具有重合閘功能的塑殼斷路器電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

陳咸

摘要：低壓配電網(wǎng)智能化的發(fā)展要求塑殼斷路器具有自動(dòng)重合閘功能，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)不但要能實(shí)現(xiàn)正常情況下斷路器的再扣與合閘，還要能在應(yīng)急情況下實(shí)現(xiàn)手動(dòng)合閘功能。本文實(shí)例分析了3種電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)示意圖講述了它們的工作原理，通過運(yùn)動(dòng)仿真分析了它們的受力狀態(tài)，為進(jìn)一步提高電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：塑殼斷路器；重合閘；電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)；手動(dòng)模式；電動(dòng)模式

塑殼斷路器增加重合閘電動(dòng)機(jī)構(gòu)是源于中國的農(nóng)村電網(wǎng)改造，由于多方面原因，農(nóng)村電網(wǎng)相較于城市電網(wǎng)而言，線路質(zhì)量差，傳送距離遠(yuǎn)，用電用戶較分散。在實(shí)施三級(jí)漏保農(nóng)村電網(wǎng)改造的過程中，頻繁的漏電跳閘給供電部門帶來了沉重的維護(hù)壓力，在剩余電流保護(hù)斷路器上增加電動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘功能成功解決了供電部門面臨的問題。塑殼斷路器從增加漏電保護(hù)模塊變成一種半自動(dòng)保護(hù)器件，再到增加電動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制器變成一種全自動(dòng)保護(hù)單元，應(yīng)用在偏遠(yuǎn)、無人值守的場所，必然對(duì)整個(gè)全自動(dòng)保護(hù)器件的可靠性、穩(wěn)定性提出更高的要求。

塑殼斷路器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，即使在添加漏電保護(hù)模塊變成剩余電流保護(hù)斷路器，無論從技術(shù)還是從生產(chǎn)、工藝、檢驗(yàn)都已經(jīng)相當(dāng)成熟，但塑殼斷路器內(nèi)部增加電動(dòng)機(jī)構(gòu)的歷史并不長。從簡單的電動(dòng)機(jī)構(gòu)到能兼顧手動(dòng)的電動(dòng)機(jī)構(gòu)，再到能單獨(dú)手動(dòng)操作的電動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)電動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求隨著市場的不斷擴(kuò)大、用戶認(rèn)知的不斷提升而提出了更高的要求。在塑殼斷路器內(nèi)部增加電動(dòng)機(jī)構(gòu)與在外部加裝電操模塊不同，當(dāng)外部電操模塊損壞時(shí)可以單獨(dú)更換，但內(nèi)部電動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題就會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的可靠性與客戶認(rèn)識(shí)度，因此，電動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性很大程度影響著整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性。本文結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)幾種電動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，為進(jìn)一步提高電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性提供參考。

1 電動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路與理論分析

因塑殼斷路器是配電保護(hù)電器，它的操作機(jī)構(gòu)采用四連桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)回路中出現(xiàn)短路或過載故障時(shí)，脫扣器觸發(fā)操作機(jī)構(gòu)牽引桿，由操作機(jī)構(gòu)帶動(dòng)斷路器自動(dòng)跳閘。而斷路器如果需要重新合閘，必須通過推動(dòng)斷路器操作機(jī)構(gòu)的杠桿，先再扣，再合閘，才能完成整個(gè)過程。當(dāng)通過電動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器的再扣、合閘時(shí)，一般將減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過連桿或凸輪轉(zhuǎn)換為杠桿的前后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)配合斷路器的狀態(tài)檢測，實(shí)現(xiàn)減速電機(jī)的啟動(dòng)與停止。

正常情況下，斷路器通過電動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)重合閘操作；應(yīng)急情況下，為了保證用戶的正常用電，就必須通過手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)斷路器的重合閘，因此，電動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)不但要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)操作的可靠性與穩(wěn)定性，還必須實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作的可靠性與便捷性。

電動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速電機(jī)一般通過連桿與斷路器操作機(jī)構(gòu)的杠桿相連，手動(dòng)操作時(shí)，如果直接推動(dòng)杠桿，杠桿會(huì)帶動(dòng)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，操作比較費(fèi)力；如果通過另外的減速齒輪來轉(zhuǎn)動(dòng)減速電機(jī)，再由減速電機(jī)通過連桿帶動(dòng)杠桿前后運(yùn)動(dòng)，則相對(duì)省力，但操作過程手感差，客戶體驗(yàn)不佳。因此，優(yōu)選方案是手動(dòng)操作時(shí)通過離合裝置將連桿與減速電機(jī)分離，操作者只需克服斷路器自身操作機(jī)構(gòu)的力來完成合閘過程，而電動(dòng)操作時(shí)，離合裝置將連桿與減速電機(jī)重新嚙合，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作與電動(dòng)操作的自由轉(zhuǎn)換且互不干擾。

2 電動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)例分析

隨著國家對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)改造的不斷投入，國家電網(wǎng)公司招標(biāo)力度的加大，國內(nèi)很多公司根據(jù)自己的思路開發(fā)出不同的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，但基本上都有手動(dòng)與電動(dòng)兩種操作模式。結(jié)構(gòu)上有的不帶離合裝置，直接用一組齒輪減速裝置轉(zhuǎn)動(dòng)減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)重合閘；有的帶離合裝置，轉(zhuǎn)換后能夠?qū)p速電機(jī)脫離，通過操作斷路器手柄實(shí)現(xiàn)合閘；我們的設(shè)計(jì)方案采用多連桿結(jié)構(gòu)，并在其中一個(gè)連桿上增加離合裝置，手動(dòng)操作時(shí)，斷開減速電機(jī)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)連桿帶動(dòng)手柄進(jìn)行再扣、合閘；電動(dòng)操作時(shí)，通過減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過連桿帶動(dòng)手柄進(jìn)行重合閘操作。

2.1 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)1

圖2為電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)1的結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒有離合裝置，在電機(jī)輸出軸上配置有一個(gè)大齒輪，并把它作為偏心輪使用，通過連桿與塑殼斷路器的杠桿連接，與杠桿相連的連桿端部設(shè)計(jì)有腰孔，因杠桿的運(yùn)動(dòng)方向與電動(dòng)機(jī)構(gòu)連桿的運(yùn)動(dòng)方向不在同一平面，通過腰孔為連桿提供較大的間隙，防止連桿在電動(dòng)過程中受到扭力影響。在手動(dòng)操作時(shí)，則直接轉(zhuǎn)動(dòng)布置在大齒輪旁的小齒輪，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，就能完成斷路器的再扣、合閘操作。

圖3是電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)1的仿真模型圖，僅保留了與電動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的零件，圖4是通過運(yùn)動(dòng)仿真輸出的關(guān)于斷路器操作機(jī)構(gòu)杠桿（圖4中虛線）與電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)大齒輪（圖4中實(shí)線）的受力曲線圖。由曲線圖可以看出，斷路器操作機(jī)構(gòu)再扣前，杠桿受力持續(xù)增大；合閘時(shí)，杠桿過死點(diǎn)前受力變大，過死點(diǎn)后，杠桿受力有小幅陡降。從大齒輪的受力曲線可以看出，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中它分成了兩段，再扣過程受力逐步加大，再扣后力值突降為0，合閘時(shí)受力相對(duì)于再扣時(shí)小，杠桿過死點(diǎn)后，大齒輪受力又突降為0，這種力值的變化反映出大齒輪在再扣與合閘過程中受到了沖擊。因此，采用手動(dòng)操作時(shí)通過小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪，除了要克服減速電機(jī)的運(yùn)動(dòng)阻尼，還要承擔(dān)斷路器操作機(jī)構(gòu)在再扣與合閘中產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)沖擊。

2.2 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)2

圖5為電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)示意圖，它擁有一套簡單的離合裝置。電動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)，小齒輪與電機(jī)的輸出軸連接，電機(jī)固定在連桿上，連桿可以繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿的末端通過偏心輪控制連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，連桿轉(zhuǎn)動(dòng)位置的變化帶動(dòng)齒輪與齒條的嚙合與分離。當(dāng)需要手動(dòng)操作時(shí)，先旋轉(zhuǎn)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)連桿將齒輪與齒條分開，然后操作斷路器手柄，實(shí)現(xiàn)斷路器的再扣與合閘。這種電動(dòng)機(jī)構(gòu)的離合裝置較簡單，手動(dòng)模式時(shí)，操作斷路器手柄不受減速電機(jī)阻尼的影響。

圖6是電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)2的仿真模型圖，僅保留了與電動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的零件，圖7是通過運(yùn)動(dòng)仿真輸出的關(guān)于斷路器操作機(jī)構(gòu)杠桿（圖7中虛線）與電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)小齒輪（圖7中實(shí)線）在整個(gè)再扣與合閘過程中的受力曲線圖。機(jī)構(gòu)杠桿的受力曲線與圖4中的基本一致，而電動(dòng)機(jī)構(gòu)小齒輪的受力曲線起伏稍小一些，這是由于齒條在前后運(yùn)動(dòng)時(shí)有支架作為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，同時(shí)，齒條與小齒輪的配合間隙小，運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊相對(duì)小一些。

2.3 電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)3

圖8是我們?cè)O(shè)計(jì)的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)示意圖，它采用了不同于前兩種思路的結(jié)構(gòu)，電機(jī)橫臥在斷路器手柄的右側(cè)，電機(jī)輸出軸與“幾”字形連桿連接，“幾”字形連桿上方通過直連桿與斷路器手柄相連。電動(dòng)操作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)“幾”字形連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過直連桿帶動(dòng)斷路器機(jī)構(gòu)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)斷路器的再扣與合閘操作。手動(dòng)操作時(shí)，斷開“幾”字形連桿與電機(jī)輸出軸之間的離合裝置，通過外置工具轉(zhuǎn)動(dòng)“幾”字形連桿，同樣實(shí)現(xiàn)斷路器的再扣與合閘。

圖9是電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)3的仿真模型圖，僅保留了與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的零件，圖10是通過運(yùn)動(dòng)仿真輸出的杠桿受力扭矩曲線（圖中虛線）及電機(jī)輸出軸的受力扭矩曲線（圖中實(shí)線）。3個(gè)仿真模型中的斷路器機(jī)構(gòu)參數(shù)一致，因此，3個(gè)斷路器操作機(jī)構(gòu)杠桿受力曲線基本一致，然而，3個(gè)電機(jī)輸出軸受力曲線卻差異較大，圖10中的曲線接近于一條直線，電機(jī)輸出軸處的扭矩不但峰值小且變化不大，說明電機(jī)在整個(gè)斷路器再扣與合閘的過程中受到的力小，且沖擊也小，有利于提高電動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命。

3 電動(dòng)機(jī)構(gòu)的總結(jié)

隨著分布式光伏電站的不斷推廣，越來越多的光伏并網(wǎng)斷路器要求具有自動(dòng)重合閘功能，它們特殊的安裝條件和使用環(huán)境要求斷路器的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)能夠滿足高機(jī)械壽命、高可靠性要求。

上述3種電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)都能夠?qū)崿F(xiàn)斷路器的電動(dòng)重合閘及應(yīng)急情況下的手動(dòng)重合閘，第1種電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)因不帶有離合裝置，在手動(dòng)操作時(shí)，操作較費(fèi)力，旋轉(zhuǎn)過程中有力量沖擊，因此給用戶的體驗(yàn)較差；另一方面，在電動(dòng)工作模式下，電機(jī)受到的反力大且合閘過程中有較大沖擊，對(duì)于電機(jī)及其它連桿的機(jī)械壽命將有較大影響。

第2種電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有簡單的離合裝置，轉(zhuǎn)換為手動(dòng)操作模式后，用戶可以通過直接操作手柄實(shí)現(xiàn)斷路器的重新合閘，但需要在面板上留下很大一塊手柄活動(dòng)的空間，對(duì)外觀有一定的影響。電動(dòng)工作模式下，齒輪與齒條受力大，伴有一定的沖擊，如果想要提高電動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命，需要對(duì)齒輪、齒條進(jìn)行必要的熱處理。

第3種電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)采用了多連桿結(jié)構(gòu)，從電機(jī)的受力曲線上可以看出，在整個(gè)的再扣與合閘過程中，電機(jī)受力較均衡，沖擊小，有利于提高電動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命，并且從實(shí)際產(chǎn)品的機(jī)械壽命試驗(yàn)情況來看，它能輕松的達(dá)到1萬次以上。手動(dòng)模式下，可將“幾”字形連桿與電機(jī)脫離，通過工具直接扳動(dòng) “幾”字形連桿左側(cè)的六角棒就可以轉(zhuǎn)動(dòng)斷路器手柄，實(shí)現(xiàn)再扣與合閘。但目前這套電動(dòng)機(jī)構(gòu)在電動(dòng)與手動(dòng)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)得稍復(fù)雜，如圖10，它由三個(gè)連桿組成，通過它們把豎直方向的連桿運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平連桿的軸向位移，從而推動(dòng)“幾”字形連桿向左移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)它與電機(jī)的脫離。而從手動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到電動(dòng)模式采用了半自動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)確認(rèn)電動(dòng)模式時(shí)，電機(jī)輸出軸上的銷在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中推動(dòng)豎直連桿向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)“幾”字形連桿在彈簧力的作用下向右復(fù)位，準(zhǔn)備與電機(jī)重新嚙合。但電機(jī)輸出軸上的銷推動(dòng)連桿的行程有限，受裝配因素及摩擦力影響，有時(shí)候“幾”字形連桿不能完全復(fù)位到初始位置，導(dǎo)致“幾”字形連桿與電機(jī)無法嚙合，最終不能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)模式。

為了提高手動(dòng)與電動(dòng)切換的可靠性，可以考慮簡單結(jié)構(gòu)，將由三個(gè)桿件鉚接而成的連桿簡化為一個(gè)連桿，并把“幾”字形連桿與電機(jī)的嚙合方式變?yōu)榧兪謩?dòng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)底部帶偏心輪、頂部帶轉(zhuǎn)換旋鈕的連桿，通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕來撥動(dòng)“幾”字形連桿向左或向右移動(dòng)，達(dá)到“幾”字形連桿與電機(jī)的嚙合與分離。

4 結(jié)語

隨著分布式新能源的進(jìn)一步推廣，必將推動(dòng)低壓智能配電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，斷路器的自動(dòng)化運(yùn)行必然要求電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)具有高壽命、高可靠性。因此，在電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過運(yùn)動(dòng)仿真分析各連桿、電機(jī)的受力情況，一方面要降低電機(jī)的額定輸出扭矩，另一方面，要盡可能減少斷路器在再扣與合閘過程中對(duì)電機(jī)及其它連桿的沖擊。

（作者單位：江蘇輝能電氣有限公司）