10kV戶內真空斷路器儲能彈簧便捷拆裝專用工具的設計與應用

陳昆 胡得圣 王咿燃 尹學兵 何鑫濤

摘要：本文通過詳細闡述了目前真空斷路器因其結構問題在日常維護保養時遇見的有個別拆卸難點問題，對此類難點問題進行，深入化研究，并提出設想與解決方案，最后設計了一款方便、快捷、高效、安全的拆卸專用工具。目前大多數對真空斷路器的這些零部件的拆卸方式都是傳統的撬開方式。通過改進方法，增加對拆卸專用工具的使用，提高了作業人員的工作效率，減少了拆卸工作的時長，保障作業人員的安全性與電氣設備的完整性。對企業的連續生產具有較好的實際應用價值。

前言

真空斷路器是三相交流系統的配電裝置，因其體積小，重量輕等特點要求，被廣泛運用到無油化、操作頻繁以及檢修次數少的工作場所，它可以作為控制和保護發電廠、變電站及工廠、礦產業等大型場所的電器設備。

隨著改革開發的步伐，國家電力技術的高速騰飛，真空短路器的技術也得到了蓬勃的發展。它由過去的幾種型號，經過這近十年翻天覆地的變化，也發展成了擁有數十種型號產品的大家族，并且在質量和技術方面上也得到很大的提升，結構上更加優化，性能更加出色，工作周期更長。為國內的各種用戶提供了良好電器設備保護的服務。

它的工作原理也很簡單，主要是：通過觸頭的特殊形狀，在其電流作用下，會生成一個電磁場;通過電磁場可以消除動靜觸頭分合閘時產生電弧，保護電氣設備的安全運行，不會因其工作產生的電弧發生火災或擊穿電氣設備元件。

本文以真空斷路器中的儲能電機部件作為研究對象，針對日常儲能電機的維護保養中遇到不少拆卸的難點與問題現象，對這些難點問題現象，作深入化的了解研究和技術上的攻關。通過對儲能電機結構特點與儲能彈簧性能進行結構分析，通過對儲能彈簧的特點，解決儲能彈簧難拆卸的問題現象，并可保護儲能彈簧在拆卸的過程中不被損害，特設計了一款可以方便、安全、快捷拆卸儲能彈簧的專業拆卸工具。

一、儲能彈簧便捷拆裝專用工具研究的背景

10kV戶內真空斷路器是通過預先設定好的機械機構運動模式，對交流線路進行自動的開關和重合的動作，可以做到自動復位和閉鎖，并具有控制保護功能的高壓電開關設備。10kV戶內真空斷路器因其顯著特點，它是主網變電站、配網系統中占比最大的電氣設備。而10kV的戶內小車式真空斷路器的儲能電機部件是屬于易損的元器件，需要作業人員經常性的更換。

對儲能電機進行更換的作業中，由于儲能電機的結構設計原理，在拆除儲能電機的過程中，經常會在拆卸時會出現固定在儲能電機上的螺栓被儲能彈簧擋住，而此時儲能彈簧狀態處于完全釋能狀態，彈簧保持處于被拉伸約10mm的狀態，使拆卸作業人員無法正常將儲能電機拆下，只能強行將儲能彈簧撬開到一定的位置，才能將電機的固定螺栓取下。如果多次以此強行方法撬開彈簧，會對彈簧的勁度與彈性產生一定影響，不利于儲能彈簧的有效工作周期。

此外，由于儲能彈簧在正常運行期間，長期處于拉伸狀態，容易產生疲勞變形，使斷路器的機械機構特性出現不合格現象，此時就需要將儲能彈簧，進行拆下重新測試或者更換新的儲能彈簧。

需要對彈簧進行拆卸工作，就必須將儲能彈簧拉伸至儲能機構的主軸不受力狀態下，使其扣環沒有張力，讓扣環處于不受力的自由狀態，才能將儲能彈簧順利拆除移開。彈簧正常工作狀態如圖（1），儲能彈簧拆卸后樣子如圖（2）。

彈簧正常工作狀態圖（1）

儲能彈簧拆卸后樣子圖（2）

通過儲能機構部件的結構原理進行分析，可以發現儲能彈簧工作狀態所處的內部空間很小，可以提供作業人員操作的范圍也比較有限，不利于作業人員的展開工作。

每次作業人員需要對儲能機構進行更換部分元器件、調整三相同期及分合閘速度的時候，就會出現拆卸元件被儲能彈簧遮擋住，不利于作業人員的操作，極大地降低了作業人員工作的效率和提高了更換元件的成本。因為更換元件的時候需要對電氣設備進行斷電處理，而真空斷路器是為了保護高壓電路安全的設備，連鎖反應就會很大深度上影響了企業的連續生產保障。

將儲能彈簧拆下的過程情況中，會因傳統的拆卸方式，與傳統的拆卸工具如螺絲刀等，極其容易產生不利于安全防護的現象。拆卸作業不但工作效率很低，時間周期長，也會存在拆卸的過程中損傷到作業人員及設備的隱患，不利于現場維護保養的要求。

為了解決儲能彈簧難拆卸這一難點問題現象，通過對儲能機構的結構與儲能彈簧的工作原理進行分析，并為了提高作業人員的工作效率，有效地確保作業人員與電器設備的安全，特設計一種新型的安全便捷拆卸儲能彈簧的專用工具。

二、儲能彈簧便捷拆裝專用工具的結構與原理

2.1儲能彈簧便捷拆裝專用工具的結構

儲能彈簧便捷拆裝專用工具是由1彈簧插爪、2左右旋絲杠、3絲杠驅動部分（由棘輪棘爪構成，與棘輪扳手相似，可以做到張緊與開合在同一操作位置）、4含油軸套、5棘輪扳手、6上下封板組成、7導柱。儲能彈簧便捷拆裝專用工具結構如圖（3）所示：圖（3）為儲能彈簧便捷拆裝專用工具拆卸儲能彈簧總裝配圖。圖（4）為儲能彈簧便捷拆裝專用工具結構圖。

儲能彈簧便捷拆裝專用工具結構總裝圖（3）

儲能彈簧便捷拆裝專用工具結構圖（4）

為了能夠有效地將儲能彈簧安全無損地拆卸下來，這款拆裝專用工具在設計上就應具有足夠的強度，保證拆裝專用工具在運動與拆卸中不會產生變形等不良的情況。通過在材料的選取與結構的設計上滿足工作強度的需求，保證拆裝工作的順利進行。

為了符合無損拆裝這一設計要求，在彈簧插爪的設計上也做了不小的改進。彈簧插爪設計平面不是平行性，而是為了配合彈簧的曲線形狀設計成為曲面形態，這樣的設計是為了更好的在儲能彈簧被拆裝時，與儲能彈簧接觸面更大，不讓所有的應力集中到了一條線上，造成儲能彈簧的損傷，做到真正的無損拆裝。保護了儲能彈簧的外觀和它的性能不被破壞。

左右旋絲杠的設計是上端為左旋，下端為右旋，目的是為了保證彈簧插爪可以同時開合運動（或者伸縮運動），并保證導柱傳動的精度要求，左右絲桿的作用相當于動能傳輸部件，保證了動能輸出方向和運動軌跡符合設計要求。

絲杠驅動部分是根據棘輪扳手的原理進行設計，目的是保證一個絲杠驅動操作動作就可以做到上下的彈簧插爪同時進行張緊與開合的動作。并通過齒輪組的結構特點，增加了驅動部分的自鎖功能，使驅動裝置運動到需求部位的時候，不施加外力的情況下，驅動裝置可以通過自身的自鎖功能，將彈簧插爪自鎖在需要張開的部位。絲杠驅動零部件是利用齒輪傳動的特點，保證絲杠驅動傳動的高效性，齒輪組合給整個專用工具運動提供減速比，放大扭矩的作用，屬于整個專用工具的動力裝置。

含油軸套中的含油設計目的是為了保證提高導柱與軸套的耐磨性，軸套是為了保證彈簧插爪與導柱運動的精準度，使其上下運動的一致性。含油軸套在整個專用工具中起到了保證彈簧插爪在運動精度上的作用。

棘輪扳手是人為提供動能的初始裝置，它可以將作業人員對它做的功轉化成專用拆裝工具拆裝的勢能。為了方便作業人員的操作，棘輪扳手內還含螺紋結構，可以通過螺紋連接棘輪扳手桿。通過杠桿力矩的原理，讓作業人員可以輕松轉動棘輪，從而實現這款專用拆裝工具的便捷性能。

上下封板的作用是固定整個專用拆裝工具，并起到保證導柱的精準度，使其與左右絲桿始終保持平行狀態，不會因左右絲桿與彈簧插爪的運動而發生改變。它是整個專用拆裝工具的固定和導向的重要部件。

2.2儲能彈簧便捷拆裝專用工具的工作原理

將儲能彈簧便捷拆裝專用工具上的彈簧插爪按插爪的曲面形態與儲能彈簧形態一致性的方向，自由狀態插入需要拆裝的儲能彈簧里。通過轉動儲能彈簧便捷拆裝專用工具上的棘輪扳手柄，就可以轉動與棘輪扳手咬合的齒輪組，該齒輪在運動后，會將旋轉動能通過與左右絲桿連接，傳動到了左右絲桿上。左右絲桿也隨著一起進行旋轉，通過左右絲桿運動，將儲能彈簧便捷拆裝專用工具上下端的含油軸套與彈簧插爪往導柱的兩端同時運動，這樣就可以完美將旋轉棘輪扳手的動能轉化成了彈簧插爪開合運動的勢能。利用彈簧插爪的打開動作增加的勢能，給儲能彈簧一個向外伸張的張力，抵消了儲能彈簧兩端扣環與螺柱的拉緊力。然后作業人員停止轉動棘輪扳手，驅動部分裝置通過自身的自鎖功能，鎖緊齒輪位置。儲能彈簧的扣環與螺柱之間沒有了拉緊力，作業人員就可以順利將儲能彈簧拆卸下來，或者將儲能彈簧裝上。

這樣的操作既方便，省力，還安全性很高，不會對儲能彈簧造成二次傷害。還有效地保護了作業人員與電氣設備的安全。

2.3儲能彈簧便捷拆裝專用工具設計

儲能彈簧的拆卸在之前一直都是采用傳統的方式撬開，如用螺絲刀插入儲能彈簧里直接用力撬開儲能彈簧的一頭，讓其彈簧扣環與螺柱的拉緊應力相互抵消，彈簧扣環恢復自由狀態后，再將其從電器設備上面拆卸下來。這樣的后果，不但對儲能彈簧和電氣設備都造成不同程度的損傷，還有可能對作業人員造成人身傷害，屬于對元件的有損拆卸行為，不利于元件的重復性利用。

對于儲能彈簧的拆裝一直都是真空斷路器維護保養的難點問題。針對該難點問題現象，并通過對儲能電機的結構深入分析，提出對儲能彈簧拆卸進行無損拆裝的目的要求，特專門設計了這款儲能彈簧便捷拆裝專用工具。

利用儲能彈簧對螺柱扣環的連接方式進行分析，當儲能彈簧處于工作狀態的情況下，儲能彈簧會有一個拉伸力。只有當給這個儲能彈簧在彈簧的中間部分施加一個張力，抵消儲能彈簧兩端扣環與螺柱之間的拉緊力，才能順利地將儲能彈簧取下。針對這一特性，最先設計了一款是通過杠桿傳動原理的拆裝專用工具，這一款工具的工作原理是利用杠桿傳動原理的開合運動原理設計的。其工作運動方式是：通過作業人員單手握住兩根杠桿施加壓力，通過杠桿原理，將彈簧插爪張開，或者收合達到對儲能彈簧中間施加的張力，使儲能彈簧的扣環與螺柱之間的拉力被這一張力抵消，順利地將儲能彈簧拆卸下來。但是該設計方案存在不少的缺點，其一就是當彈簧插爪張開的時候，作業人員不能松開已經握緊的手，其二專用拆卸工具在保持運動的情況下，專用拆卸工具自身的固定性與定位性比較差，而且安全性也不高。

2.4儲能彈簧便捷拆裝專用工具優化

針對上面杠桿原理設計方案產生的問題現象，做出問題的相應分析，并且對拆卸專用工具的優化設計，找到了固定性和定位性比較好的零部件——齒輪組。

齒輪傳動是連續咬合傳遞動能和運動的機械元件，它擁有傳動精度高、適用范圍很廣、工作可靠、適用壽命周期長，傳動效率高，還有可以實現不同軸之間的傳動。并且齒輪組可以提供減速比，放大扭矩等優勢，并通過增加了自鎖功能這一環節，實現單人操作也可以方便快速拆裝儲能彈簧。

通過將齒輪傳動代替了杠桿傳動設計，并增加自鎖功能。不但實現了拆裝工具的固定性好，定位性強，實現了作業人員可以輕松轉動拆裝工具，轉動到指定部位后，就可以通過自身的自鎖功能，固定位置，不出現彈簧插爪倒回現象，有效解決了第一種方案出現的問題;齒輪組的方案設計還可以在工具的整體體積上做了不少的縮小，在結構簡單的同時，還比較美觀，工具的收藏也很方便。從齒輪組設計方案的這些特點上，大大提高了儲能彈簧便捷拆裝專用工具的工作性能和維護保養性。

三、研究項目的應用效果

儲能彈簧便捷拆裝專用工具在實際的應用中，將由原來作業人員需要數分鐘甚至十數分鐘才能拆裝的儲能彈簧，現在通過這款專用工具僅僅只需不到一分鐘的時間，就可以將儲能彈簧安全而又輕松地從電器設備上拆除下來，或者安裝上去，有效地縮短了作業人員的工作時間，并可以進行單人操作，大大地提高了作業人員的工作效率。

因其可以高效快速地更換元件，就可將需要停電維修的時間大大地縮短了，有效地為連續生產提供了保障，減少企業在時間成本上的資源浪費，提高企業的生產效率。

在作業安全方面，因專用工具與彈簧之間的相互卡緊作用，沒有將多余的應力對外釋放，大大保護作業人員的人身安全與設備的安全。讓作業人員擁有一個良好與安全的工作環境。

四、結論

這款儲能彈簧便捷拆裝專用工具的設計原理比較簡單，它的加工工藝也不復雜，很容易加工裝配成型。在使用操作方面也非常簡單方便，不需要經過復雜的人員技術培訓就可以直接熟練使用。真正做到了方便與快捷。

這項專用拆裝工具的設計解決了儲能電機在維護保養檢修時不方便拆裝的難題，大大提高了對儲能彈簧拆裝的工作效率，減少了企業停電時間和對作業人員與設備的安全進行有效的防護，為企業的連續生產和安全生產提供了保障。并通過操作人員的無數次實踐檢驗，證明了該專用拆裝工具的高效性、可靠性與安全性。