高壓氣動隔離開關操作機構設計

沈 文，李治軍，鐘積科

高壓氣動隔離開關操作機構設計

沈 文，李治軍，鐘積科

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

操作機構是隔離開關傳動執行的重要部件，其可靠性直接影響隔離開關的正常合閘與分閘。本文提出了一種高壓氣動隔離開關，對其氣動操作機構進行了設計，提出了幾種氣動回路方案，對方案的優劣進行了比較分析與優化，可為類似結構隔離開關操作機構的設計提供一定的參考。

高壓 隔離開關 氣動回路 電磁閥

0 引言

隔離開關是高壓開關電器中使用最多的一種電器，其主要作用是在需要檢修的部分和其它帶電部分之間形成足夠大且明顯可見的斷口以保證檢修工作時的安全[1]。近年來，國內廠家不斷借鑒國外隔離開關產品的生產經驗，縮短了與國際產品的差距，部分超高壓隔離開關設備產品國產數量已經超過進口，但與國際先進水平的產品差距仍然較大[2]。隨著電器試驗室和電站對隔離開關耐受短路電流能力要求不斷提高，國內高壓隔離開關設備在技術參數、質量性能方面仍有較大改進的空間[3]。因此，新型氣動隔離開關的應用研究具有十分重要的意義。

本文所研究的高壓氣動隔離開關簡化模型如圖1所示，主要由觸頭組件、操作機構和底座組成。其中觸頭部分主要由動觸頭板、靜觸頭座和觸指等組成；底座部分主要由框架支座和絕緣子等組成；操作機構部分主要由氣缸、連桿、轉軸、軸套等組成。操作機構采用氣動操作機構，可實現遠程操控隔開開關動作；氣缸與動觸頭板采用曲軸連接來實現合分閘操作。操作機構最大的要求就是保證隔離開關準確動作，為確保設備安全和人身安全，設計的操作機構應能準確定位，在開關動作到位時準確反饋運行狀態[4]。

本文對該隔離開關氣動操作機構的開距、轉角以及傳動桿系在結構上進行了設計分析，并在兩種不同氣動回路方案的優劣進行對比分析后，對氣動回路方案進行了優化，使隔離開關運行更加可靠。

1 操作機構設計

1.1 開距轉角計算

對本隔離開關操作機構的主要要求為開距，如下圖2所示，開距為，若及尺寸已知，則可得出開距與轉角的關系式為：

圖2 開距示意圖

測量本隔離開關參考樣機可得=460 mm，=60 mm（約為250 mm），轉角及對應的開距由公式(1)計算結果見下表1。

表1 轉動角度對應的開距

由表1可知，開距為250 mm時，則動觸刀轉動角度應該為40°，若增大開距到300 mm，轉動角度為48°。以下按照初始開距為250 mm，轉角為40° 計算。

1.2 傳動桿長度確定

如圖1所示，將三個傳動桿分別標為桿1、桿2、桿3，其中桿1與氣缸組成桿系A、桿2和桿3組成桿系B。

根據開距反推其他桿的長度。桿系B中，已知桿2最終轉角超過豎直后10°，動觸刀初始狀態處于水平，動觸刀轉動40°，另動觸刀支點到中轉點距離為225 mm。若設置桿2長度為150 mm，通過計算可知，桿2轉角為94.35°，桿3長度為632.28 mm。由于轉角過大，需對桿2長度進行略微調整，取桿2長度為200 mm，桿3為580 mm，得到桿2轉角為80.92°，動觸刀轉角為43.18°，由公式（1）可得開距為276.4 mm，符合要求。

對于桿系A，目標值為在氣缸的推動下，氣缸由初始位置達到最終位置時，桿1轉動角度應與桿2轉動角度相同，為 80.92°。已知氣缸壓縮時，氣缸長度為660 mm，氣缸伸長時長度為960 mm，氣缸初始狀態安裝角為15°以保證正常工作。經過計算得到桿1長度為234.76 mm，對桿1長度進行圓整，取240 mm，得到氣缸初始安裝角為16.6°。

至此，傳動桿數據已經分析完成，所確定尺寸如下表2所示：

表2 操作機構尺寸

2 氣動回路方案

2.1 氣動回路方案一

氣動回路方案一如圖3所示，主要由氣缸、單向節流閥、三位五通電磁閥及氣源組成。該氣動回路方案可分為三個正常狀態及不同故障模式，分別如下：

圖3 氣動方案一

保持態：氣源提供壓縮氣體，經過單向閥進入三位五通電磁閥，該電磁閥為雙電控式，若電磁閥兩邊未通電，即處于圖1所示的保持態，壓縮氣體不能通過電磁閥，氣缸內部氣體也不能排除，此時處于保持態，動觸刀長期閉合或者分開狀態時，電磁閥應處于此狀態。此時，電磁閥斷電也不會造成事故。

分閘：若電磁閥左端通電（分閘過程中保持通電），此時隔離開關由保持態轉換為分閘狀態，分閘狀態氣動回路動觸刀速度可通過可調單向節流閥調節。合閘完畢后，通過接近傳感器感知并反饋給電磁閥，電磁閥右端斷電，分閘完畢，電磁閥由分閘狀態恢復到保持態，動觸刀處于并保持于分開狀態。

合閘：動觸刀處于分開狀態，且電磁閥處于保持態，若需要進行合閘，則對電磁閥右端進行通電（分閘過程中保持通電），氣動回路進入合閘狀態，氣缸到位后接近開關感知并給電磁閥斷電，電磁閥恢復到保持態，動觸刀處于并保持于閉合狀態。

斷電斷氣故障：斷電斷氣時，不管出于何種狀態，電磁閥會恢復到保持態，氣路氣體阻塞，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前面斷氣保持原位要求。

斷電不斷氣故障：斷電不斷氣時，不管出于何種狀態，電磁閥會恢復到保持態，氣路氣體阻塞，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前文所述斷氣保持原位要求。

斷氣不斷電故障：當處于保持態時，氣泵斷氣，由于氣路氣體阻塞，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前面斷氣保持原位要求。

當隔離開關進行分閘時，電磁閥不斷電、氣泵斷氣，電磁閥仍處于打開狀態，由于設置單向閥，氣缸仍不動作，符合斷氣保持原位，故系統安全。

當隔離開關進行合閘時，電磁閥不斷電、氣泵斷氣，電磁閥仍處于打開狀態。

2.2 氣動回路方案二

方案二與方案一的區別在于電磁閥不同。如圖4所示，方案二采用雙電控兩位五通電磁閥，該閥工作原理在于有兩個位置，無保持狀態。

分閘狀態：電磁閥左端給電（瞬時通電即可，無復位彈簧，斷電后保持通電前原位），左端導通，氣缸動作，開始分閘，分閘到位后，所有部件保持原態。

合閘狀態：電磁閥右端給電（瞬時通電即可，無復位彈簧，斷電后保持通電前原位），右端導通，氣缸動作，開始合閘，合閘到位后，所有部件保持原態。

圖4 氣動方案二

斷電故障：由于電磁閥是瞬時通電，斷電對電磁閥動作不影響。

斷氣故障：當左端接通時，斷電斷氣，電磁閥保持左端接通，由于有單向閥，氣缸及動觸刀無任何動作，符合前面斷氣保持原位要求；

當右端接通時，斷電斷氣，電磁閥保持右端接通。

2.3 兩種氣動回路方案對比分析

兩種氣動回路方案的差異是由電磁閥帶來的，因此各自氣動回路具有各自的特點。

1）方案一

優點：電磁閥是三位，在長期閉合或分開時有自鎖功能。

缺點：電磁閥在運行時需一直保持通電

2）方案二

優點：二位電磁閥結構簡單，瞬時通電。

缺點：不管在何種狀態，氣路一直處于接通狀態，供氣設備一直處于供氣中，對壽命有影響。

2.4 氣動回路方案改進

結合前兩個方案的優點，對氣動回路進行了優化，設計了一種方案三(圖5所示)，能夠很好的實現所要求的各種斷電斷氣故障的保護措施。

分閘：若電磁閥左端通電（分閘過程中瞬時脈沖即可），此時隔離開關轉換為分閘狀態，分閘狀態氣動回路兩位兩通氣動閥在氣源有一定壓力時處于接通狀態，動觸刀速度可通過可調節流閥調節。

合閘：若電磁閥右端通電（合閘過程中瞬時脈沖即可），此時隔離開關轉換為合閘狀態，合閘狀態氣動回路兩位兩通氣動閥在氣源有一定壓力時處于接通狀態，動觸刀速度可通過可調節流閥調節。

圖5 氣動回路方案三

斷電故障：由于電磁閥是瞬時通電，斷電對電磁閥動作不影響，系統安全。

斷氣故障：當氣源斷氣時，兩位兩通氣動閥會自動關閉，氣缸內氣體量不變，氣缸不動作（無負荷或小負荷時），系統安全。

3 總結

本文提出一種高壓氣動隔離開關，對其結構組成作了簡單介紹，并對其操作機構及氣動回路進行了設計分析。

操作機構采用氣動操作，可實現遠程操控，氣缸與動觸板采用曲軸連接，在短路電流發生時能確保觸頭靜觸板和動觸板的接觸處于最佳狀態，提高開關的動熱穩定水平；連桿機構分閘位采用過死點方案，對比機構分閘不過過死點方案，使氣缸斷氣時，不會因為自重而導致錯合閘，結構更加可靠。

[1] 邵淑敏, 張英杰, 賈華景, 等. 12 kV 環保充氣柜用三工位隔離開關操作機構的研發[J]. 高壓電器, 2019, 55(9): 236-240.

[2] 齊炳利, 孟忠, 王宇弛, 等. 800 kV高壓交流隔離開關研究開發[J]. 高壓電器, 2012, 48(4): 46-53.

[3] 鐘振蛟. 國產高壓交流隔離開關的發展和向特高壓的跨越[J]. 高壓電器, 2007, 43(4): 265-268.

[4] 張艷曉, 張杰, 趙成, 等. 雙凸輪組合定位的三工位隔離開關電動操作機構研究[J]. 高壓電器, 2018, 54(4): 211-215.

Design of the operating mechanism for the high-voltage pneumatic isolating switch

Shen Wen, Li Zhijun, Zhong Jike

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564.1

A

1003-4862（2022）06-0049-04

2021-09-30

沈文（1989-），男，工程師。研究方向：直流斷路器。E-mail:549601989@qq.com