鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

郭小燕，胡旭喆，朱伯濤

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司培訓(xùn)中心，石家莊 050031；2.河北建投沙河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054100；3.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司邢臺(tái)供電分公司，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概述

高壓斷路器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，操動(dòng)機(jī)構(gòu)是斷路器的主要組成部分，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。

斷路器的分、合閘動(dòng)作是通過(guò)操動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。操動(dòng)機(jī)構(gòu)靠機(jī)械傳遞操作功使斷路器分、合閘。操動(dòng)機(jī)構(gòu)是靠電磁鐵或彈簧儲(chǔ)存能量，能量傳遞至斷路器的動(dòng)觸頭，實(shí)現(xiàn)斷路器的分閘或合閘操作，中間由一系列的傳動(dòng)部件組成，為了能夠?qū)崿F(xiàn)能量的有效儲(chǔ)存、釋放、傳遞，傳動(dòng)部件多數(shù)采用了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。另外，在合閘、分閘的機(jī)械傳動(dòng)回路中，為了實(shí)現(xiàn)合閘、分閘保持的功能，多數(shù)也是通過(guò)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

2.1 組成

將4個(gè)構(gòu)件通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈聯(lián)結(jié)而成的機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)［1］（見(jiàn)圖1），4個(gè)構(gòu)件如下。機(jī)架：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，固定不動(dòng)的構(gòu)件；連桿：機(jī)構(gòu)中不與機(jī)架相連的構(gòu)件；曲柄：與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連且能繞該轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線(xiàn)整圈旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件；搖桿：與機(jī)架用轉(zhuǎn)動(dòng)副相連但只能繞該轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線(xiàn)擺動(dòng)的構(gòu)件。

圖1 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)示意

2.2 死點(diǎn)和死區(qū)

當(dāng)從動(dòng)件上的傳動(dòng)角為零，驅(qū)動(dòng)力對(duì)從動(dòng)件的有效回轉(zhuǎn)力矩為零，這個(gè)位置稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，也就是機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件與連桿共線(xiàn)的位置稱(chēng)為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置［2－4］。

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，取搖桿為主動(dòng)件，曲柄為從動(dòng)件時(shí)，連桿與從動(dòng)件曲柄2次共線(xiàn)的位置。死點(diǎn)的特點(diǎn)是無(wú)論在搖桿上施加多大的驅(qū)動(dòng)力，均不能使從動(dòng)件曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)向不能確定。

如圖2所示，B點(diǎn)位置，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)正處于可以獲得無(wú)窮大機(jī)械增益的機(jī)構(gòu)位置。如果此時(shí)原動(dòng)件為CD構(gòu)件，由于從動(dòng)件AB和連桿BC處于共線(xiàn)位置（即死點(diǎn)位置），則機(jī)構(gòu)將無(wú)法運(yùn)動(dòng)。如果B點(diǎn)位置在外力作用下移至B1點(diǎn)位置，并由其他外力作用使其保持在B1點(diǎn)位置，使B1點(diǎn)不能夠再向下運(yùn)動(dòng)，則B點(diǎn)至B1點(diǎn)的區(qū)間稱(chēng)為死區(qū)，在死區(qū)區(qū)間內(nèi)，即使搖桿CD作用，也不會(huì)使得B1點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，只有在B1點(diǎn)收到向上的外力時(shí)，并在外力作用下越過(guò)B點(diǎn)，這時(shí)，B點(diǎn)才能克服死點(diǎn)位置向上運(yùn)動(dòng)。

圖2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)和死區(qū)

死點(diǎn)和死區(qū)的存在，無(wú)論驅(qū)動(dòng)力有多大，機(jī)構(gòu)都將不能運(yùn)動(dòng)，因此可以起到“鎖緊”作用。而對(duì)于需要連續(xù)動(dòng)作的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如果存在死點(diǎn)或死區(qū)，則對(duì)傳動(dòng)不利，必須避免機(jī)構(gòu)由死點(diǎn)位置開(kāi)始起動(dòng)，同時(shí)采取措施使機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能順利通過(guò)死點(diǎn)位置并使從動(dòng)件按預(yù)期方向運(yùn)動(dòng)。

3 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

高壓斷路器要求操動(dòng)機(jī)構(gòu)具備儲(chǔ)能保持、合閘、保持合閘、分閘、自由脫扣等基本功能。保持系統(tǒng)作用是利用死點(diǎn)或死區(qū)鎖扣裝置使斷路器保持儲(chǔ)能狀態(tài)或合閘狀態(tài)；分、合閘操作是利用破壞死點(diǎn)或利用鎖扣釋放使斷路器合閘或分閘。

3.1 在電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)（CD2）［5］如圖3所示。主軸01是固定的，它與斷路器的傳動(dòng)軸連接，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的拐臂1和主軸01固定連接，3個(gè)尺寸同樣的連桿2、3和4；在軸銷(xiāo)B 上有滾輪11；2個(gè)尺寸同樣的連桿5和6；以及裝有彈簧的鞍架7。拐臂與連桿之間用軸銷(xiāo)連接，連桿4繞著固定軸02轉(zhuǎn)動(dòng)；連桿6繞著固定桿04轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)

如圖3所示，機(jī)構(gòu)在準(zhǔn)備合閘前的分閘位置，此時(shí)連桿5和6的連接點(diǎn)越過(guò)死點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)螺栓8阻止其移動(dòng)，這樣使得軸銷(xiāo)C變成了一個(gè)瞬時(shí)的固定點(diǎn)。

合閘操作：合閘電磁鐵得電，合閘電磁鐵鐵心頂桿10向上，頂住滾輪11。此時(shí)連桿3繞著軸03旋轉(zhuǎn)，借助連桿2和拐臂1，使主軸01旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)斷路器的傳動(dòng)軸使斷路器合閘并保持合閘。當(dāng)滾輪11升起時(shí)，迫使鞍架7向左。合閘結(jié)束后，鞍架7已脫離滾輪作用，在彈簧力作用下，向右返回，頂住滾輪11，使機(jī)構(gòu)保持在合閘位置。

分閘操作：分閘電磁鐵繞組12通電，分閘電磁鐵鐵心頂桿9 向上運(yùn)動(dòng)，使C點(diǎn)脫離死區(qū)，向上運(yùn)動(dòng)，軸銷(xiāo)03 向上移動(dòng)，于是滾輪11從鞍架7 上落下，操動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸01在斷路器分閘彈簧作用下，向著逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，使斷路器分閘。

自由脫扣：當(dāng)斷路器關(guān)合短路故障電流時(shí)，不管合閘命令是否解除，只要接到分閘命令，斷路器都能立刻分閘。如圖4所示，當(dāng)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)接到分閘命令后，即使合閘命令尚未解除，合閘電磁鐵鐵心頂桿10仍向上運(yùn)動(dòng)，但分閘電磁鐵鐵心頂桿9向上運(yùn)動(dòng)，使C點(diǎn)脫離死區(qū)，在連桿4、5、6 的共同作用下，軸銷(xiāo)03向右移動(dòng)，于是滾輪11從合閘電磁鐵鐵心頂桿10上落下，斷路器分閘，即自由脫扣。

3.2 在彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

CT2－XG型彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)［5］如 圖4所 示，軸03－07、010和011均為固定軸，其中軸05 為操動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸。軸04和05間形成四連桿機(jī)構(gòu)。四連桿機(jī)構(gòu)軸06、07，軸03、07和軸010、011都處于死點(diǎn)位置附近，軸09被分閘連桿8鎖住，不能左移。軸08成為機(jī)構(gòu)的臨時(shí)固定軸，在軸04和軸08間形成可以傳動(dòng)的四連桿機(jī)構(gòu)。

合閘彈簧已儲(chǔ)能，當(dāng)A點(diǎn)、02軸和滾子20三點(diǎn)在一條直線(xiàn)上時(shí)，A點(diǎn)處于死點(diǎn)位置，當(dāng)A點(diǎn)繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，使得3點(diǎn)不在一條直線(xiàn)上，這時(shí)，如果沒(méi)有鎖扣3阻擋A點(diǎn)，則A點(diǎn)就會(huì)在彈簧力的作用下，繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，并圍繞02軸做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，從而釋放彈簧能量，也就是說(shuō)鎖扣3實(shí)現(xiàn)了彈簧能量的保持功能。合閘動(dòng)作過(guò)程：一旦合閘電磁鐵1得電，鐵心動(dòng)作，鐵心頂桿推動(dòng)合閘連桿2把鎖扣3的扣接解除，見(jiàn)圖5，連桿4被釋放，使得渦輪5向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在已儲(chǔ)能的合閘彈簧作用下，拐臂6帶動(dòng)杠桿7、拉桿和輸出軸8運(yùn)動(dòng)，于是傳動(dòng)拉桿10向右水平運(yùn)動(dòng)使斷路器合閘。

圖4 CT2－XG 型彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5 合閘四連桿動(dòng)作情況

合閘后，合閘電磁鐵的鐵心頂桿復(fù)位，杠桿7被固定在鎖扣11上，將操動(dòng)機(jī)構(gòu)保持在合閘位置，如圖6所示。

分閘操作過(guò)程：如圖4所示，當(dāng)分閘電磁鐵1得電，鐵心被吸引，頂桿推動(dòng)分閘四連桿機(jī)構(gòu)，連桿2、3、4發(fā)生屈折，連桿5推動(dòng)軸09向左運(yùn)動(dòng)，在斷路器分閘彈簧的作用下，杠桿帶動(dòng)鎖扣、拉桿和輸出拐臂運(yùn)動(dòng)，于是傳動(dòng)拉桿向左水平運(yùn)動(dòng)，使斷路器分閘。

自由脫扣。如圖6所示，當(dāng)斷路器關(guān)合有故障電路時(shí)，在合閘過(guò)程中，當(dāng)接到分閘命令時(shí)，分閘電磁鐵得電動(dòng)作，破壞分閘四連桿的平衡，在分閘彈簧作用下，使得連桿7脫離鎖扣11，實(shí)現(xiàn)自由脫扣。

圖6 分閘四連桿動(dòng)作情況

3.3 應(yīng)用注意事項(xiàng)

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，力的傳遞性好，從機(jī)械方面能夠滿(mǎn)足和實(shí)現(xiàn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)功能，因此，在操動(dòng)機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。但是，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中存在死點(diǎn)和死區(qū)，其相關(guān)聯(lián)部件需要定期進(jìn)行檢查，以保證連桿的可靠動(dòng)作，另外，在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中存在較多桿件和軸銷(xiāo)，在維護(hù)時(shí)要注意加強(qiáng)桿件的變形監(jiān)測(cè)和軸銷(xiāo)的潤(rùn)滑，以保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)能量保持、合閘保持等功能。準(zhǔn)確理解鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)原理，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)部件進(jìn)行及時(shí)維護(hù)檢修，可以減少操動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障率，增強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性，從而保證電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

［1］陳 劍，葛文杰，王軍強(qiáng)，等.平面四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化：學(xué)術(shù)版.2010（5）：23－26，30.

［2］河北省電力公司.變電檢修現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問(wèn)答［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2013.

［3］楊香澤.變電檢修［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［4］國(guó)家電網(wǎng)公司人力資源部.變電檢修［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［5］上海超高壓輸變電公司.變電設(shè)備檢修［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.