一種用于接地開關關合試驗的 氣壓傳動裝置設計

高紀軒 付冠青 夏繼強

（上海電氣輸配電試驗中心有限公司，上海 200072）

0 引言

接地開關是用于將回路接地的一種機械開關裝置，在線路檢修時可以保護人身及設備安全[1]。在異常條件下，高壓開關設備發生帶電關合接地開關的誤操作時，接地開關應能承受規定時間內的短路電流[2]，因此，GB1985—2014中要求E1、E2級接地開關須具備一定的短路關合能力[3]。

接地開關短路關合試驗是驗證接地開關短路關合能力的型式試驗項目。手動式操作的高壓開關柜內，通過檢測人員現場操作試品進行接地開關短路關合試驗。在試驗中因試品質量等問題，有可能發生觸頭燒損、彈跳甚至飛弧等危險，一旦試驗失敗，試品發生爆炸并向殼外噴射火焰、液體、氣體或金屬微粒，將危及檢測人員的人身安全[4-5]。試驗過程中，手動操作試品關合難以精準把控操作時間。關合時刻超前或延遲于試驗斷路器，會導致不能關合電流或者合閘相角不適宜，從而無法關合滿足要求的峰值電流，則選相合閘無法發揮作用，需進行多次關合試驗方能獲取標準中規定的短路關合電流[6]。因此，手動式操作具有危險性高、可靠性差的缺點。

相關資料[7-10]顯示，關于高壓開關柜接地開關操動機構的設計和應用已有眾多學者研究，短路關合的試驗方法也有文獻涉及，在大容量試驗室考慮安全性的手動式開關短路關合試驗用的裝置卻少有文獻討論，因此，本文對短路關合試驗中可代替人工手動操作的自動裝置進行研究。高壓電氣設備常配的氣壓操動機構具有操作功大、電源功率小、適應性強的特點，在抗干擾能力、動作速度和機構穩定性方面表現優異[11-12]，所以本文以壓縮空氣作為動力源，氣缸作為執行元件，借助平面連桿機構設計一種代替人工現場手動操作接地開關關合的裝置，實現遠程控制方式下的接地開關短路關合試驗。該裝置可解決短路關合試驗手動操作安全性低的問題，且裝置穩定性高、時間控制性好、利于合閘相角的調節，可提高試驗效率，更好地滿足標準要求。

1 基本工作原理

手動接地開關的關合依靠操作手柄按規定方向運動一定角度，帶動開關柜內部操動機構進行關合。操作手柄的運動方式為平面旋轉運動，設計的平面連桿機構如圖1所示。

圖1 連桿機構

圖1中，氣缸1為主動件，傳動桿2、操作繩3為從動件，操作手柄4為輸出構件，構件5、6為機架，A、B、C、D、E、F為轉動副，G為移動副。氣壓作用下氣缸1向左伸出活塞桿推動傳動桿2做順時針旋轉運動，同時操作繩3帶動操作柄4也做順時針旋轉運動關合試品。首先對傳動桿進行受力分析計算觸發試品關合的推力，傳動桿受力情況如圖2所示。

由圖2知，傳動桿在氣缸推力的分力F桿作用下順時針旋轉，由BC位置旋轉運動到B′C′位置過程中，旋轉角α先減小為0°，過豎直位置后再增大為α，前后過程對稱。實際工況中觸發角度范圍區間在 10°～45°，考慮工程裕量，取觸發角度為60°時開關觸發關合，即最大旋轉角α=30°。受力關系滿足式（1）和式（2）。

圖2 傳動桿受力情況

對試品操作手柄（圖1中E處）進行受力分析，如圖3所示，受力關系滿足式（3）。

圖3 操作柄受力分析

標準GB 1985—2014《高壓交流隔離開關和接地開關》規定了人力操作的最大力，如5.105.2規定一轉以內操作隔離開關或接地開關所需要的操作力應不大于250N[13]。為保證操作可靠性，本文按最大操作力250N的1.2倍設計動力氣缸推力，即F0=300N。由式（1）、式（2）和式（3）可推導得

按1.1倍工程裕量，取氣缸推力為508.07N。

2 結構部分設計

考慮到不同生產廠家不同類型試品，接地開關操作手柄的長度、運動行程、運動軌跡及受力情況均有區別，因此為了使裝置盡可能適配大多數廠家的試品，本裝置傳動機構基于旋轉運動進行設計。傳動裝置總體結構如圖4所示。

圖4 傳動裝置總體結構

由圖4可知，裝置主要由機構支架、傳動桿、傳動軸及氣動元件構成，觸發電磁閥后，氣缸活塞桿向左伸出推動傳動桿做順時針旋轉運動，同時帶動試品操作手柄向右旋轉關合試品。傳動桿利用杠桿原理將氣缸推力傳遞到繩子端，需要承受一定強度的拉力，鑒于安全性，應具備良好的絕緣性能，選用環氧樹脂材料的環氧棒。繩子與傳動桿經過彈簧扣連接，當操作手柄長度發生變化時，可以通過調節繩子與傳動桿的連接位置改變傳動桿的旋轉半徑，從而實現運動行程的改變。此時操作手柄、繩子、轉動桿仍構成似平行四邊形機構，以保證水平方向的拉力，增強裝置的適配性。傳動桿處連接工位如圖5所示。

圖5 傳動桿處連接工位

傳動機構將直線運動的氣缸和曲線運動的操作手柄連接，保證氣缸做更多的有效機械功。傳動機構部件如圖6所示。

圖6 傳動機構部件

3 動力部分設計

3.1 開關觸發行程計算

根據不同廠家不同類型試品的接地開關，操作手柄r范圍區間在200～500mm，旋轉角度θ范圍區間在0～90°。接地開關觸發角度范圍區間在10°～45°。充分考慮工程裕量，取最大觸發角度為60°， 最大操作手柄長度為500mm；取最小觸發角度為 30°，最小操作手柄長度為200mm。弧長公式為

由式（5）計算得出開關觸發最大行程為523mm，最小行程為105mm。

3.2 氣缸及空氣壓縮機規格選型

根據3.1節中開關觸發行程及推力計算結果，氣缸需要提供較大推力及較長的行程。考慮氣缸運動速度較快，本文選用具備緩沖能力的粗桿緩沖氣缸，用以減小氣缸對裝置的沖擊，動力氣缸參數見表1。

表1 動力氣缸參數

式中：P為壓強；F為推力；S為受力面面積；h為氣缸有效行程；d為受力面直徑（受力面為圓形）；V為氣缸儲氣量。

由式（5）～式（8）推導出產生780N推力所需壓強P為0.389MPa，氣缸儲氣量為0.785L，最低壓強值為0.259MPa。

為了產生不低于0.259MPa的氣壓，空氣壓縮機儲氣罐中存儲的氣體應不低于2.96L。儲氣量為8L的空氣壓縮機，可以維持儲氣量為0.785L的動力氣缸工作6次，滿足標準中要求E2級接地開關具備5次短路關合能力的次數。另外，實際工況中若發生氣缸過載或者電磁閥故障等意外情況，空氣壓縮機產生的最大壓強應不大于氣缸及電磁閥的最大使用壓力，無需為裝置加設氣壓保護回路，從而便于維護檢修。因此本設計所選空氣壓縮機參數見表2。

表2 空氣壓縮機參數

3.3 電磁閥規格選型

本文選用二位五通雙電控電磁閥對氣缸進行雙向控制，實現氣缸的往復運動。考慮接地開關短路關合試驗對開關關合速度的要求，所選電磁閥參數見表3。

表3 電磁閥參數

式中：Q為氣體流量；υ為氣缸運動速度；t為氣缸運動時間。

依據所選氣缸參數及電磁閥流量范圍聯立式（7）、式（9）和式（10）可以計算得出氣缸運動速度范圍為1.32m/s＜υ＜1.74m/s，理論動作時間范圍為205ms＜t＜303ms。

4 短路關合試驗驗證

為了驗證裝置的可行性，用本文設計的裝置對川開電氣有限公司制造的XGW—12（箱式）戶外交流金屬封閉開關設備樣機進行額定短路關合電流5kA、額定短時耐受電流2kA的短路關合試驗，試驗回路如圖7所示。圖7中，1QS為進線隔離開關，2QS為主變二次側隔離開關，1QF為進線斷路器，2QF為保護斷路器，3QF為試驗斷路器，L為電抗器，SP為試品，FY為分壓器，Rogoski coil為羅氏線圈。網絡試驗站進線電壓35kV，試驗回路線電壓12kV，單相回路阻抗值3.4Ω。帶載試驗布置如圖8所示。

圖7 接地開關短路關合試驗回路

圖8 帶載試驗布置

首先，空載情況下進行2次遠控合閘操作，保證裝置及試品等正常動作，再進行帶載遠控試驗。短路關合試驗波形如圖9所示，tA時刻接通電源送電，tB時刻試品關合短路開始，tC時刻切斷電源短路結束。經采集系統得到的裝置動作時間見表4。其中，動作時間為發出關合信號到試品關合的時間，裝置動作最短時間217ms，最長時間223ms，動作時間在理論計算值內滿足要求。本次現場試驗預設關合時刻為248ms，繼電器和接觸器等固定動作時間30～60ms，實際測量關合時刻295.6～297.3ms，最大時間差1.7ms。裝置帶動試品關合過程中，氣缸并非伸出全部行程，而是一定行程時即可觸發試品內部操動機構動作，關合開關。因此，本裝置實際動作時間比理論計算值更短。

表4 裝置動作時間

圖9 短路關合試驗波形

圖9中，Ia為A相電流，Ib為B相電流，Ic為C相電流；Max為最大值，Min為最小值，Peak為峰峰值，RMS為有效值。A、B、C三相電流有效值分別為2.167kA、1.986kA、2.296kA，C相短路關合電流最大值為5.103kA，短路持續時間223.5ms。短路電流的峰值及有效值均滿足標準GB 1985—2014第6.101.5條和DL/T 486—2010[14]第4.101條中對短路關合電流的要求。試驗時檢測人員進行一次預期試驗，根據標準要求調整試驗回路阻抗及合閘相角。試驗過程中調節了一次合閘相角，成功完成2C-x- 2C-y-1C試驗，選相合閘可以有效作用于試驗，并且試驗過程中無需人員進入試驗區。若因試品質量問題導致試驗失敗，向外噴射氣體、液體、火焰或金屬微粒等也不會危及操作人員。

5 結論

本文設計并研制出一種氣壓傳動裝置，實現了遠程控制的接地開關短路關合試驗。經現場試驗驗證，本裝置用于接地開關短路關合試驗可以滿足國家標準要求。該氣壓傳動裝置不僅解決了試驗室人工現場手動操作開關進行關合試驗安全性低的問題，而且可靠性高、穩定性好，有效提高了試驗的安全性和試驗效率，適配于最大操作力不超過250N的高壓手動式開關，具有一定的實用價值。