10kV壓氣式負荷開關優化設計

陳勇皓

（浙江力升彈簧股份有限公司，浙江樂清 325600）

0 引言

FKN12-12 系列戶內交流負荷開關，適用于三相交流50 Hz、12 kV 的供電網絡，用于開斷負荷電流及關合短路電流。開關可配接地刀，也可配高壓限流式熔斷器，組成FKRN12-12D/T125-31.5負荷開關—熔斷器組合電器。它可以靠高壓熔斷器（XRNT-12）開斷短路電流，在配電中用于變壓器前端，保護變壓器。FN12 系列壓氣式負荷開關自進入市場以來，經過多年的推廣，由于性能穩定，逐步代替了FN5、FN7 等系列高壓負荷開關，且用量逐步增加。雖然產品在幾十年內的發展中不斷改進、升級，但是隨著時代的發展，產品仍然需要繼續改進，以適應當前市場及性能的要求。

1 FKN12-12 系列開關

FKN12-12 系列壓氣式負荷開關主要由安裝機架、絕緣件、動靜觸頭部件組件、機構罩組裝、操作機構、接地軸組件、主刀軸組裝、脫扣軸組裝等部件組成。開關的三個靜觸頭位于隔離鐘罩之中，隔離鐘罩依次安裝安裝機架上，三相動觸頭通過主軸帶動實現分、合動作。主軸由裝在安裝機架上的操作機構驅動，通過操作手柄或電機帶動主軸轉動。轉動過程使機構上的合閘彈簧儲能，當主軸轉動到一定角度，合閘掣子與合閘半軸分離，彈簧釋放能量推動管狀動觸頭，使之與靜觸頭緊密結合，實現合閘，同時讓分閘彈簧儲能。分閘時，反向轉動主軸，打開儲能機構上的分閘半軸，釋放分閘彈簧的能量，實現分閘。

2 存在的問題

2.1 動觸頭部件存在的問題

10 kV 開關的總體發展趨勢是朝著智能化、小型化、模塊化的方向發展。FKN12-12 系列負荷開關面市以來，一直都有良好的口碑，但是由于體積較大，動觸頭部件結構復雜，給裝配與調試帶來很多麻煩，也不符合技術發展的趨勢。FKRN12-12 系列負荷開關由于體積大、重量大、結構復雜、零部件多，很難實現自動化，成本也比較高。

2.2 聯鎖功能存在的問題

接地和負荷之間的聯鎖，要求接地合上時，負荷開關不能合；負荷合上時，接地不能合。原來開關在這方面設計有聯鎖，但是由于用戶蠻力操作，經常會破壞聯鎖。雙重及多重聯鎖已在同類開關中推廣使用，FKN12-12 系列開關也需要適應市場需求，作好開關雙重或多重聯鎖，增加一道聯鎖，以防止用戶違規操作帶來的安全隱患。

2.3 安裝機架存在的問題

FKN12-12 系列負荷開關安裝機架有左操和右操之分，兩種安裝架不能通用，增加了生產廠家的機架庫存量。另外，原來的機架各零件之間工裝定位拼裝焊接，各零件之間無相關聯系，完全靠工裝夾具定位，容易發生走位，且工裝復雜笨重，對焊接機架的要求很高，也需要改進。

2.4 滅弧裝置存在的問題

在開斷較大的電流時，滅弧裝置存在一定的缺陷，滅弧不充分，造成電弧灼傷觸頭。動、靜觸頭的灼傷將最終導致燒掉開關。因此，需要改進滅弧裝置，優化引弧觸頭材料，提高開關的滅弧能力，讓開關在任何工況下都能安全可靠運行。

3 優化設計

3.1 動觸頭部件優化設計

動觸頭部件主要由導電管部件和支撐框架兩部分組成（圖1），導電管部件改進前后基本不變，主要對支撐框架進行重新設計。改進前的框架主要由動觸座螺紋套、動觸座、防護罩、護套連接套四部分組成。

圖1 動觸頭結構

以上部件組件是開關的核心，組裝過程復雜，且組裝過程中需要使用專門的工裝夾具，費工費時。針對該問題，對動觸頭結構進行改進（圖2）。

圖2 改進后的動觸頭結構

隨著SMC 成型工藝的成熟，許多在以前不能實現或者實現起來成本很高的工藝，現在都可以實現，降低了制造廠家的生產成本，提高了生產效率。這里主要改動的零件有2 個：鋁支架和框架。鋁支架由原來2 個零件組合成1 個零件，框架集成了防護套、護套、尾翼3 個零件，并在原來的體積上進行縮小。

3.2 安裝機架的改進

目前，FKN12-12 系列負荷開關有FKN12-12/T630-20（不帶接地、不帶熔座）、FKN12-12D/T630-20（帶接地、不帶熔座）、FKRN12-12D/T125-31.5（帶熔座、帶接地）和FKRN12-12/T125-31.5（帶熔座、不帶接地）4 種基本型號，再加上左操、右操，正裝、倒裝的區別，一共有16 種型號。其中，左操和右操的安裝機架生產廠家需要根據客戶需求分別備貨，如果能實現兩種安裝機架的通用，將會大幅減少庫存和運營成本。

為此，本次優化設計將左、右側板的展開關圖進行疊加比較，其中無干涉的部分很好處理，可以直接在左右側板上都增加；有干涉的部分主要是圖3 所示的兩處位置。其中，一處干涉部分是走線用的工藝孔，另一處是輔助開關安裝孔，工藝孔可以移動，這里直接用輔助安裝孔代替，并刪除原來的工藝孔（圖4）。在左、右側板都增加輔助安裝孔，實際安裝時左操的裝在左側，右操的裝在右側。

圖3 左、右側板重合

圖4 優化接地螺孔位置

這樣，可以解決焊接設備接地螺母安裝孔、輔助開關安裝孔相互干涉的問題，使得改進后的安裝機架實現左操、右操通用。

3.3 聯鎖方面的改進

帶電操作接地刀，是絕對禁止的。任何高壓開關設計都會設計好這方面的聯鎖，防止帶電誤合接地刀。FKN12-12 系列負荷開關本身就有一道聯鎖，防止誤合接地刀，但可以通過優化設計，在不增加成本的前提下實現雙重聯鎖，使安全性更強。對接地支撐片進行形狀優化，在原來的接地支撐片上增加尾翼（圖5）。

圖5 改進前后的支撐片

改進后，支撐片和尾翼部分的材料均為Q235 鋼板。按照改進后的設計，要想合接地刀，必須逆時針轉動接地軸，帶動支撐片，使接地刀、接地夾子接觸到位，剛開始轉動接地軸時使尾翼碰到拐臂軸，從而限制接地軸繼續朝逆時針轉動，從而形成第二道聯鎖，實現帶電不能合接地刀的效果。

3.4 滅弧系統的改進升級

滅弧裝置是開關的重要組成部分，高壓設備常見的滅弧裝置主要有真空滅弧裝置、石英砂滅弧裝置、SF6滅弧裝置、壓縮空氣滅弧裝置、金屬柵片滅弧裝置等。FKN12-12 系列壓氣式負荷開關屬于壓縮空氣滅弧。在開關開斷時，將預備好的壓縮空氣利用管引向燃弧區域，壓縮空氣迅猛地吹向燃弧，拉長弧長，增大燃弧區的壓力，使燃弧熄滅，達到快速滅弧的效果。

改進后滅弧裝置系統主要包括靜觸頭部件、導電管部件、導軌和噴嘴。當裝置處于開關合閘時狀態時，靜觸頭固定在鐘罩里面不動，開關由分閘到合閘，導電管沿著導軌向上運動（導軌不動），使導電管與靜觸頭上的觸指充分接觸（觸指由外圈的彈簧抱緊），實現合閘。開關由合閘到分閘時，導電管沿著導軌向下運動，與靜觸頭分開一定距離，實現分閘。

在分閘瞬間，動觸頭與靜觸頭分離，電弧通過引弧針被引導到動觸頭噴嘴區域，噴嘴釋放壓縮氣體，氣流分散離子拉長電弧，同時對電弧產生冷卻作用。在電弧被冷卻的狀態下，氣流隨著動、靜觸頭之間的距離增大而增加，觸頭之間介質的絕緣能力迅速恢復，電弧熄滅。這就是壓氣式負荷開關整個滅弧的過程。

改進升級的滅弧裝置噴嘴采用聚四氟乙烯材料，噴嘴內腔下寬上窄，更符合空氣流動力學結構。滅弧系統的優化主要從滅弧介質壓縮空氣強度和噴射流道3 個方面來進行：

（1）增加導電管內壁的光潔度，保持內壁尺寸均勻，增加活塞環與導電管內壁的密封性，防止分閘時管內壓縮空氣朝反方向泄漏。

（2）改變噴嘴內腔結構和材料，讓壓縮空氣在噴嘴內腔內進一步壓縮，增強其強度，噴嘴材料從聚碳改為聚四氟乙烯，防止噴嘴被燃弧熔化。

（3）重新設計了底座，在底坐上端焊上銅鎢合金，防止產弧點被電弧灼傷。

4 優化效果分析

改進后的開關性能測試結果見表1。

表1 改進前后的開關性能測試

從表1 可知，改進前后開關的機械壽命相差不大，說明改進前后的設計均合理，機械強度滿足要求。在回路電阻方面，改進后的開關回路電阻比改進前降低10 μΩ，性能有所提升，主要原因在于開關結構的優化，動觸頭部件中鋁支架由原來的2 個零件組合成1 個零件，框架則集成了防護套、護套、尾翼3 個零件，從而縮小開關體積、減少聯接點、降低回路電阻。

改進后的安裝機架實現了左右機架通用，總重從原先的19.9 kg 降至16.8 kg，可減少安裝機架庫存量，給生產帶來很多方便，降低成本。在聯鎖方面，主要增加了一道聯鎖。滅弧裝置經過升級后，開關開斷能力顯著提升、穩定性更好，用戶投訴減少。

5 結論

綜上所述，隨著科學技術的發展與需求的變化，電氣產品日新月異。這要求生產技術人員不斷探索，緊跟時代發展的步伐，以創新的思維方式，做符合市場需求的產品設計。在設計開關產品的過程中要始終以產品的性價比為核心，從實際出發，充分考慮制造生產成本、生產效益，以用戶的客觀需求為出發點進行設計改進，結合實際產品優化升級。FKN12-12 系列開關是一款面市較久的產品，不同生產廠家都進行過產品優化，在設計改進過程中可以取長補短，使產品得到最大限度的優化。