淺談FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)的工作原理及性能

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了法國(guó)AREVA公司生產(chǎn)的第三代FK3-4型高壓斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)，闡述了該型彈簧操作機(jī)構(gòu)的基本組成結(jié)構(gòu)及工作原理，并對(duì)其工作性能進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，文章結(jié)尾對(duì)該型彈簧操作機(jī)構(gòu)的推廣使用提出了展望。

關(guān)鍵詞：斷路器;彈簧操作機(jī)構(gòu);工作原理;性能;

1? 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備之一，由于其具有相當(dāng)完善的滅弧結(jié)構(gòu)和足夠的斷流能力，所以，它不僅可以切斷或閉合高壓電路中的空載和負(fù)荷電流，而且能在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)通過(guò)與繼電保護(hù)裝置的配合，切斷過(guò)載電流和短路電流，對(duì)電力設(shè)備及系統(tǒng)起到重要的保護(hù)作用。而操作機(jī)構(gòu)作為高壓斷路器分合閘操作的重要附屬部件，其動(dòng)作的可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性愈顯得至關(guān)重要。

高壓斷路器的操作機(jī)構(gòu)根據(jù)工作原理一般可分為電磁機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、液壓彈簧機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)等。國(guó)際大電網(wǎng)協(xié)會(huì)關(guān)于《CIGRE1994：13-201194第二次高壓斷路器工作故障和缺陷國(guó)際調(diào)查正式報(bào)告 （WG13-06）》的概括性結(jié)論認(rèn)為：高壓斷路器44%的主要故障及39.4%的輕微故障都與操作結(jié)構(gòu)有關(guān)。彈簧操作機(jī)構(gòu)在工作中的故障率僅為0.4%，而液壓機(jī)構(gòu)的輕微故障率是彈簧機(jī)構(gòu)的7倍，氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的故障率是彈簧機(jī)構(gòu)的2倍，由此可見(jiàn)，彈簧機(jī)構(gòu)是高壓斷路器最為理想的操作機(jī)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外的彈簧操作機(jī)構(gòu)基本上可以分為夾板式結(jié)構(gòu)和整體鑄鋁殼體式結(jié)構(gòu)兩類(lèi)。目前，夾板式CT系列彈簧機(jī)構(gòu)和AREVA公司生產(chǎn)的整體鑄鋁殼體式FK系列彈簧機(jī)構(gòu)是各類(lèi)高壓斷路器中應(yīng)用最多的兩種彈簧操作機(jī)構(gòu)，由于FK系列彈簧機(jī)構(gòu)具有優(yōu)越的設(shè)計(jì)理念和良好的工作性能，本文就AREVA公司的第三代FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)論述。

2? FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

法國(guó)AREVA公司生產(chǎn)的FK系列型彈簧操作機(jī)構(gòu)是目前世界上最先進(jìn)的高壓斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)，F(xiàn)K3-4型彈簧機(jī)構(gòu)屬于AREVA的第三代彈簧機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，該機(jī)構(gòu)采用兩根螺旋壓縮彈簧儲(chǔ)存的能量分別實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘操作。FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、合分閘系統(tǒng)及輔助部件三部分構(gòu)成，各部分的具體組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-1：

圖2-1? FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

2.1? 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)配有一個(gè)合閘彈簧和一個(gè)分閘彈簧，合閘彈簧的儲(chǔ)能可由儲(chǔ)能電機(jī)和人工手動(dòng)儲(chǔ)能兩種方式實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)能電機(jī)和手動(dòng)儲(chǔ)能曲柄只給合閘彈簧儲(chǔ)能，而分閘彈簧則利用斷路器合閘時(shí)合閘彈簧釋放的部分能量實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。儲(chǔ)能系統(tǒng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2-1，其主要包括直流儲(chǔ)能電機(jī)（12）、減速齒輪組（13）、手動(dòng)儲(chǔ)能曲柄（21）、鏈條（15）、齒輪（35）、合閘彈簧（9）、慣性飛輪（8）、飛輪軸柱（16）、自由輪（19）、合閘插銷(xiāo)（14）等部件。機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)，儲(chǔ)能電機(jī)上電，電機(jī)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)減速齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)。減速齒輪組帶動(dòng)慣性飛輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°，固定在慣性飛輪上的軸柱通過(guò)鏈條和齒輪（35）壓縮合閘彈簧儲(chǔ)能。合閘彈簧儲(chǔ)能到位后，通過(guò)合閘彈簧的行程開(kāi)關(guān)常閉輔助觸點(diǎn)切斷儲(chǔ)能電機(jī)工作電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，而慣性飛輪則通過(guò)固定在其輪面上的軸柱輕靠在合閘插銷(xiāo)上，自由輪?？吭趹T性飛輪的無(wú)齒段上，整個(gè)儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束，被壓縮的合閘彈簧作用在慣性飛輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩由飛輪軸柱和合閘插銷(xiāo)平衡。若儲(chǔ)能電機(jī)失電或者設(shè)備調(diào)試試驗(yàn)，可將手動(dòng)儲(chǔ)能曲柄嵌套在減速齒輪組的第一個(gè)齒輪軸上，通過(guò)逆時(shí)針手動(dòng)搖動(dòng)曲柄實(shí)現(xiàn)合閘彈簧的儲(chǔ)能。

2.2合分閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)對(duì)高壓斷路器的分合閘操作分別通過(guò)合閘彈簧和分閘彈簧儲(chǔ)存的能量實(shí)現(xiàn)，合閘彈簧由1個(gè)合閘線圈釋放，而分閘彈簧則由兩個(gè)相同卻相互獨(dú)立的分閘線圈釋放。合分閘系統(tǒng)主要組成部分見(jiàn)圖2-2：

圖2-2? FK3-4型彈簧機(jī)構(gòu)合分閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2-2所示，合分閘系統(tǒng)主要包括合閘軸（7）、傳動(dòng)軸（1）、慣性飛輪（8）、飛輪軸柱（16）、合閘彈簧（9）、鏈條（15）、合閘插銷(xiāo)（14）、凸輪（26）、合閘凸輪（10）、聯(lián)動(dòng)杠桿（11）、合閘線圈（22）、手動(dòng)合閘杠桿（24）、分閘彈簧（3）、鏈條（34）、拐臂（33）、拐臂（5）、分閘插銷(xiāo)（6）、分閘線圈（27）、手動(dòng)分閘杠桿（28）、拐臂（32）、阻尼器（4）、拐臂（2）及輸出拐臂等部件。在合閘彈簧儲(chǔ)能以后，慣性飛輪通過(guò)飛輪軸柱?？吭诤祥l插銷(xiāo)上，彈簧始終保持壓縮狀態(tài)。

當(dāng)外部合閘指令接通合閘線圈電源回路，線圈勵(lì)磁產(chǎn)生電磁吸力釋放合閘插銷(xiāo)，或者在操作機(jī)構(gòu)檢修試驗(yàn)時(shí)手動(dòng)按壓手動(dòng)合閘杠桿使得合閘插銷(xiāo)脫扣，此時(shí)已經(jīng)儲(chǔ)能的合閘彈簧便釋放能量，通過(guò)鏈條和齒輪帶動(dòng)慣性飛輪和合閘軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°。由于合閘凸輪齒合帶滾子的聯(lián)動(dòng)桿杠，慣性飛輪通過(guò)合閘軸帶動(dòng)合閘凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，合閘凸輪使得聯(lián)動(dòng)杠桿帶動(dòng)傳動(dòng)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)60°，傳動(dòng)軸上的拐臂（2）通過(guò)輸出拐臂和連桿帶動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器觸頭快速合閘，同時(shí)拐臂（32）帶動(dòng)阻尼器向上運(yùn)動(dòng)，阻尼器吸收合閘彈簧過(guò)剩的能量轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能，減小斷路器觸頭的合閘沖擊力。

斷路器合閘過(guò)程中，由于傳動(dòng)軸帶動(dòng)拐臂（33）逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了60°，此拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)鏈條和齒輪壓縮分閘彈簧儲(chǔ)能，分閘彈簧儲(chǔ)能到位的瞬間，拐臂（5）剛好停靠在分閘插銷(xiāo)（6）上。由于斷路器合閘完成后合閘彈簧釋能，儲(chǔ)能電機(jī)會(huì)立即接通電源運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)減速齒輪為合閘彈簧再次儲(chǔ)能。

當(dāng)外部操作裝置或繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出斷路器分閘指令后，分閘線圈電源回路接通，分閘線圈勵(lì)磁產(chǎn)生電磁吸力釋放分閘插銷(xiāo)，或者在機(jī)構(gòu)檢修調(diào)試時(shí)人工手動(dòng)按壓分閘杠桿（28）使得分閘插銷(xiāo)脫扣，此時(shí)分閘彈簧釋放能量，通過(guò)鏈條和齒輪帶動(dòng)傳動(dòng)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，傳動(dòng)軸上的拐臂（2）通過(guò)輸出拐臂和連桿帶動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器分閘操作，而傳動(dòng)軸上的阻尼器由于儲(chǔ)存了重力勢(shì)能，所以在分閘過(guò)程中用以輔助帶動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭反向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器平穩(wěn)分閘。分閘結(jié)束后，聯(lián)動(dòng)杠桿通過(guò)滾子?？吭诤祥l凸輪上，為斷路器的再次合閘做好準(zhǔn)備。

2.3輔助部件

FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)的輔助部件主要有彈簧儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)（17）、凸輪（26）、拐臂（31）、斷路器輔助觸點(diǎn)（30）、彈簧儲(chǔ)能指示器（23）、斷路器狀態(tài)指示器（29）等，主要用作斷路器本體操作回路及預(yù)留給自動(dòng)化控制、電氣閉鎖及遠(yuǎn)方操作等二次回路的功能拓展，同時(shí)輔助部件便于觀察機(jī)構(gòu)彈簧及斷路器分合閘狀態(tài)。斷路器輔助觸點(diǎn)由連桿和拐臂（31）觸動(dòng)，彈簧儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)由裝在合閘軸上的凸輪（26）觸動(dòng)。

3? FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)的性能分析

3.1? 機(jī)構(gòu)的合閘性能簡(jiǎn)要分析

結(jié)合AREVA公司廠家資料，該操作機(jī)構(gòu)合閘線圈可在80%～110%的額定操作電壓下正常工作，額定電壓為DC220V。選取80%UN、100% UN和110% UN三個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行斷路器合閘性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別測(cè)量三相觸頭合閘時(shí)間，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3.1：

根據(jù)表3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可求得在80%的額定操作電壓（176.0V）下，斷路器三相觸頭的平均合閘時(shí)間為104.8ms，三相不同期時(shí)間為1.6ms; 在100%的額定操作電壓（220.0V）下，斷路器三相觸頭的平均合閘時(shí)間為104.1ms， 三相不同期時(shí)間為0.1ms; 在110%的額定操作電壓（243.0V）下，斷路器三相觸頭的平均合閘時(shí)間為104.1ms，三相不同期時(shí)間為1.7ms;同時(shí)在本次試驗(yàn)中測(cè)得三種電壓等級(jí)下斷路器的平均合閘速度分別為：2.83m/s、2.85 m/s、2.85 m/s。因此，可看出該機(jī)構(gòu)在80%～110%的額定電壓下均具有良好的合閘性能，合閘電壓大幅度變化的時(shí)候，合閘時(shí)間基本相等，尤其在額定電壓下合閘不同期時(shí)間僅為0.1ms，對(duì)電氣設(shè)備及系統(tǒng)的沖擊甚小，并且在不同工作電壓下合閘速度保持穩(wěn)定，適應(yīng)工作電壓范圍較廣。

3.2 機(jī)構(gòu)的分閘性能簡(jiǎn)要分析

由于AREVA公司廠家資料給出該操作機(jī)構(gòu)分閘線圈工作電壓范圍為65%～120%的額定電壓，額定電壓為DC220V。現(xiàn)場(chǎng)選取65% UN、100% UN和120% UN三個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行斷路器分閘性能試驗(yàn)，與合閘性能試驗(yàn)一樣，分別測(cè)試三相觸頭的分閘時(shí)間。由于斷路器設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立的分閘回路，所以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)分閘回路1和分閘回路2分別加電進(jìn)行試驗(yàn)，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3.2和表3.3：

根據(jù)表3.2（分閘回路1試驗(yàn)數(shù)據(jù)）可求得在65%的額定操作電壓（143.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時(shí)間為34.3ms， 三相不同期時(shí)間為0.2ms; 在100%的額定操作電壓（220.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時(shí)間為32.1ms，三相不同期時(shí)間為0.1ms; 在120%的額定操作電壓（265.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時(shí)間為31.6ms，三相不同期時(shí)間為0.3ms; 試驗(yàn)中測(cè)得三種電壓等級(jí)下的平均分閘速度分別為：3.57m/s、3.62m/s、3.64 m/s。由表3.3（分閘回路2試驗(yàn)數(shù)據(jù)）可求得在65%的額定操作電壓（143.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時(shí)間為32.9ms， 三相不同期時(shí)間為0.4ms; 在100%的額定操作電壓（220.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時(shí)間為31.8ms，三相不同期時(shí)間為0.2ms; 在120%的額定操作電壓（265.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時(shí)間為31.6ms，三相不同期時(shí)間為0.3ms; 試驗(yàn)中測(cè)得三種電壓等級(jí)下的平均分閘速度分別為：3.58m/s、3.64m/s、3.63 m/s。

兩個(gè)分閘回路分別測(cè)試過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得合閘彈簧首次儲(chǔ)能時(shí)間為10～12s，儲(chǔ)能電機(jī)電流為7.1～7.2A;斷路器進(jìn)行連續(xù)合分閘操作過(guò)程中，彈簧再儲(chǔ)能平均時(shí)間為5.3～5.5s，電機(jī)電流平均為7.1～7.2A。結(jié)合以上數(shù)據(jù)可知此種螺旋壓縮彈簧具有良好的力學(xué)性能，可以承受頻繁壓縮和釋放操作，同時(shí)螺旋彈簧能儲(chǔ)存較多能量和承受較大載荷，電機(jī)再儲(chǔ)能時(shí)間較短，儲(chǔ)能電流小，所以此類(lèi)彈簧操作機(jī)構(gòu)更能適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)出口斷路器的快速分合閘及頻繁操作的要求。

4. 結(jié)束語(yǔ)

FK3-4型彈簧操作機(jī)構(gòu)應(yīng)用螺旋壓縮彈簧，零部件不易老化，具有免維護(hù)性，不存在機(jī)構(gòu)漏油、泄漏等問(wèn)題，同時(shí)具有低噪音和使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于機(jī)械彈簧一旦儲(chǔ)能，操作機(jī)構(gòu)可以長(zhǎng)久保持其能量不損失，并且儲(chǔ)能時(shí)間較短，工作性能不受環(huán)境溫度的影響，所以最適合用于年平均開(kāi)斷次數(shù)多、操作頻繁的發(fā)電機(jī)出口斷路器上。同時(shí)，由于此型彈簧操作機(jī)構(gòu)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性，分合閘速度快，適應(yīng)工作電壓范圍廣，是當(dāng)今全世界范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備操作機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，未來(lái)將被更廣泛地應(yīng)用于操作發(fā)電機(jī)出口斷路器、GIS罐式斷路器以及高壓磁柱式斷路器等開(kāi)關(guān)設(shè)備上。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：冶鵬飛（1989.5-），男，甘肅宕昌人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事水電站電氣設(shè)備的運(yùn)維工作。