10 k V充氣柜專用元器件樣機研制過程方案設計

林勤旭

（廣東正超電氣有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

國家電網、南方電網在配網自動化領域大量采用10 kVSF6絕緣真空斷路器環網柜，SF6絕緣真空斷路器環網柜是一個集合SF6絕緣技術、密封技術、真空開斷技術、激光焊接技術等技術相對密集的產品。通過市場調研，比較分析主流配網自動化元器件生產廠家的真空斷路器，由于市場競爭激烈，部分廠家強調低成本制作，零部件制造質量參差不齊，最終造成斷路器使用性能不可靠或者達不到相關標準與用戶要求。本文通過分析影響斷路器性能的關鍵零部件，尋找一種使用性能穩定、可靠的SF6絕緣真空斷路器、三工位隔離接地開關的技術方案。

1 斷路器本體部分方案

1.1 真空滅弧室

真空滅弧室是真空斷路器最關鍵零件[1]。通過對目前國內主流的真空滅弧室產品進行比較分析，樣機選擇國內口碑較好的陜西寶光公司的產品，對應ZN口-12/630-20選擇寶光的TD31-12/630-20D，ZN口-12/630-25（圖1）選擇寶光的TD31-12/630-25K。TD31-12/630-25K對開關機械特性的需求主要有：觸頭開距為（8.5±1）mm，平均分閘速度（觸頭閉合位置～75%開距）為（1.2±0.2）m/s，平均合閘速度（30%～觸頭閉合位置）為（0.7±0.2）m/s，額定觸頭壓力為（2 000±200）N，觸頭初壓力為（1 400±100）N等。這兩種真空滅弧室的外形安裝尺寸是一樣的，因此開斷20 kA斷路器和開斷25 kA斷路器的大部分零部件可以通用，只需要更換真空滅弧室，通過調整就可以互換產品，大部分零部件都是按照滿足25 kA的性能要求進行設計。

圖1 ZN口-12/630-25真空斷路器結構圖

1.2 觸頭彈簧

觸頭彈簧也是關鍵零件。為了保證斷路器合閘的可靠性，必須保證合閘狀態下，其觸頭彈簧壓力等于額定觸頭壓力（2 000±200）N。通過計算，設計了一款剛度為200 N/mm的矩形彈簧，彈簧長度為40 mm，外徑為35 mm，內徑為18 mm，材料為矩形3.5 mm×8.5 mm。觸頭彈簧在超行程階段起作用，對剛分速度有比較大的影響[2]，適當加大觸頭彈簧的剛度和超行程可以提高剛分速度，從而提高斷路器的開斷能力[3]。斷路器的設計超行程為（3±1）mm，所以對應合閘狀態下觸頭彈簧長度為（30±1）mm，分閘狀態下觸頭彈簧長度為（33±0.5）mm；對應額定開斷電流20 kA的真空滅弧室TD31-12/630-20 D，其額定觸頭壓力為（1 600±200）N，觸頭初壓力為（1 000±100）N，所以對應斷路器合閘狀態下觸頭彈簧長度為（32±1）mm，分閘狀態下觸頭彈簧長度為（35±0.5）mm。

經過分析，有3種方法可以實現20 kA斷路器與25 kA斷路器的互換。

（1）對應兩種不同斷路器選用不同剛度彈簧，開斷20 kA的斷路器選用剛度200 N/mm的彈簧，開斷25 kA的斷路器選用230 N/mm剛度的彈簧，彈簧長度40 mm不變，可以用兩種不同顏色區分，避免混淆。這種方法的優點是其他安裝尺寸不用調整。

（2）選用同一種剛度200 N/mm的彈簧，開斷25 kA的斷路器在彈簧支架處加一個2 mm的墊片，這種方法的優點是不用調整真空泡的高度，其參數開距、超行程也沒有變化。

（3）選用同一種剛度200 N/mm的彈簧，開斷25 kA的斷路器通過抬高真空泡的高度，把超行程加大到3.5 mm左右來滿足其觸頭壓力要求。這種方法比較麻煩，有特制工具調整，還需要操作者特別培訓，否則一不小心會將真空泡扭壞，造成損失。

通過樣機不斷試驗得知，第2種方法比較好，制定了技術方案，為后來小批量生產做鋪墊。

1.3 凸輪

決定斷路器機械特性的關鍵零件是凸輪。通過分析，樣機試制專門采用兩種材質的凸輪做對比，一種是鑄鋁鋅材質，另一種是鑄鋼材質。鑄鋁鋅材質的凸輪表面粗糙度容易達到1.6，凸輪溝槽表面相對光滑，與滾子摩擦力相對小一點，所以運動變得相對輕松，但其表面硬度相對小，由于滾子材質是中碳鋼，相對較硬，所以磨合過程凸輪溝槽容易磨損。鑄鋼材質的凸輪表面硬度與滾子材質是一樣的，硬度也一樣，比較耐磨，缺點是表面粗糙度需要通過機加工才能達到1.6，溝槽尺寸、六角方孔尺寸、兩邊外圓尺寸都需要機加工來控制，零件加工工序多帶來了成本較高的問題，采用精密鑄造成本更高。通過樣機驗證得出結論，對于20 kA斷路器，由于觸頭壓力小，可以采用鋁鋅材質凸輪，因為其制造精度相對高些，溝槽表面光滑與滾子之間的摩擦力相對小點，機構分擔相對輕些，可靠性更好；而對于25 kA斷路器，采用鑄鋼材質凸輪可能會耐用一些，因為表面硬度高，不容易破壞。

2 三工位隔離接地開關部分方案

2.1 三工位開關位置

三工位開關的位置有2種：一種是上三工位隔離開關[4]，也稱為母線側三工位隔離開關，其位置在母線與斷路器之間起連接、隔離、接地作用；一種是下三工位隔離開關，也稱為線路側隔離開關，其位置在斷路器與電纜之間起連接、隔離、接地作用。現在南網充氣柜一般都要求采用下三工位隔離接地開關，E2級接地開關技術指標有關合50 kA/5次和63 kA/5次兩種，所以樣機采用下三工位隔離接地開關方案。接地開關關合短路電流的決定因素主要是剛合速度和導體截面積以及耐高溫。通過比較不同廠家相似元器件的測試數據其中地刀關合速度得出結論：德通型4.93 m/s，振泰型5.57 m/s，試驗樣機5.87 m/s。這種接地開關速度達到5.87 m/s左右，在經驗值大于5 m/s以上，所以這種結構理論的關合性能是可靠的。ZN口-12/630-25三工位隔離接地開關結構圖如圖2所示。

2.2 一次導電回路方案

（1）觸刀旋轉靜支座銅排，上支架銅排可以用現有尺寸40 mm×8 mm，這兩種銅件都有一個17.5 mm六角螺栓頭沉2.5 mm孔需要特殊加工。

（2）關鍵零件。最理想是觸刀片刀口耐燒部位采用燒結鎢銅合金工藝，而2個凸臺是紫銅的，需要定制模具，供應商一般會要求1萬件以上的量才肯做，成本很高，周期一般3個月，這個供貨周期對現在配網工程來說太長。對于關合50 kA短路電流，用尺寸25 mm×6 mm，對于關合63 kA短路電流的增加截面積，用尺寸25 mm×8 mm。現在寶光精工有一種現成模具25 mm×8 mm，基本按照樣機設計的圖紙ZCSF-PDB-SGW-CD003（銅鎢點）制作，除了銅鎢位置（圖紙銅鎢位置是在倒圓弧部位，實物是2個凸點）。基材T2Y，2個凸點是銅鎢（鎢60）[5]焊接上去，表面鍍銀6μm，價格930元，這個價格有待市場確認。不過，為了滿足用戶的高參數、高性能需求，有時候是必須做的。

（3）對于接地關合63 kA的接地支座，主回路靜支座截面積都加大，同時都鑲嵌銅鎢點，這個成本同樣會比普通純T2Y材料高很多。

（4）接地匯流銅排規格。按照標準計算[6]，對應耐受電流20 kA選用40 mm×4 mm，對應耐受電流25 kA的選用40 mm×6 mm。另外接地端還需要再連接到氣箱，氣箱外面一直連接到整柜前面的匯流排，以保證接地回路的連續性。

（5）框架及支座絕緣件剛度夠用，選用現在尺寸，關鍵是控制生產工程工藝，對關鍵部位尺寸嚴格把關。例如⊥度控制在0.1 mm，相中心距控制在±0.5 mm，靜觸座水平高度一致性，調節觸頭壓力等。

（6）關鍵零件之滅弧柵。負荷開關滅弧柵鋼片材料是1.5厚10#，主要是保證無磁，支架是玻璃纖維增強聚碳酸酯（玻璃纖維含量10%）。對接地關合63 kA的滅弧柵片數量增加3～5片[7]。

圖2 ZN口-12/630-25三工位隔離接地開關結構圖

（7）關鍵部位。為了滿足開關短時耐受電流和峰值耐受電流試驗要求[8]，經驗值是保證觸頭壓力在350 N左右，觸刀采用碟簧+卡環/螺母緊固，同樣旋轉軸處采用相同方案。現在市面上同行廠家大部分還是采用普通壓簧，成本低，但是大壓力下容易疲勞損壞，性能打折扣。

（8）旋轉塑料拐臂之間連接采用鋁銷+特殊卡環，不用塑料銷。

3 斷路器機構與三工位開關機構

斷路器與三工位開關機構采用興機電器有限公司合作改進的產品。通過長期對樣機進行磨合試驗，發現問題及時進行分析，共同探討改進方案，在后續合作中采用性能更可靠的產品。例如樣機壽命試驗時發現磨損嚴重的4種零件需要采取措施解決，包括儲能軸上鍵槽、掛簧拐臂上鍵、輸出連板、銷（2種）。

解決措施：輸出連板加軸套來增加受力面積，以減小對孔邊的沖擊，不會容易變成橢圓孔，儲能軸上鍵槽、掛簧拐臂、銷則在零件制造過程加強控制，嚴格把關熱處理后零件硬度要求，通過改進后，試驗證明效果明顯。

4 結束語

本文通過對充氣柜專用斷路器整體及零部件進行合理設計計算，以及對斷路器性能起關鍵作用的零件和易損件的改進，制作樣機反復不斷地試驗、驗證，合作廠家之間長期溝通、共同探討、解決技術難題，不斷提高斷路器使用可靠性，從而提高產品競爭力。