一種用于接地開(kāi)關(guān)關(guān)合試驗(yàn)的 氣壓傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

高紀(jì)軒 付冠青 夏繼強(qiáng)

（上海電氣輸配電試驗(yàn)中心有限公司，上海 200072）

0 引言

接地開(kāi)關(guān)是用于將回路接地的一種機(jī)械開(kāi)關(guān)裝置，在線路檢修時(shí)可以保護(hù)人身及設(shè)備安全[1]。在異常條件下，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生帶電關(guān)合接地開(kāi)關(guān)的誤操作時(shí)，接地開(kāi)關(guān)應(yīng)能承受規(guī)定時(shí)間內(nèi)的短路電流[2]，因此，GB1985—2014中要求E1、E2級(jí)接地開(kāi)關(guān)須具備一定的短路關(guān)合能力[3]。

接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)是驗(yàn)證接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合能力的型式試驗(yàn)項(xiàng)目。手動(dòng)式操作的高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作試品進(jìn)行接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)。在試驗(yàn)中因試品質(zhì)量等問(wèn)題，有可能發(fā)生觸頭燒損、彈跳甚至飛弧等危險(xiǎn)，一旦試驗(yàn)失敗，試品發(fā)生爆炸并向殼外噴射火焰、液體、氣體或金屬微粒，將危及檢測(cè)人員的人身安全[4-5]。試驗(yàn)過(guò)程中，手動(dòng)操作試品關(guān)合難以精準(zhǔn)把控操作時(shí)間。關(guān)合時(shí)刻超前或延遲于試驗(yàn)斷路器，會(huì)導(dǎo)致不能關(guān)合電流或者合閘相角不適宜，從而無(wú)法關(guān)合滿足要求的峰值電流，則選相合閘無(wú)法發(fā)揮作用，需進(jìn)行多次關(guān)合試驗(yàn)方能獲取標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的短路關(guān)合電流[6]。因此，手動(dòng)式操作具有危險(xiǎn)性高、可靠性差的缺點(diǎn)。

相關(guān)資料[7-10]顯示，關(guān)于高壓開(kāi)關(guān)柜接地開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已有眾多學(xué)者研究，短路關(guān)合的試驗(yàn)方法也有文獻(xiàn)涉及，在大容量試驗(yàn)室考慮安全性的手動(dòng)式開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)用的裝置卻少有文獻(xiàn)討論，因此，本文對(duì)短路關(guān)合試驗(yàn)中可代替人工手動(dòng)操作的自動(dòng)裝置進(jìn)行研究。高壓電氣設(shè)備常配的氣壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有操作功大、電源功率小、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在抗干擾能力、動(dòng)作速度和機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異[11-12]，所以本文以壓縮空氣作為動(dòng)力源，氣缸作為執(zhí)行元件，借助平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一種代替人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作接地開(kāi)關(guān)關(guān)合的裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制方式下的接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)。該裝置可解決短路關(guān)合試驗(yàn)手動(dòng)操作安全性低的問(wèn)題，且裝置穩(wěn)定性高、時(shí)間控制性好、利于合閘相角的調(diào)節(jié)，可提高試驗(yàn)效率，更好地滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 基本工作原理

手動(dòng)接地開(kāi)關(guān)的關(guān)合依靠操作手柄按規(guī)定方向運(yùn)動(dòng)一定角度，帶動(dòng)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)合。操作手柄的運(yùn)動(dòng)方式為平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)的平面連桿機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 連桿機(jī)構(gòu)

圖1中，氣缸1為主動(dòng)件，傳動(dòng)桿2、操作繩3為從動(dòng)件，操作手柄4為輸出構(gòu)件，構(gòu)件5、6為機(jī)架，A、B、C、D、E、F為轉(zhuǎn)動(dòng)副，G為移動(dòng)副。氣壓作用下氣缸1向左伸出活塞桿推動(dòng)傳動(dòng)桿2做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)操作繩3帶動(dòng)操作柄4也做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)合試品。首先對(duì)傳動(dòng)桿進(jìn)行受力分析計(jì)算觸發(fā)試品關(guān)合的推力，傳動(dòng)桿受力情況如圖2所示。

由圖2知，傳動(dòng)桿在氣缸推力的分力F桿作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由BC位置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到B′C′位置過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)角α先減小為0°，過(guò)豎直位置后再增大為α，前后過(guò)程對(duì)稱。實(shí)際工況中觸發(fā)角度范圍區(qū)間在 10°～45°，考慮工程裕量，取觸發(fā)角度為60°時(shí)開(kāi)關(guān)觸發(fā)關(guān)合，即最大旋轉(zhuǎn)角α=30°。受力關(guān)系滿足式（1）和式（2）。

圖2 傳動(dòng)桿受力情況

對(duì)試品操作手柄（圖1中E處）進(jìn)行受力分析，如圖3所示，受力關(guān)系滿足式（3）。

圖3 操作柄受力分析

標(biāo)準(zhǔn)GB 1985—2014《高壓交流隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)》規(guī)定了人力操作的最大力，如5.105.2規(guī)定一轉(zhuǎn)以內(nèi)操作隔離開(kāi)關(guān)或接地開(kāi)關(guān)所需要的操作力應(yīng)不大于250N[13]。為保證操作可靠性，本文按最大操作力250N的1.2倍設(shè)計(jì)動(dòng)力氣缸推力，即F0=300N。由式（1）、式（2）和式（3）可推導(dǎo)得

按1.1倍工程裕量，取氣缸推力為508.07N。

2 結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

考慮到不同生產(chǎn)廠家不同類型試品，接地開(kāi)關(guān)操作手柄的長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)軌跡及受力情況均有區(qū)別，因此為了使裝置盡可能適配大多數(shù)廠家的試品，本裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。傳動(dòng)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)裝置總體結(jié)構(gòu)

由圖4可知，裝置主要由機(jī)構(gòu)支架、傳動(dòng)桿、傳動(dòng)軸及氣動(dòng)元件構(gòu)成，觸發(fā)電磁閥后，氣缸活塞桿向左伸出推動(dòng)傳動(dòng)桿做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)試品操作手柄向右旋轉(zhuǎn)關(guān)合試品。傳動(dòng)桿利用杠桿原理將氣缸推力傳遞到繩子端，需要承受一定強(qiáng)度的拉力，鑒于安全性，應(yīng)具備良好的絕緣性能，選用環(huán)氧樹(shù)脂材料的環(huán)氧棒。繩子與傳動(dòng)桿經(jīng)過(guò)彈簧扣連接，當(dāng)操作手柄長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)繩子與傳動(dòng)桿的連接位置改變傳動(dòng)桿的旋轉(zhuǎn)半徑，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)行程的改變。此時(shí)操作手柄、繩子、轉(zhuǎn)動(dòng)桿仍構(gòu)成似平行四邊形機(jī)構(gòu)，以保證水平方向的拉力，增強(qiáng)裝置的適配性。傳動(dòng)桿處連接工位如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)桿處連接工位

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動(dòng)的氣缸和曲線運(yùn)動(dòng)的操作手柄連接，保證氣缸做更多的有效機(jī)械功。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件

3 動(dòng)力部分設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)關(guān)觸發(fā)行程計(jì)算

根據(jù)不同廠家不同類型試品的接地開(kāi)關(guān)，操作手柄r范圍區(qū)間在200～500mm，旋轉(zhuǎn)角度θ范圍區(qū)間在0～90°。接地開(kāi)關(guān)觸發(fā)角度范圍區(qū)間在10°～45°。充分考慮工程裕量，取最大觸發(fā)角度為60°， 最大操作手柄長(zhǎng)度為500mm；取最小觸發(fā)角度為 30°，最小操作手柄長(zhǎng)度為200mm?；￠L(zhǎng)公式為

由式（5）計(jì)算得出開(kāi)關(guān)觸發(fā)最大行程為523mm，最小行程為105mm。

3.2 氣缸及空氣壓縮機(jī)規(guī)格選型

根據(jù)3.1節(jié)中開(kāi)關(guān)觸發(fā)行程及推力計(jì)算結(jié)果，氣缸需要提供較大推力及較長(zhǎng)的行程?？紤]氣缸運(yùn)動(dòng)速度較快，本文選用具備緩沖能力的粗桿緩沖氣缸，用以減小氣缸對(duì)裝置的沖擊，動(dòng)力氣缸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)力氣缸參數(shù)

式中：P為壓強(qiáng)；F為推力；S為受力面面積；h為氣缸有效行程；d為受力面直徑（受力面為圓形）；V為氣缸儲(chǔ)氣量。

由式（5）～式（8）推導(dǎo)出產(chǎn)生780N推力所需壓強(qiáng)P為0.389MPa，氣缸儲(chǔ)氣量為0.785L，最低壓強(qiáng)值為0.259MPa。

為了產(chǎn)生不低于0.259MPa的氣壓，空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐中存儲(chǔ)的氣體應(yīng)不低于2.96L。儲(chǔ)氣量為8L的空氣壓縮機(jī)，可以維持儲(chǔ)氣量為0.785L的動(dòng)力氣缸工作6次，滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求E2級(jí)接地開(kāi)關(guān)具備5次短路關(guān)合能力的次數(shù)。另外，實(shí)際工況中若發(fā)生氣缸過(guò)載或者電磁閥故障等意外情況，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)應(yīng)不大于氣缸及電磁閥的最大使用壓力，無(wú)需為裝置加設(shè)氣壓保護(hù)回路，從而便于維護(hù)檢修。因此本設(shè)計(jì)所選空氣壓縮機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 空氣壓縮機(jī)參數(shù)

3.3 電磁閥規(guī)格選型

本文選用二位五通雙電控電磁閥對(duì)氣缸進(jìn)行雙向控制，實(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？紤]接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)對(duì)開(kāi)關(guān)關(guān)合速度的要求，所選電磁閥參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電磁閥參數(shù)

式中：Q為氣體流量；υ為氣缸運(yùn)動(dòng)速度；t為氣缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

依據(jù)所選氣缸參數(shù)及電磁閥流量范圍聯(lián)立式（7）、式（9）和式（10）可以計(jì)算得出氣缸運(yùn)動(dòng)速度范圍為1.32m/s＜υ＜1.74m/s，理論動(dòng)作時(shí)間范圍為205ms＜t＜303ms。

4 短路關(guān)合試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證裝置的可行性，用本文設(shè)計(jì)的裝置對(duì)川開(kāi)電氣有限公司制造的XGW—12（箱式）戶外交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備樣機(jī)進(jìn)行額定短路關(guān)合電流5kA、額定短時(shí)耐受電流2kA的短路關(guān)合試驗(yàn)，試驗(yàn)回路如圖7所示。圖7中，1QS為進(jìn)線隔離開(kāi)關(guān)，2QS為主變二次側(cè)隔離開(kāi)關(guān)，1QF為進(jìn)線斷路器，2QF為保護(hù)斷路器，3QF為試驗(yàn)斷路器，L為電抗器，SP為試品，F(xiàn)Y為分壓器，Rogoski coil為羅氏線圈。網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)站進(jìn)線電壓35kV，試驗(yàn)回路線電壓12kV，單相回路阻抗值3.4Ω。帶載試驗(yàn)布置如圖8所示。

圖7 接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)回路

圖8 帶載試驗(yàn)布置

首先，空載情況下進(jìn)行2次遠(yuǎn)控合閘操作，保證裝置及試品等正常動(dòng)作，再進(jìn)行帶載遠(yuǎn)控試驗(yàn)。短路關(guān)合試驗(yàn)波形如圖9所示，tA時(shí)刻接通電源送電，tB時(shí)刻試品關(guān)合短路開(kāi)始，tC時(shí)刻切斷電源短路結(jié)束。經(jīng)采集系統(tǒng)得到的裝置動(dòng)作時(shí)間見(jiàn)表4。其中，動(dòng)作時(shí)間為發(fā)出關(guān)合信號(hào)到試品關(guān)合的時(shí)間，裝置動(dòng)作最短時(shí)間217ms，最長(zhǎng)時(shí)間223ms，動(dòng)作時(shí)間在理論計(jì)算值內(nèi)滿足要求。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)預(yù)設(shè)關(guān)合時(shí)刻為248ms，繼電器和接觸器等固定動(dòng)作時(shí)間30～60ms，實(shí)際測(cè)量關(guān)合時(shí)刻295.6～297.3ms，最大時(shí)間差1.7ms。裝置帶動(dòng)試品關(guān)合過(guò)程中，氣缸并非伸出全部行程，而是一定行程時(shí)即可觸發(fā)試品內(nèi)部操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，關(guān)合開(kāi)關(guān)。因此，本裝置實(shí)際動(dòng)作時(shí)間比理論計(jì)算值更短。

表4 裝置動(dòng)作時(shí)間

圖9 短路關(guān)合試驗(yàn)波形

圖9中，Ia為A相電流，Ib為B相電流，Ic為C相電流；Max為最大值，Min為最小值，Peak為峰峰值，RMS為有效值。A、B、C三相電流有效值分別為2.167kA、1.986kA、2.296kA，C相短路關(guān)合電流最大值為5.103kA，短路持續(xù)時(shí)間223.5ms。短路電流的峰值及有效值均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 1985—2014第6.101.5條和DL/T 486—2010[14]第4.101條中對(duì)短路關(guān)合電流的要求。試驗(yàn)時(shí)檢測(cè)人員進(jìn)行一次預(yù)期試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整試驗(yàn)回路阻抗及合閘相角。試驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)了一次合閘相角，成功完成2C-x- 2C-y-1C試驗(yàn)，選相合閘可以有效作用于試驗(yàn)，并且試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)需人員進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)。若因試品質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，向外噴射氣體、液體、火焰或金屬微粒等也不會(huì)危及操作人員。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并研制出一種氣壓傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置用于接地開(kāi)關(guān)短路關(guān)合試驗(yàn)可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。該氣壓傳動(dòng)裝置不僅解決了試驗(yàn)室人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)進(jìn)行關(guān)合試驗(yàn)安全性低的問(wèn)題，而且可靠性高、穩(wěn)定性好，有效提高了試驗(yàn)的安全性和試驗(yàn)效率，適配于最大操作力不超過(guò)250N的高壓手動(dòng)式開(kāi)關(guān)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。