10 k V充氣柜專用元器件樣機研制過程方案設(shè)計

林勤旭

（廣東正超電氣有限公司，廣東汕頭 515041）

0 引言

國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)在配網(wǎng)自動化領(lǐng)域大量采用10 kVSF6絕緣真空斷路器環(huán)網(wǎng)柜，SF6絕緣真空斷路器環(huán)網(wǎng)柜是一個集合SF6絕緣技術(shù)、密封技術(shù)、真空開斷技術(shù)、激光焊接技術(shù)等技術(shù)相對密集的產(chǎn)品。通過市場調(diào)研，比較分析主流配網(wǎng)自動化元器件生產(chǎn)廠家的真空斷路器，由于市場競爭激烈，部分廠家強調(diào)低成本制作，零部件制造質(zhì)量參差不齊，最終造成斷路器使用性能不可靠或者達不到相關(guān)標準與用戶要求。本文通過分析影響斷路器性能的關(guān)鍵零部件，尋找一種使用性能穩(wěn)定、可靠的SF6絕緣真空斷路器、三工位隔離接地開關(guān)的技術(shù)方案。

1 斷路器本體部分方案

1.1 真空滅弧室

真空滅弧室是真空斷路器最關(guān)鍵零件[1]。通過對目前國內(nèi)主流的真空滅弧室產(chǎn)品進行比較分析，樣機選擇國內(nèi)口碑較好的陜西寶光公司的產(chǎn)品，對應(yīng)ZN口-12/630-20選擇寶光的TD31-12/630-20D，ZN口-12/630-25（圖1）選擇寶光的TD31-12/630-25K。TD31-12/630-25K對開關(guān)機械特性的需求主要有：觸頭開距為（8.5±1）mm，平均分閘速度（觸頭閉合位置～75%開距）為（1.2±0.2）m/s，平均合閘速度（30%～觸頭閉合位置）為（0.7±0.2）m/s，額定觸頭壓力為（2 000±200）N，觸頭初壓力為（1 400±100）N等。這兩種真空滅弧室的外形安裝尺寸是一樣的，因此開斷20 kA斷路器和開斷25 kA斷路器的大部分零部件可以通用，只需要更換真空滅弧室，通過調(diào)整就可以互換產(chǎn)品，大部分零部件都是按照滿足25 kA的性能要求進行設(shè)計。

圖1 ZN口-12/630-25真空斷路器結(jié)構(gòu)圖

1.2 觸頭彈簧

觸頭彈簧也是關(guān)鍵零件。為了保證斷路器合閘的可靠性，必須保證合閘狀態(tài)下，其觸頭彈簧壓力等于額定觸頭壓力（2 000±200）N。通過計算，設(shè)計了一款剛度為200 N/mm的矩形彈簧，彈簧長度為40 mm，外徑為35 mm，內(nèi)徑為18 mm，材料為矩形3.5 mm×8.5 mm。觸頭彈簧在超行程階段起作用，對剛分速度有比較大的影響[2]，適當加大觸頭彈簧的剛度和超行程可以提高剛分速度，從而提高斷路器的開斷能力[3]。斷路器的設(shè)計超行程為（3±1）mm，所以對應(yīng)合閘狀態(tài)下觸頭彈簧長度為（30±1）mm，分閘狀態(tài)下觸頭彈簧長度為（33±0.5）mm；對應(yīng)額定開斷電流20 kA的真空滅弧室TD31-12/630-20 D，其額定觸頭壓力為（1 600±200）N，觸頭初壓力為（1 000±100）N，所以對應(yīng)斷路器合閘狀態(tài)下觸頭彈簧長度為（32±1）mm，分閘狀態(tài)下觸頭彈簧長度為（35±0.5）mm。

經(jīng)過分析，有3種方法可以實現(xiàn)20 kA斷路器與25 kA斷路器的互換。

（1）對應(yīng)兩種不同斷路器選用不同剛度彈簧，開斷20 kA的斷路器選用剛度200 N/mm的彈簧，開斷25 kA的斷路器選用230 N/mm剛度的彈簧，彈簧長度40 mm不變，可以用兩種不同顏色區(qū)分，避免混淆。這種方法的優(yōu)點是其他安裝尺寸不用調(diào)整。

（2）選用同一種剛度200 N/mm的彈簧，開斷25 kA的斷路器在彈簧支架處加一個2 mm的墊片，這種方法的優(yōu)點是不用調(diào)整真空泡的高度，其參數(shù)開距、超行程也沒有變化。

（3）選用同一種剛度200 N/mm的彈簧，開斷25 kA的斷路器通過抬高真空泡的高度，把超行程加大到3.5 mm左右來滿足其觸頭壓力要求。這種方法比較麻煩，有特制工具調(diào)整，還需要操作者特別培訓(xùn)，否則一不小心會將真空泡扭壞，造成損失。

通過樣機不斷試驗得知，第2種方法比較好，制定了技術(shù)方案，為后來小批量生產(chǎn)做鋪墊。

1.3 凸輪

決定斷路器機械特性的關(guān)鍵零件是凸輪。通過分析，樣機試制專門采用兩種材質(zhì)的凸輪做對比，一種是鑄鋁鋅材質(zhì)，另一種是鑄鋼材質(zhì)。鑄鋁鋅材質(zhì)的凸輪表面粗糙度容易達到1.6，凸輪溝槽表面相對光滑，與滾子摩擦力相對小一點，所以運動變得相對輕松，但其表面硬度相對小，由于滾子材質(zhì)是中碳鋼，相對較硬，所以磨合過程凸輪溝槽容易磨損。鑄鋼材質(zhì)的凸輪表面硬度與滾子材質(zhì)是一樣的，硬度也一樣，比較耐磨，缺點是表面粗糙度需要通過機加工才能達到1.6，溝槽尺寸、六角方孔尺寸、兩邊外圓尺寸都需要機加工來控制，零件加工工序多帶來了成本較高的問題，采用精密鑄造成本更高。通過樣機驗證得出結(jié)論，對于20 kA斷路器，由于觸頭壓力小，可以采用鋁鋅材質(zhì)凸輪，因為其制造精度相對高些，溝槽表面光滑與滾子之間的摩擦力相對小點，機構(gòu)分擔相對輕些，可靠性更好；而對于25 kA斷路器，采用鑄鋼材質(zhì)凸輪可能會耐用一些，因為表面硬度高，不容易破壞。

2 三工位隔離接地開關(guān)部分方案

2.1 三工位開關(guān)位置

三工位開關(guān)的位置有2種：一種是上三工位隔離開關(guān)[4]，也稱為母線側(cè)三工位隔離開關(guān)，其位置在母線與斷路器之間起連接、隔離、接地作用；一種是下三工位隔離開關(guān)，也稱為線路側(cè)隔離開關(guān)，其位置在斷路器與電纜之間起連接、隔離、接地作用?，F(xiàn)在南網(wǎng)充氣柜一般都要求采用下三工位隔離接地開關(guān)，E2級接地開關(guān)技術(shù)指標有關(guān)合50 kA/5次和63 kA/5次兩種，所以樣機采用下三工位隔離接地開關(guān)方案。接地開關(guān)關(guān)合短路電流的決定因素主要是剛合速度和導(dǎo)體截面積以及耐高溫。通過比較不同廠家相似元器件的測試數(shù)據(jù)其中地刀關(guān)合速度得出結(jié)論：德通型4.93 m/s，振泰型5.57 m/s，試驗樣機5.87 m/s。這種接地開關(guān)速度達到5.87 m/s左右，在經(jīng)驗值大于5 m/s以上，所以這種結(jié)構(gòu)理論的關(guān)合性能是可靠的。ZN口-12/630-25三工位隔離接地開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 一次導(dǎo)電回路方案

（1）觸刀旋轉(zhuǎn)靜支座銅排，上支架銅排可以用現(xiàn)有尺寸40 mm×8 mm，這兩種銅件都有一個17.5 mm六角螺栓頭沉2.5 mm孔需要特殊加工。

（2）關(guān)鍵零件。最理想是觸刀片刀口耐燒部位采用燒結(jié)鎢銅合金工藝，而2個凸臺是紫銅的，需要定制模具，供應(yīng)商一般會要求1萬件以上的量才肯做，成本很高，周期一般3個月，這個供貨周期對現(xiàn)在配網(wǎng)工程來說太長。對于關(guān)合50 kA短路電流，用尺寸25 mm×6 mm，對于關(guān)合63 kA短路電流的增加截面積，用尺寸25 mm×8 mm。現(xiàn)在寶光精工有一種現(xiàn)成模具25 mm×8 mm，基本按照樣機設(shè)計的圖紙ZCSF-PDB-SGW-CD003（銅鎢點）制作，除了銅鎢位置（圖紙銅鎢位置是在倒圓弧部位，實物是2個凸點）。基材T2Y，2個凸點是銅鎢（鎢60）[5]焊接上去，表面鍍銀6μm，價格930元，這個價格有待市場確認。不過，為了滿足用戶的高參數(shù)、高性能需求，有時候是必須做的。

（3）對于接地關(guān)合63 kA的接地支座，主回路靜支座截面積都加大，同時都鑲嵌銅鎢點，這個成本同樣會比普通純T2Y材料高很多。

（4）接地匯流銅排規(guī)格。按照標準計算[6]，對應(yīng)耐受電流20 kA選用40 mm×4 mm，對應(yīng)耐受電流25 kA的選用40 mm×6 mm。另外接地端還需要再連接到氣箱，氣箱外面一直連接到整柜前面的匯流排，以保證接地回路的連續(xù)性。

（5）框架及支座絕緣件剛度夠用，選用現(xiàn)在尺寸，關(guān)鍵是控制生產(chǎn)工程工藝，對關(guān)鍵部位尺寸嚴格把關(guān)。例如⊥度控制在0.1 mm，相中心距控制在±0.5 mm，靜觸座水平高度一致性，調(diào)節(jié)觸頭壓力等。

（6）關(guān)鍵零件之滅弧柵。負荷開關(guān)滅弧柵鋼片材料是1.5厚10#，主要是保證無磁，支架是玻璃纖維增強聚碳酸酯（玻璃纖維含量10%）。對接地關(guān)合63 kA的滅弧柵片數(shù)量增加3～5片[7]。

圖2 ZN口-12/630-25三工位隔離接地開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

（7）關(guān)鍵部位。為了滿足開關(guān)短時耐受電流和峰值耐受電流試驗要求[8]，經(jīng)驗值是保證觸頭壓力在350 N左右，觸刀采用碟簧+卡環(huán)/螺母緊固，同樣旋轉(zhuǎn)軸處采用相同方案?，F(xiàn)在市面上同行廠家大部分還是采用普通壓簧，成本低，但是大壓力下容易疲勞損壞，性能打折扣。

（8）旋轉(zhuǎn)塑料拐臂之間連接采用鋁銷+特殊卡環(huán)，不用塑料銷。

3 斷路器機構(gòu)與三工位開關(guān)機構(gòu)

斷路器與三工位開關(guān)機構(gòu)采用興機電器有限公司合作改進的產(chǎn)品。通過長期對樣機進行磨合試驗，發(fā)現(xiàn)問題及時進行分析，共同探討改進方案，在后續(xù)合作中采用性能更可靠的產(chǎn)品。例如樣機壽命試驗時發(fā)現(xiàn)磨損嚴重的4種零件需要采取措施解決，包括儲能軸上鍵槽、掛簧拐臂上鍵、輸出連板、銷（2種）。

解決措施：輸出連板加軸套來增加受力面積，以減小對孔邊的沖擊，不會容易變成橢圓孔，儲能軸上鍵槽、掛簧拐臂、銷則在零件制造過程加強控制，嚴格把關(guān)熱處理后零件硬度要求，通過改進后，試驗證明效果明顯。

4 結(jié)束語

本文通過對充氣柜專用斷路器整體及零部件進行合理設(shè)計計算，以及對斷路器性能起關(guān)鍵作用的零件和易損件的改進，制作樣機反復(fù)不斷地試驗、驗證，合作廠家之間長期溝通、共同探討、解決技術(shù)難題，不斷提高斷路器使用可靠性，從而提高產(chǎn)品競爭力。