；③裝配精度不易滿足要求，影響整體性能。

2 新型三工位隔離/接地開關的設計

2.1 設計構思與實現

在平面曲柄連桿機構的設計中，常有曲柄上連接多個連桿，在曲柄做旋轉運動時，不同連桿可實現方向不同的運動。該形式的機構在高壓電器設備上應用也十分廣泛，如 SW4-110型斷路器的 CT6型彈簧操動機構中就有多個應用單曲柄雙連桿機構[2]。

在國外，某些三工位隔離/接地開關中，也常有類似的機構出現，如西門子落地罐式緊湊型高壓開關設備中三工位隔離/接地開關就是采用該原理，但該形式的三工位隔離/接地開關為分箱機構，不滿足國內三相共箱的要求。

因此，可根據平面曲柄連桿機構的原理及現有開關設備上應用模型，設計新型的曲柄滑塊機構，通過曲柄驅動使二滑塊（隔離開關動觸頭、接地開關動觸頭）按預設計的幾何關系方向運動，實現三工位隔離/接地開關的功能。在此設計思路下，通過建立合理的數學模型計算曲柄半徑、連桿長度，對傳統的三相共箱式三工位隔離/接地開關進行了優化設計，減少了零部件數量、降低了安裝難度、提高了裝配的可靠性，新設計的三相共箱式的三工位隔離/接地開關結構分別如圖2、圖3所示。

圖2 新型三工位隔離/接地開關剖視圖

圖3 新型三工位隔離/接地開關整體透視圖

新型三工位隔離/接地開關將原公用的動觸頭分成隔離觸頭和接地觸頭，采用曲柄滑塊結構同時驅動隔離開關動觸頭和接地開關動觸頭，使隔離開關動觸頭、接地開關動觸頭各自沿其軸線方向做直線運動，隔離開關動靜觸頭、接地開關動靜觸頭的相對運動方式與改進前三工位隔離/接地開關一致。

在拐臂連桿設計時，限定整個運動過程中拐臂與觸頭軸線的夾角，在保證動力傳遞效率的同時也不存在死點位置，避免了卡死的情況；同時在隔離開關動觸頭、接地開關動觸頭與安裝導體之間設置有導向環（四氟乙烯添加石墨填料），既保證動觸頭運動的直線線，又避免了動觸頭在運動過程中出現卡澀現象。

該新型三工位隔離/接地開關有以下優點：①將傳統的安裝導體與中間觸頭合成一體，將接地絕緣子、接地導體、接地觸頭合成為一接地開關觸頭，減少了中間裝配環節，三相中間安裝導體的主軸孔位對中性可通過嚴格控制加工工藝過程獲取，因而具有比較高的準確度，安裝簡單化；②同期性調整方面，拐臂式結構可通過控制拐臂、連桿等部件上軸心距的一致性保證，克服了齒輪齒條來回調整配合齒數的問題，節省了大量同期性調整工作；③隔離側、接地側的觸頭對中性調整方便，其實現過程簡單，可在中間安裝導體安裝到位后，旋轉操作軸使接地開關合閘后緊定接地開關觸頭，從而有效保證接地開關對中性，同樣，反向旋轉使隔離開關合閘后緊定隔離觸頭而保證隔離開關觸頭的對中性，該裝配方式有效克服了傳統三工位隔離/接地開關對中性調整過程中的反復拆裝問題，降低了勞動強度，提高了勞動效率；④新型三工位隔離/接地開關的零部件數量大為減少，數量縮減為原來的3/4，減少了大量的裝配環節，在有效保證裝配質量的同時，減少了材料使用，降低了生產成本，具有較好的社會效益和經濟效益。

2.2 新型三工位隔離/接地開關的設計計算

三工位隔離/接地開關設計中，DS及ES斷口開距設計、DS斷口觸頭屏蔽設計、DS分合閘速度設計、FES開關設計及各種觸頭參數的設計計算詳見參考資料[1]，在此重點介紹新型三工位隔離/接地開關中的傳動模型的建立與計算、關鍵件強度分析、三工位隔離/接地開關的電場分析等。

1）拐臂長度的優化算法[4-6]

將三工位隔離/接地開關傳動機構簡化為如圖 4所示的曲柄滑塊機構，初始位置為OAB，OA為異形曲柄，兩個方向的長分別為l1、l2，AB為長l3的連桿，旋轉軸距滑塊中心線的距離為l0。當接到隔離合閘信號后，曲柄OA逆時針旋轉，隔離觸頭從B點沿直線BB′運動至B′，接地觸頭從C點沿直線CC′運動至C′；當接到隔離開關分閘信號后，主觸頭從B/點沿直線B B/回到B位置，接地觸頭同樣從C′點沿直線CC′運動至C點。由于接地側結構與隔離側對稱分布，故只需研究單側機構的運動特性即可。

圖4 傳動機構簡圖

（1）滑塊（觸頭）行程計算

由于連桿AB在運動過程中繞B點擺動，A點在繞O點以OA為直徑的圓弧上運動，若初始位置時，點A在滑塊中心線上方，則有

若初始位置點在滑塊中心線下方，則有

由幾何關系只式（1）、式（2）中β0=θ0

由式（1）知：

由式（2）知：

考慮三工位拐臂在運動過程中，擺動角比較小，因此綜合，上述兩種情況可歸納為

滑塊的初始位置為

同理可計算得出滑塊末端位置為

由式（6）和式（7）可得觸頭行程，即

（2）拐臂優化數學模型及計算

在對三工位隔離/接地開關傳動件進行優化設計時，要求在滿足觸頭行程的前提下，拐臂及連桿總長盡量小且在運動過程中拐臂OA推動連桿AB及觸頭的動力越小越好，即γ0、γ1越小越好。同時根據異型曲柄、連桿及觸頭的實際布置，要求異型曲柄上A點不能偏離觸頭中心線過大，即OA?l0≤Δ，（OA為A點到O點的垂直距離，Δ為給定的最大偏移量）。于是建立優化模型如下：

根據所選機構的安裝位置及輸出角度可知，圖5中θ0=π/4，θ1=π/12；考慮到拐臂、連桿的安裝空間，取Δ=5mm；根據建立上述優化計算模型及上述各設定值，利用Matlab對目標函數進行求解，得出l0、l1、l2、l3可供選擇的系列解，并繪制如圖5所示偏好解的等高線圖。

圖5l3相對l1、l2的等高線分布圖2

對該三工位隔離/接地開關傳動機構而言，偏好解的選擇原則為：①拐臂及連桿總長盡量小，減小空間尺寸；②不能用一個目標函數值的較大變劣代價換取其他目標函數微小的變優調整；③保證在制造及裝配過程出現微小偏差的情況下系統性能基本不變。根據以上原則，從所計算的系列數據中選取表1所示的數據作為偏好解，既得曲柄連桿機構的幾個主要尺寸。

表1 優化設計結果

2）中間安裝導體強度分析[7]

圖4中三工位隔離/接地開關內的中間安裝導體為鋁鑄件，從運動關系分析：①該中間安裝導體一端固定于盆式絕緣子上，驅動軸貫穿并由其支撐傳遞操動機構的輸入動力，承受較大的支撐力；②隔離開關動觸頭和接地開關動觸頭與該導體有相對的滑動連接關系，承受動觸頭運動過程中滑動摩擦力，且在隔離開關、接地開關合閘瞬間，承受動靜觸頭嚙合時的軸向反作用力；③隔離開關分合閘及接地開關分合閘過程中，該部件都要承受相關的操作沖擊力，承受變化作用力的頻度最高。因此從受力大小、受力頻度考慮，中間安裝導體綜合受力都是最為嚴重，因此在做應力分析時，以此部件作為應力分析的主要元件。另外，中間安裝導體的變形也直接關系到三工位隔離/接地開關的關合可靠性，也必須對其進行強度分析。

三工位隔離/接地開關作慢速運動，沖擊較小，可將整個機構簡化為靜力結構分析問題；根據安裝形式，在固定于盆式絕緣子的面施加固定副、在傳動軸安裝孔處施以彈性支撐、屏蔽罩及中間觸頭安裝位置施加相應重力、動觸頭處施加生摩擦力及觸頭嚙合時的軸向作用力，建立有限元模型并進行仿真計算，得出如圖6所示應力云圖。

圖6 應力云圖

從分析計算結果可以看出，導體在正常工況下，應力和形變較小，如破壞應力最大值為4.9MPa，遠小于鑄鋁件的破壞應力值，完全能滿足實際需求。

3）電場強度分析[8-9]

三工位隔離/接地開關在因體積小，合理的絕緣設計就顯的尤為重要，因此在完成機械結構圖紙繪制后，導入Maxwell等電磁場分析軟件，對新設計方案進行了電場分析計算。

考慮到三工位隔離/接地開關機構復雜性，應用網格劃分控制工具的參數設置和疏密格等分網方式對導入的實體模型進行網格劃分，并按照實體模型的邊界線和邊界面的曲率排布設置了中間節點，并結合局部細化、重新分網等方法提高網格的質量，以提高計算分析結果的準確性。網格劃分后，按照雷電沖擊電壓下的試驗條件，在隔離開關動觸頭側的導體上施加550kV電壓、隔離開關靜觸頭側施加?103kV電壓、接地開關靜觸頭及技術外殼施加0電壓作為激勵源，由軟件根據三工位隔離/接地開關的外形自行設置求解區域，域內根據 SF6氣體壓力設置介電常數。設定完成后，對模型進行仿真計算，得出如圖7所示的電場云圖。

圖7 開關設備電場云圖

對三工位隔離/接地開關的電場強度分析結果進行整理，并與參考資料[1]提供絕緣件場強參考設計標準進行對比見表2，可以看出導體表面、絕緣件表面、SF6氣體內、支撐絕緣件的殼體表面等部位的場強值均不超過參考值，并且具有足夠的設計裕度，新設計方案符合絕緣設計要求。

表2 電場強度分析結果

3 樣機制作與試驗

在完成各項設計后，進行了樣機試制。在試制過程中，設計檢驗工裝對進廠的三工位隔離/接地開關的拐臂、連桿的進行檢驗，保證了安裝孔距的一致性，并采用三坐標儀對外協加工的中間安裝導體進行了關鍵尺寸檢驗；組裝過程中，先完成中間安裝導體的定位、安裝，再按設計方案完成隔離靜觸頭、接地接觸頭的裝配，整個裝配過程的快速而定位準確。

樣機制作完成后，按制定的三工位隔離/接地開關的出廠檢驗要求進行廠內試驗。工頻試驗耐壓滿足試驗要求、同期性滿足設計的技術文件，三工位主軸操作扭矩滿足設計計算，樣機的整機試驗結果與設計要求一致，試驗結果令人滿意。目前，已委托第三方試驗機構按相關的國家標準和行業標準[10-12]進行型式試驗。

通過樣機試制證明，該新型的共箱式三工位隔離/接地開關完全可滿足各項預期設想，具有非常高的易裝配性和可靠性，且機構更加緊湊，完全適應了GIS小型化的需求并可在型式試驗完成后投入市場使用。

4 結論

通過分析某結構形式的126kV三相共箱式三工位隔離/接地開關安裝調試過程的難點，結合國外分箱式隔離開關的優點，提出了一種新的共箱式三工位隔離/接地開關機構設計，并通過模擬計算完成內部結構設計。采用該新型結構，克服了現有產品安裝調整難度大、裝配效率低的缺點，并有效減少了零部件數量；在保證產品整體裝配精度的情況下，提高了勞動生產率并降低了產品成本，取得良好的效果。

[1]黎斌.SF6高壓電器設計[M].3版.北京:機械工業出版社,2010.

[2]陳慈萱,馬志瀛.高壓電器[M].北京:水利水電出版社,1987.

[3]徐國政.高壓電器原理和應用[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4]史麗晨,郭瑞峰.基于MATLAB和Pro ENGINEER的機械優化設計[M].北京:國防工業出版社,2011.

[5]孫靖民,梁迎春.機械優化設計[M].4版.北京:機械工業出版社,2004.

[6]王三民,諸文俊.機械原理與設計[M].北京:機械工業出版社,2000.

[7]張文志,韓清凱,劉亞忠,等.機械結構有限元分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2006.

[8]孫敏,孫親錫,葉齊政.工程電磁場基礎[M].北京:科學出版社,2003.

[9]劉國強,趙凌云,蔣繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析[M].北京:電子工業出版社,2006.

[10]DL/T 486—2010.高壓交流隔離開關和接地開關[S].

[11]GB 7674—2008.額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備[S].

[12]GB 1985—2014.高壓交流隔離開關和接地開關[S].

張永剛（1977-），碩士研究生，高級工程師，研究方向為智能化電氣設備。

The Design of New Three-position Disconnector/Ground Switches

Zhang Yonggang
(Jiangsu Nari Power Electrric Co.,Ltd,Nanjing 211100)

In order to improve the performance of three-position disconnector/ground switches in 126kV three-phase-in-one-tank type GIS,we put forward a new design and introduce the realization method on the basis of analysis the inadequacy of the traditional scheme.Practice shows that the new design method is simple,less number of component parts,easy to assemble and high reliability.It is entirely able to meet the expected requirements of the optimized &miniaturization GIS.

three-position disconnector/ground switches;three-phase-in-one-tank type GIS;optimization design