雙刀多路開關(guān)的設(shè)計(jì)分析

方浩騰 徐展

摘 要：停電檢修過程中，因配網(wǎng)開關(guān)后端桿塔處未安裝驗(yàn)電接地環(huán)，只能在開關(guān)下樁頭掛接地線或新安裝驗(yàn)電接地環(huán)，停電工作前期需要在不同地點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行多次上下桿拉開關(guān)掛接地線工作，造成勞動(dòng)工作量增加，停電時(shí)間延長。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一種配電網(wǎng)用雙刀多路開關(guān)裝置，該裝置采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開閉閘，通過雙刀協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)與多路同步控制實(shí)現(xiàn)開關(guān)的自動(dòng)工作。為使裝置達(dá)到預(yù)期的開閉閘功能，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)可行性分析，證實(shí)其可有效解決上述問題。該研究為后續(xù)雙刀多路開關(guān)裝置的性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)開關(guān)接地;雙刀多路開關(guān);協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu);同步控制結(jié)構(gòu)

0? ? 引言

隨著電網(wǎng)公司對(duì)電流接地系統(tǒng)單相接地故障處理的重視以及故障選線、定位技術(shù)的發(fā)展，電力領(lǐng)域涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的接地故障處置方案[1-3]。配網(wǎng)自動(dòng)化是未來電力行業(yè)發(fā)展的主要方向，而配網(wǎng)開關(guān)接地裝置是影響配網(wǎng)發(fā)展的重要設(shè)備，為了能夠確保電力企業(yè)穩(wěn)定發(fā)展，一般需要相關(guān)工作人員具有配網(wǎng)自動(dòng)化開關(guān)運(yùn)行的相關(guān)知識(shí)[4]。傳統(tǒng)多路開關(guān)只能使得同一線路接通或斷開，不能做到兩線路接通或斷開，技術(shù)人員在進(jìn)行停電檢修時(shí)，拉開配網(wǎng)開關(guān)后需要掛接地線，就只能在下級(jí)桿塔有驗(yàn)電接地環(huán)處掛接地線，部分開關(guān)后端桿塔處未安裝驗(yàn)電接地環(huán)，則只能在開關(guān)下樁頭掛接地線或者新安裝驗(yàn)電接地環(huán)。停電工作前期掛接地線需要在不同地點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行多次上下桿拉開關(guān)掛接地線操作，造成人員工作量增加，停電時(shí)間延長。

在保證不發(fā)生配網(wǎng)開關(guān)接地故障的前提下，為避免人工進(jìn)行開關(guān)合閘后的復(fù)位工作，針對(duì)配網(wǎng)開關(guān)接地設(shè)計(jì)了一種雙刀多路開關(guān)機(jī)械裝置，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)分析。首先，在開關(guān)的下樁頭增加一路閘刀，該閘刀控制下樁頭與接地環(huán)的分合;其次，在原本控制開關(guān)分合的操縱桿上增設(shè)一套傳動(dòng)裝置，該裝置既可以控制開關(guān)的分合和接地閘刀的分合傳動(dòng)，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械閉鎖的功能，即保證接地閘刀無法閉合，避免了在線路運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)接地閘刀閉合的情況，有效保障了停電檢修過程中配網(wǎng)開關(guān)操作的便捷性和安全性。

1? ? 雙刀多路開關(guān)裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為雙刀多路開關(guān)裝置結(jié)構(gòu)圖，使用過程中，在開關(guān)裝置的一側(cè)閉閘時(shí)，另一側(cè)則處于開閘狀態(tài)，從而具有與傳統(tǒng)開關(guān)裝置的不同功能，實(shí)現(xiàn)雙刀多路一點(diǎn)控制的目的，消除傳統(tǒng)開關(guān)裝置使用時(shí)的弊端。

該開關(guān)裝置主要由主體架、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)及接地環(huán)等部分組成。主體架上固定有靜觸頭，傳動(dòng)與控制結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)雙刀多路開關(guān)裝置的雙刀協(xié)調(diào)與多路同步控制。

2? ? 雙刀多路開關(guān)裝置的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 雙刀協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙刀協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，導(dǎo)桿兩端焊有推桿，且推桿與旋轉(zhuǎn)桿之間有驅(qū)動(dòng)桿，導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)通過彈簧的彈力來驅(qū)動(dòng)，并且通過連接在主體架側(cè)面的擋板中心孔限制導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)方向，以固定導(dǎo)桿移動(dòng)的方向;在彈簧與擋板的作用下，同一路的兩個(gè)動(dòng)觸頭不會(huì)同時(shí)處于閉閘狀態(tài)。在裝置的調(diào)式階段，可通過調(diào)節(jié)導(dǎo)桿的長度來調(diào)節(jié)動(dòng)觸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.2? ? 多路同步控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，為了實(shí)現(xiàn)多路同步控制，與主體架相連的有旋轉(zhuǎn)桿1與旋轉(zhuǎn)桿2，且兩根旋轉(zhuǎn)桿上都固定有小搖臂。不同的是，旋轉(zhuǎn)桿1的小搖臂通過絕緣子與固定有動(dòng)觸頭的大搖臂相連;而旋轉(zhuǎn)桿2的小搖臂則通過連桿與大搖臂連接。旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)即可同步控制多路動(dòng)觸頭。

3? ? 雙刀多路開關(guān)的工作分析

3.1? ? 動(dòng)觸頭的控制機(jī)構(gòu)分析

同路的兩個(gè)動(dòng)觸頭根據(jù)結(jié)構(gòu)中部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)都可簡化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。為了分析該裝置組成構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是否具有確定性，選取動(dòng)觸頭1作為研究對(duì)象，繪制其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，如圖4所示，并進(jìn)行自由度計(jì)算。

活動(dòng)構(gòu)件3個(gè)、低副4個(gè)、高副0個(gè)，則機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算如下：

F=3N-2PL-PH=3×3-2×4=1? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由此可知，該機(jī)構(gòu)自由度為1，因此，根據(jù)機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件可以判斷，開閉閘控制模塊具有確定的運(yùn)動(dòng)。

3.2? ? 工作狀態(tài)分析

裝置在初始工作狀態(tài)時(shí)，在導(dǎo)桿兩端分別與旋轉(zhuǎn)桿1和旋轉(zhuǎn)桿2上的槽輪外圓貼合，兩個(gè)彈簧在固定擋板的作用下預(yù)存一定的彈力作為驅(qū)動(dòng)力。

為了確定裝置可以通過該預(yù)存彈力進(jìn)行工作，在此對(duì)彈簧的彈性系數(shù)與彈簧壓縮量進(jìn)行選擇與設(shè)計(jì)。為保障該雙刀多路開關(guān)能正常安全工作，預(yù)存彈力至少應(yīng)為10 N，選取硅青銅線作為彈簧線材較為合適，其剛性模數(shù)為41 000 N/mm2[5]，線徑為1.5 mm，外徑為6 mm，有效圈數(shù)為22。

式中：G為線材剛性模數(shù)（N/mm2）;d為線徑（mm）;Nc為有效圈數(shù);D0為外徑（mm）。

f=kΔx? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：f為彈力（N）;k為彈性系數(shù)（N/mm）;Δx為彈簧壓縮量（mm）。

將式（2）代入式（3），可得到彈簧壓縮量至少應(yīng)為0.77 mm，并且在裝置初始工作狀態(tài)下，兩個(gè)彈簧壓縮量相同，滿足應(yīng)預(yù)存彈力數(shù)值，可進(jìn)行正常工作。

4? ? 結(jié)語

（1）本文采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙刀協(xié)調(diào)控制與多路同步控制，設(shè)計(jì)了一款雙刀多路開關(guān)機(jī)械裝置。

（2）以動(dòng)觸頭1為例，對(duì)該裝置進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可行性驗(yàn)證，并具體分析描述了工作過程，表明該裝置能夠達(dá)到預(yù)期的開閉閘功能，滿足設(shè)計(jì)要求，為雙刀多路開關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

（3）根據(jù)正常工作中所需要的驅(qū)動(dòng)力，選取設(shè)計(jì)合適的彈簧，為雙刀協(xié)調(diào)控制的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性提供了保障。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 彭沙沙，曾祥君，喻琨，等.基于二次注入的配電網(wǎng)接地故障有源電壓消弧方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2018，46（20）：142-149.

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[5] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

收稿日期：2021-02-23

作者簡介：方浩騰（1993—），男，安徽安慶人，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。