高壓真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性分析研究

喬恒棟 呂金剛

摘要：隨著時(shí)代的快速前進(jìn)，各領(lǐng)域?qū)τ秒姷男枨蟛粩嘣龃?，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，供電質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高。在配電和供電系統(tǒng)中，由于高壓開關(guān)的特殊作用，其可靠性和免維護(hù)的要求更高，因此世界各國對(duì)高壓開關(guān)的理論研究和設(shè)計(jì)開發(fā)一直在不斷地進(jìn)行著。

關(guān)鍵詞：高壓真空斷路器;操動(dòng)機(jī)構(gòu);可靠性;分析研究

引言

滿足工程應(yīng)用中的客觀需求是真空斷路器研究中的一項(xiàng)很重要的課題。因真空斷路器市場(chǎng)占有率在逐年增加，故障也呈逐年增加的趨勢(shì)，其故障的發(fā)生主要集中在機(jī)械部分。根據(jù)近幾年的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料顯示，在高壓開關(guān)的故障中，非電類故障率接近70%，其中40%以上屬于操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障。由此可見，高壓開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)事故在整個(gè)高壓開關(guān)事故中占有很大的比例。因此加強(qiáng)真空操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究，特別是對(duì)影響操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵控制點(diǎn)的研究尤為重要。

1概述

真空斷路器具有兩大部件：一為真空滅弧室，相當(dāng)于真空斷路器的心臟，另一為操動(dòng)機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于真空斷路器的神經(jīng)中樞。操動(dòng)機(jī)構(gòu)為斷路器完成分、合閘操作，對(duì)真空斷路器的操作性能影響很大。而操作機(jī)構(gòu)又是真空斷路器中機(jī)械結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、維護(hù)工作量最大的部件。國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)表明，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障占真空斷路器總故障的89.4%。由此可見，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性至為重要。真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電磁、彈簧、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)因其出力特性與真空斷路器的負(fù)載特性吻合度好而成為目前的研究熱點(diǎn)。

2高壓真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分類

1）手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)：靠手動(dòng)直接合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。2）液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)：利用液壓作為動(dòng)力傳動(dòng)介質(zhì)，操動(dòng)方式有兩種：直接驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能式。3）電動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)：利用電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速裝置帶動(dòng)開關(guān)合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。4）氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)：利用壓縮空氣作為能源產(chǎn)生推力的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。5）電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)：靠電磁力合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。6）彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)：利用已儲(chǔ)能的彈簧為動(dòng)力使斷路器動(dòng)作的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。彈簧儲(chǔ)能通常由電動(dòng)機(jī)通過減速裝置來完成。7）永磁從動(dòng)機(jī)構(gòu)：利用永磁體實(shí)現(xiàn)合閘保持和分閘保持的一種形式的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。其合閘都是采用電磁操作，分閘可有電磁操動(dòng)和彈簧操動(dòng)兩種形式。

3機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特性分析

3.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ZW□?126/2000?40型126kV單斷口真空斷路器的整體布局見圖1。斷路器的三相絕緣瓷套安裝在同一個(gè)橫梁上，橫梁通過位于其兩側(cè)底部的支柱支撐與地基底座固定，操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)置在斷路器橫梁邊側(cè)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制箱位于斷路器橫梁底端中部。高壓真空斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3部分組成，采用一臺(tái)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行斷路器三極機(jī)械聯(lián)動(dòng)的總體設(shè)計(jì)方案，見圖2。驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于斷路器邊相位置，其輸出轉(zhuǎn)軸通過法蘭盤與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)，主要包括傳動(dòng)主軸、拐臂、傳動(dòng)連桿和絕緣拉桿。傳動(dòng)主軸的一端通過法蘭盤與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸連接，三個(gè)拐臂等間距固定安裝于傳動(dòng)主軸上并與驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)連桿的兩端分別與拐臂和絕緣拉桿鉸鏈連接，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析126kV真空斷路器永磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行原理見圖3，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)分析。當(dāng)合閘時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸a以旋轉(zhuǎn)方式角度θ推動(dòng)拐臂ab繞a點(diǎn)以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿bc在拐臂ab的作用下以直線移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)的方式運(yùn)動(dòng)，絕緣拉桿cde在連桿bc作用下以直線移動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，其位移為dy，動(dòng)觸頭ef在絕緣拉桿的cd作用下以直線移動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，其位移為S。當(dāng)S=S0時(shí)，真空滅弧室動(dòng)、靜觸頭閉合，真空開關(guān)處于剛合位置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸a繼續(xù)轉(zhuǎn)角θ，由于真空滅弧室動(dòng)、靜觸頭已閉合，觸頭彈簧組件de上的彈簧開始?jí)嚎s，當(dāng)θ=θ0時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸a轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束，真空開關(guān)處于合閘狀態(tài)，觸頭彈簧組件de上的彈簧壓縮量為C，即為接觸行程。同理，分閘過程正好與此相反。

3影響高壓真空斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵控制點(diǎn)分析

3.1彈簧

在高壓真空斷路器中，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)使用較為普遍，并且其涉及的彈簧數(shù)量和類型較多，因而它們的可靠性對(duì)設(shè)備及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要影響。比如合閘彈簧，如果輸出功較小，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)合閘速度過小，進(jìn)而導(dǎo)致斷路器合不上閘;如果輸出功較大，速度過高，不管是對(duì)機(jī)構(gòu)還是滅弧室都會(huì)造成較大的沖擊力，影響到斷路器的使用壽命。再比如分閘彈簧，如果輸出功較大，在合閘功不變的情況下，會(huì)導(dǎo)致斷路器合閘速度過小，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致斷路器合不上閘;如果輸出功較小，會(huì)導(dǎo)致分閘速度過小，嚴(yán)重的話會(huì)導(dǎo)致斷路器分閘不到位。以上兩種情況均會(huì)影響到斷路器的開合性能，導(dǎo)致斷路器事故的發(fā)生。所以說對(duì)彈簧的尺寸、材料、制造工藝和載荷性質(zhì)進(jìn)行合理的分析、設(shè)計(jì)與制造，進(jìn)而提高彈簧的疲勞可靠度，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能至關(guān)重要。

3.2合閘及合閘保持單元

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)在完成儲(chǔ)能以后，都是采用機(jī)械保持的方法來維持儲(chǔ)能，可采用手動(dòng)或電動(dòng)的方式觸動(dòng)儲(chǔ)能機(jī)械保持單元，釋放彈簧能量，來實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘操作。在完成合閘操作后，又都是通過另外一套機(jī)械保持單元來維持合閘。如果用于保持儲(chǔ)能的機(jī)械保持單元和用于保持合閘的機(jī)械保持單元設(shè)計(jì)不合理，或者結(jié)構(gòu)零部件所采用的原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝滿足不了操作需求，便會(huì)導(dǎo)致合閘及合閘保持失效，或拒合等機(jī)械故障。

3.3分閘單元

斷路器在完成合閘后便處于合閘保持狀態(tài)，在正常和非正常狀態(tài)下，通過手動(dòng)或者電動(dòng)的方式觸動(dòng)合閘機(jī)械保持單元，通過分閘彈簧功的作用，使斷路器完成分閘操作。所以說對(duì)于分閘單元零部件的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝合理化設(shè)計(jì)，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能影響尤為重要。

3.4凸輪、拐臂和連桿等傳動(dòng)部件的材質(zhì)與加工工藝

對(duì)于彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理，主要就是通過很多的傳動(dòng)部件的配合來實(shí)現(xiàn)，如果存在設(shè)計(jì)的不合理，必然會(huì)導(dǎo)致操動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性較差。比如，零部件硬度高低來說，要是硬度過低，隨著操動(dòng)機(jī)構(gòu)使用，會(huì)引起傳動(dòng)部件的彎曲變形等;要是硬度過高，會(huì)引起傳動(dòng)部件的斷裂等。不管是傳動(dòng)部件的彎曲，還是斷裂對(duì)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的影響都是致命的，所以說對(duì)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵傳動(dòng)部件的選材、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度、加工精度和加工質(zhì)量，對(duì)于減少機(jī)械故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

結(jié)語

為了減少機(jī)械故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)該努力改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供加工精度和加工質(zhì)量。提高操動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn)設(shè)計(jì)精度，在設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行仿真分析，清除不合理因素，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與實(shí)際要求最大限度的吻合。嚴(yán)格把關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn)零部件的選材，提高操動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵控制點(diǎn)零部件的加工工藝，使產(chǎn)品的加工精度和加工質(zhì)量與設(shè)計(jì)要求最大限度的吻合。

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