高壓斷路器模塊化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

蘇毅，張帥，彭在興，李銳海，謝植飚，盧宇峰，趙林杰，王頌，易林，陳佳莉

(1. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧530023；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663)

0 引言

高壓斷路器設(shè)備是電網(wǎng)重要的保護(hù)和控制設(shè)備，高壓斷路器機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的核心部件之一，其可靠性關(guān)系到斷路器產(chǎn)品的安全運(yùn)行。根據(jù)電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)220 kV及以下電壓等級(jí)的斷路器事故統(tǒng)計(jì)中，機(jī)構(gòu)拒動(dòng)等故障占所有事故的43%；110～550 kV電壓等級(jí)中，操作機(jī)構(gòu)及其輔助回路的故障占所有故障的66.4%[1]。根據(jù)南方電網(wǎng)公司的檢修試驗(yàn)規(guī)程[2]，約65%的斷路器預(yù)試檢修項(xiàng)目和機(jī)構(gòu)有關(guān)，且由于斷路器機(jī)構(gòu)零部件多，二次接線復(fù)雜，機(jī)構(gòu)的預(yù)試檢修耗時(shí)費(fèi)力。目前的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)未充分考慮現(xiàn)場(chǎng)更換需求，更換后需要進(jìn)行大量調(diào)試工作；二次出線接口未采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，更換調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)。因此，開(kāi)發(fā)一種模塊化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)不停電快速檢修更換，以提高機(jī)構(gòu)可靠性，減少檢修時(shí)間具有重要的實(shí)用價(jià)值。

隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、控制原理以及信號(hào)分析技術(shù)等得到大量應(yīng)用，為斷路器智能化發(fā)展提供了研究方向[3 - 6]。目前對(duì)斷路器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要包括振動(dòng)信號(hào)、分合閘線圈電流信號(hào)、儲(chǔ)能電機(jī)電流信號(hào)、動(dòng)觸頭行程信號(hào)、斷路器觸頭溫度以及環(huán)境溫度信號(hào)、分合閘狀態(tài)信號(hào)等[7 - 11]。但智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的實(shí)用性和商品化程度還不夠，存在與初級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不同步， 設(shè)備、安裝接口不規(guī)范、部分智能組件不具備工程應(yīng)用條件等問(wèn)題[12]。 而在開(kāi)關(guān)模塊化方面，滿足斷路器保持接通的狀態(tài)下更換相關(guān)部件模塊，實(shí)現(xiàn)不停電更換，相關(guān)研究目前只集中在低壓斷路器[13]，高壓斷路器方面的研究相對(duì)缺乏。

目前，高壓斷路器設(shè)備在投運(yùn)前，其電性能和分合閘機(jī)械壽命等指標(biāo)可通過(guò)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的符合性試驗(yàn)驗(yàn)證，但仍缺失開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證方法[14]。運(yùn)行過(guò)程中由于存在環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的可靠性面臨降低的風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要研究試驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行壽命內(nèi)的可靠性。

本文基于上述高壓斷路器模塊化、智能化的發(fā)展方向以及可靠性驗(yàn)證的需要，研究了一種模塊化、智能化設(shè)計(jì)的斷路器機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一種基于加速老化試驗(yàn)的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法。

1 斷路器機(jī)構(gòu)二次回路模塊化研究

斷路器的機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的核心部件之一，機(jī)構(gòu)的可靠性關(guān)系到斷路器產(chǎn)品的安全運(yùn)行。由于斷路器運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較差，而且斷路器操作頻繁，操作振動(dòng)大，受這些不利因素影響，斷路器出現(xiàn)故障多半是機(jī)構(gòu)失效引起的。機(jī)構(gòu)模塊化主要目的是將機(jī)構(gòu)的零組件按功能分區(qū)域布置，減少各功能模塊之間的影響，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，從而提高產(chǎn)品的可靠性[15 - 17]。

機(jī)構(gòu)模塊化的主要任務(wù)是減低機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性、提高機(jī)構(gòu)的可維修性，以達(dá)到便于故障原因的分析，減小故障更換時(shí)間，快速消除故障目的。因此，機(jī)構(gòu)的模塊化改造需要達(dá)到如下目標(biāo)：1) 功能模塊劃分清晰；2) 模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；3) 模塊故障定位清晰；4) 實(shí)現(xiàn)部分模塊的不停電更換。

1.1 斷路器二次回路現(xiàn)狀分析

1)接線端子數(shù)量多。本研究中使用的機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，端子排的數(shù)量超過(guò)700個(gè)，接觸器、繼電器等接線端子超過(guò)300個(gè)，總的端子數(shù)量超過(guò)1 000個(gè)，且隨著對(duì)斷路器要求的增加，如要求輔助開(kāi)關(guān)的常開(kāi)和常閉點(diǎn)都接在端子上、電纜分交直流分區(qū)布置等，端子數(shù)量還需增加。導(dǎo)致更換機(jī)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)接線和檢查難度巨大。

2)相間電纜數(shù)量多。分相操作中斷路器三相之間的控制需要相間電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。例如，取輔助節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，密度繼電器和中間繼電器之間的信號(hào)節(jié)點(diǎn)，三相不一致的節(jié)點(diǎn)需要大量的線芯，更換時(shí)容易造成接線錯(cuò)誤，給檢查帶來(lái)困難。

3)斷路器提取的信號(hào)多。每個(gè)信號(hào)節(jié)點(diǎn)需要一根電纜連接到后臺(tái)，且交直流信號(hào)不能在同一根電纜中，因此需要多根電纜才能完成信號(hào)提取，而更換機(jī)構(gòu)時(shí)需要重新拆卸和安裝這些電纜。

4)二次元器件可靠性差。目前大量使用的二次元器件，由于布線復(fù)雜，存在接線松動(dòng)、虛連線等不易分析解決問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)更換時(shí)需要進(jìn)行拆線和重新布線，容易出錯(cuò)且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.2 斷路器二次回路模塊化設(shè)計(jì)方案

將斷路器機(jī)構(gòu)二次控制回路進(jìn)行功能區(qū)分與封裝，分別為：總控單元、監(jiān)控自檢模塊、分合閘控制模塊、第一跳閘模塊、第二跳閘模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、電機(jī)控制模塊、溫濕度控制模塊和智能管理模塊，如圖1所示。各模塊相互獨(dú)立封裝，功能獨(dú)立，便于故障定位和更換。

圖1 二次回路模塊劃分設(shè)計(jì)Fig.1 Division design of secondary circuit module

1)自檢模塊：對(duì)各模塊(包括總控模塊和自身)功能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)測(cè)到二次回路發(fā)生故障時(shí)，自檢模塊對(duì)外發(fā)出告警信號(hào)并指示定位故障模塊。

2)分合閘控制模塊：同時(shí)對(duì)三相機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘遠(yuǎn)程控制，可三相同時(shí)操作和分相操作。

3)第一跳閘模塊和第二跳閘模塊：與繼電保護(hù)系統(tǒng)通信，接收繼電保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)斷路器跳閘和重合閘等保護(hù)動(dòng)作，第一跳閘模塊和第二跳閘模塊互為備份，提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

4)狀態(tài)監(jiān)控模塊：監(jiān)控機(jī)構(gòu)各項(xiàng)狀態(tài)，并開(kāi)出閉鎖接點(diǎn)和信號(hào)接點(diǎn)，上傳至總控單元，與電機(jī)控制模塊進(jìn)行通信。

5)電機(jī)控制模塊：接收總控單元信號(hào)，控制機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電機(jī)的啟動(dòng)與停止，同時(shí)設(shè)置電機(jī)限流波保護(hù)功能、打壓限時(shí)保護(hù)功能。

6)溫濕度控制模塊：具備溫度傳感器、濕度傳感器、加熱器和風(fēng)扇，可進(jìn)行數(shù)字設(shè)定控溫、控濕范圍，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制風(fēng)扇和加熱器的啟停。

7)智能管理模塊：具備事件記錄功能，可記錄斷路器歷史動(dòng)作數(shù)據(jù)和斷路器故障數(shù)據(jù)。

1.3 斷路器二次回路模塊設(shè)計(jì)

二次回路模塊由底座和主模塊組成，模塊設(shè)計(jì)為可插拔形式，更換滿足“動(dòng)件不動(dòng)線”特點(diǎn)，便于維護(hù)。模塊底座設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝、接線。外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 二次模塊設(shè)計(jì)圖Fig.2 Schematic diagram of secondary module design

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證更換方便的同時(shí)，必須保證不會(huì)出現(xiàn)模塊安裝錯(cuò)誤的情況發(fā)生。采用不對(duì)稱設(shè)計(jì)，主模塊與底座間的接插件設(shè)計(jì)為非對(duì)稱排列，可以防止插反，避免插反帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為防止模塊間插錯(cuò)，在主模塊與底座間可設(shè)計(jì)可自由搭配的防插錯(cuò)銷。主模塊與底座同時(shí)可設(shè)置2個(gè)防錯(cuò)銷安裝位，每個(gè)防錯(cuò)銷有4個(gè)方向可以選擇，這樣可以實(shí)現(xiàn)16種不同的組合，通過(guò)防錯(cuò)銷位置的不同組合實(shí)現(xiàn)主模塊與底座的唯一匹配，如圖3所示。

圖3 二次模塊防誤裝設(shè)計(jì)Fig.3 Mis-installation prevention design of secondary module

1.4 二次回路模塊改造原理及功能分析

分合閘回路的改造原理是將原來(lái)的分裂元件通過(guò)功能的劃分，集成到了3個(gè)模塊內(nèi)部。模塊的設(shè)計(jì)依據(jù)GB/T 14598.2—2011《量度繼電器和保護(hù)裝置 第1部分：通用要求》[18]，以繼電保護(hù)的要求來(lái)進(jìn)行改造，以此來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以分合閘控制模塊為例進(jìn)行說(shuō)明，其原理如圖4所示。

圖4 分合閘模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of opening and closing module

通過(guò)該模塊，可以實(shí)現(xiàn)的回路功能邏輯如下：

1)合閘回路：X5、X10和X15分別是三相(A相、B相和C相)合閘控制信號(hào)輸入端。X33/X34、X39/40和X45/X46分別串接斷路器常閉接點(diǎn)后接入斷路器合閘線圈。由HBJA、HBJB和HBJC電流繼電器執(zhí)行合閘操作。

2)Ⅰ路分閘回路：X8、X13和X18分別是三相(A相、B相和C相)Ⅰ路分閘控制信號(hào)輸入端。X35/X36、X41/42和X47/X48分別串接斷路器常開(kāi)接點(diǎn)后接入斷路器Ⅰ路分閘線圈。由1TBJA、1TBJB和1TBJC電流繼電器執(zhí)行Ⅰ路分閘操作。

3)Ⅱ路分閘：X9、X14和X19分別是三相(A相、B相和C相)Ⅱ路分閘控制信號(hào)輸入端。X37/X38、X43/44和X49/X50分別串接斷路器常開(kāi)接點(diǎn)后接入斷路器Ⅱ路分閘線圈。由2TBJA、2TBJB和2TBJC電流繼電器執(zhí)行Ⅱ路分閘操作。

4)防跳功能：若合閘信號(hào)和分閘信號(hào)同時(shí)接入產(chǎn)品時(shí)，啟動(dòng)防跳繼電器(TBJA、TBJB和TBJC)，由防跳繼電器斷開(kāi)產(chǎn)品合閘回路，以此達(dá)到防止斷路器頻繁分合閘。

5)儲(chǔ)能電機(jī)狀態(tài)接入：產(chǎn)品三相合閘回路分別提供兩個(gè)端口(A相合閘：X6/X7，B相合閘：X11/X12，C相合閘：X16/X17)，接入斷路器儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的常閉接點(diǎn)。當(dāng)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)完成儲(chǔ)能后DTA、DTB和DTC接點(diǎn)閉合，此時(shí)可以進(jìn)行合閘操作。當(dāng)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)未完成儲(chǔ)能DTA、DTB和DTC接點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)合閘操作無(wú)效。

2 斷路器機(jī)構(gòu)一次部分模塊化研究

2.1 斷路器機(jī)構(gòu)箱整體模塊化改進(jìn)

機(jī)構(gòu)和斷路器共有4處固定位置：機(jī)構(gòu)頂部和斷路器傳動(dòng)箱相連，側(cè)面和機(jī)構(gòu)箱掛板連接，機(jī)構(gòu)的輸出拐臂和傳動(dòng)箱拐臂連接，在機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)箱之間使用支撐桿連接。需解除這些位置的連接，機(jī)構(gòu)才可以實(shí)現(xiàn)整體進(jìn)行更換。為更方便地取出機(jī)構(gòu)，節(jié)省拆除螺栓和封板的工作，將封板結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為門(mén)式結(jié)構(gòu)，如圖5所示。使用門(mén)式結(jié)構(gòu)后，既能為提取機(jī)構(gòu)留出足夠的空間，又能節(jié)省螺栓拆裝時(shí)間和難度。

圖5 機(jī)構(gòu)箱門(mén)式結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Door structure diagram of the mechanism

在機(jī)構(gòu)箱箱體后部增加了開(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)，由于門(mén)鎖所需額外空間進(jìn)行安裝，因而機(jī)構(gòu)箱支架需加長(zhǎng)25 mm，因此需要對(duì)新的箱體進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。如圖6所示，分相斷路器的最大動(dòng)載荷為50 kN，計(jì)算結(jié)果表明，最大應(yīng)力集中于頂部角鋼搭接處，其最大應(yīng)力值σ1為1.273×108N/m2，支架主體采用Q235AF角鋼，其屈服強(qiáng)度σ為2.827×108N/m2，改進(jìn)后的安全系數(shù)n=σ/σ1=2.22，結(jié)構(gòu)可靠。

圖6 機(jī)構(gòu)箱門(mén)式結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Modularized improved support strength calculation

2.2 斷路器機(jī)構(gòu)零部件模塊化設(shè)計(jì)

對(duì)于彈簧機(jī)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)需要更換的易損件主要是線圈和電機(jī)。這兩個(gè)部件的拆卸、組裝和更換較為復(fù)雜。為了提高效率和精度，將單個(gè)單元的更換優(yōu)化為整體模塊的更換。線圈組裝的主要風(fēng)險(xiǎn)是重新組裝時(shí)間隙變化的調(diào)整。為避免風(fēng)險(xiǎn)，電磁鐵可在制造廠預(yù)組裝，線圈整體更換為電磁鐵。電機(jī)拆裝的主要難點(diǎn)是機(jī)架內(nèi)傳動(dòng)部件較多。為降低組裝難度，電機(jī)與機(jī)架組裝好后，可合并作為一個(gè)整體的電機(jī)組裝模塊，如圖7。

圖7 線圈模塊和電機(jī)模塊Fig.7 Coil module and motor module

同時(shí)按功能的不同對(duì)功能構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少更換步驟。分別對(duì)合閘保持掣子復(fù)位彈簧壓板、防跳閥座安裝板、支撐桿和副分電磁鐵安裝板進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，省去部分緊固螺栓，如圖8所示。

圖8 模塊化零部件Fig.8 Modular components

3 斷路器機(jī)構(gòu)快速更換

3.1 斷路器位置鎖定方案

斷路器在正常運(yùn)行時(shí)，依靠機(jī)構(gòu)將斷路器的本體可靠地鎖定在合閘位置，保持回路處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)斷路器需要帶電檢修、更換機(jī)構(gòu)時(shí)，本體與機(jī)構(gòu)將會(huì)脫開(kāi)，如果動(dòng)觸頭在重力和電動(dòng)力的作用下脫開(kāi)，則電弧會(huì)在觸頭間燃燒造成爆炸，釀成重大事故。因此必須保證機(jī)構(gòu)與本體脫開(kāi)后，本體仍能可靠地鎖定在合閘位置，保證正常的運(yùn)行，確保檢修人員的人身安全。為了方便檢修，鎖定裝置必須滿足快速鎖定和快速退出鎖定、操作方便、易于觀察這3項(xiàng)要求。

設(shè)計(jì)方案利用傳動(dòng)箱的螺孔，在傳動(dòng)箱安裝1個(gè)帶鎖定孔的鎖定塊，當(dāng)斷路器處于合閘位置時(shí)，鎖定塊的鎖定孔與外拐臂定位孔處于對(duì)穿位置，將鎖定銷穿在這對(duì)孔中，鎖定外拐臂沿軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)與本體分離后，斷路器本體仍能可靠地保持合閘狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 斷路器本體鎖定方案Fig.9 Schematic diagram of body locking

3.2 鎖定方案可靠性驗(yàn)證

為了保證現(xiàn)場(chǎng)鎖定時(shí)，軸銷可以輕松地插入定位孔，軸銷與孔之間設(shè)計(jì)有0.2 mm的配合間隙，外拐臂定位孔與轉(zhuǎn)軸的中心距為70 mm，內(nèi)拐臂長(zhǎng)傳動(dòng)銷與轉(zhuǎn)軸的中心距為179 mm，放大比例為179/70=2.6倍。當(dāng)銷子的間隙為0.2 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)動(dòng)觸頭上的位置最大變化量為0.5 mm，斷路器的主觸頭接觸行程約為10 mm，當(dāng)觸頭向下運(yùn)動(dòng)0.5 mm時(shí)，觸頭的壓緊力沒(méi)有變化。因此變化0.5 mm不影響斷路器的導(dǎo)電性能。同時(shí)觸頭處于高壓位置，動(dòng)側(cè)和靜側(cè)的外形沒(méi)有變化，電場(chǎng)和磁場(chǎng)無(wú)變化，如圖10所示。

圖10 觸頭鎖定可靠性說(shuō)明Fig.10 Reliability scheme of contact locking

觸頭在重力和電動(dòng)力作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸銷受剪切應(yīng)力，觸頭電動(dòng)力可根據(jù)式(1)計(jì)算[19]。

(1)

式中：I為短路電流取50 kA；r1為觸頭外徑為100 mm；r2為接觸處的圓弧為4 mm。計(jì)算得F1約為995 N，觸頭重力F2取250 N。

傳動(dòng)箱內(nèi)拐臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)1=179 mm，因此作用在傳動(dòng)箱轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩M1為：M1=(F1+F2)×L1=(995+250)×179=222 855 N·mm。

鎖定銷與轉(zhuǎn)軸中心的距離L2=70 mm，作用在軸銷上的力可通過(guò)轉(zhuǎn)矩求得F3=3 183.6 N，取整數(shù)為3 184 N。

鎖定銷在鎖定位置時(shí)出現(xiàn)短路電流時(shí)所受的應(yīng)力如式(2)所示。

(2)

式中S為鎖定銷的面積。鎖定銷直徑為10 mm，求得應(yīng)力σ約為46 MPa，遠(yuǎn)小于軸銷材料合金鋼的剪切應(yīng)力490 MPa，能保證可靠的鎖定。

3.3 斷路器機(jī)構(gòu)互換性研究

考慮到帶電更換的情況，斷路器處于動(dòng)作狀態(tài)，更換后的斷路器的行程和機(jī)械特性無(wú)法測(cè)試。產(chǎn)品的性能只能通過(guò)機(jī)構(gòu)的互換性來(lái)保證。因此，帶電維修的前提是機(jī)構(gòu)的互換性，互換性的基礎(chǔ)是機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化。

機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)鍵在于影響性能的關(guān)鍵零部件的標(biāo)準(zhǔn)化。彈簧機(jī)構(gòu)使用彈簧作為動(dòng)力源，決定了機(jī)構(gòu)的分合閘速度；緩沖器用于限制機(jī)構(gòu)的分閘位置，決定機(jī)構(gòu)的輸出行程；線圈決定了機(jī)構(gòu)分合閘脫扣的速度，影響機(jī)構(gòu)的分合閘時(shí)間；電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為機(jī)構(gòu)進(jìn)行儲(chǔ)能。因此，彈簧、緩沖器、線圈、電機(jī)等零部件的性能對(duì)機(jī)構(gòu)性能的影響較大。

1)彈簧。作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，彈簧的機(jī)械特性決定了機(jī)構(gòu)的速度特性。彈簧的機(jī)械特性可以通過(guò)測(cè)試彈簧輸出來(lái)反映，彈簧出力和對(duì)彈簧的實(shí)際壓縮量呈正比關(guān)系。在機(jī)構(gòu)的實(shí)際裝配和調(diào)試過(guò)程中，為準(zhǔn)確確認(rèn)彈簧位置，同時(shí)考慮到測(cè)量的便捷性，采用測(cè)量彈簧法蘭和筒的方式來(lái)確認(rèn)的彈簧壓縮量，進(jìn)而確定彈簧位置。目前，常見(jiàn)的彈簧力值標(biāo)定方式有定位移壓縮標(biāo)注法和定高壓縮標(biāo)注法兩種。采用定高壓縮標(biāo)注法保證彈簧壓縮一致性，并通過(guò)對(duì)彈簧剛度的嚴(yán)格要求來(lái)保證彈簧的互換性，從而保證機(jī)構(gòu)的速度特性。

2)緩沖器。緩沖器用于限制機(jī)構(gòu)的分閘位置，其限位性能與零部件加工和油量控制有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)緩沖器的標(biāo)準(zhǔn)化更換，提高對(duì)活塞和油缸的配合間隙、限位接頭定位精度的精度要求。在裝配時(shí)，除使用量杯加注液壓油外，同時(shí)使用出油孔液面定位，保證油位精確可靠。通過(guò)控制緩沖器部件的加工精度，裝配和注油量可以有效地控制緩沖器的限位和特性。

3)分合閘線圈。分合閘線圈減少定位臺(tái)距離電磁鐵距離，提高輸出轉(zhuǎn)矩的精度；減少分合閘電磁鐵頂桿與分合閘摯子的間隙的誤差允許范圍，提高電磁鐵輸出特性精度；控制線圈匝數(shù)偏差范圍，保證電磁鐵輸出力的大小。通過(guò)提高分合閘線圈的要求精度，保證 線圈的標(biāo)準(zhǔn)化互換性。

4)電機(jī)模塊。結(jié)構(gòu)上升級(jí)電機(jī)各安裝孔和定位臺(tái)的尺寸鏈，減少定位臺(tái)距離。同時(shí)，通過(guò)減少螺栓孔徑，控制齒輪嚙合距離的精度，保證電機(jī)更換的標(biāo)準(zhǔn)度。

3.4 斷路器機(jī)構(gòu)快速更換方案

操作機(jī)構(gòu)在安裝到斷路器上之前，為保證效率，可預(yù)先進(jìn)行磨合。在模擬試驗(yàn)平臺(tái)上磨合時(shí)，將彈簧壓縮量、電磁鐵間隙和行程位置提前進(jìn)行測(cè)量，按照上述標(biāo)準(zhǔn)化的要求進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)行200次的機(jī)械磨合操作后再進(jìn)行安裝，通過(guò)這一方法可以有效消除人工裝配的差異，保證機(jī)械磨合的有效性和統(tǒng)一性。斷路器機(jī)構(gòu)帶電更換，機(jī)構(gòu)須處于關(guān)閉位置，為防止機(jī)構(gòu)在運(yùn)輸周轉(zhuǎn)過(guò)程中因振動(dòng)而發(fā)生故障，運(yùn)輸過(guò)程中機(jī)構(gòu)應(yīng)處于開(kāi)啟狀態(tài)且無(wú)儲(chǔ)能。由于帶電更換機(jī)構(gòu)時(shí)無(wú)法進(jìn)行特性測(cè)試，在更換前必須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的新機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保其完全符合要求。因此，在現(xiàn)場(chǎng)更換前，通過(guò)將更換的機(jī)構(gòu)在模擬驗(yàn)證機(jī)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能和關(guān)閉，同時(shí)進(jìn)行特性測(cè)試和調(diào)整，機(jī)構(gòu)在驗(yàn)證機(jī)上試驗(yàn)合格后再進(jìn)行更換。

斷路器檢修試驗(yàn)規(guī)程的當(dāng)前規(guī)定在流程上不允許斷路器不停電更換機(jī)構(gòu)。因此本研究旨在探索斷路器機(jī)構(gòu)不停電更換的可行性，后續(xù)對(duì)于不停電更換方案的可靠性驗(yàn)證以及試點(diǎn)應(yīng)用仍需要進(jìn)行大量探索工作。

4 斷路器機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證研究

4.1 加速老化試驗(yàn)方案

斷路器在閉合通電位置時(shí)，操作機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期不動(dòng)作，一旦動(dòng)作則要求動(dòng)作靈活可靠[20]。操作機(jī)構(gòu)包括金屬件、非金屬件、機(jī)械部件(結(jié)構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)件)以及電子/機(jī)電部件等組成部件。服役期間出現(xiàn)的故障模式可劃分為機(jī)械故障、密封故障、二次故障、絕緣故障、結(jié)構(gòu)故障以及環(huán)控故障。結(jié)合斷路器機(jī)構(gòu)的運(yùn)行環(huán)境特征，選擇濕熱試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行機(jī)構(gòu)加速老化研究。加速老化試驗(yàn)方法按照?qǐng)D11中的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖11 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)流程圖Fig.11 Design flow of test method

4.1.1 高溫高濕加速老化試驗(yàn)方案

依據(jù)高溫高濕加速試驗(yàn)-艾林模型[21 - 22]，設(shè)置環(huán)境分類為戶外型；電氣條件為額定供電條件和設(shè)定機(jī)械動(dòng)作次數(shù)；樣品數(shù)量為3臺(tái)/件；試驗(yàn)溫度為85 ℃，試驗(yàn)相對(duì)濕度為85%；預(yù)期壽命指標(biāo)H為12 a，試驗(yàn)方案和時(shí)間如表1所示。

表1 高溫高濕老化試驗(yàn)方案Tab.1 High temperature and humidity aging test scheme

高溫高濕試驗(yàn)過(guò)程中，需要讓電控部件帶電按照正常工作模式動(dòng)作，根據(jù)機(jī)構(gòu)整體的壽命年限內(nèi)總的機(jī)構(gòu)動(dòng)作(分合閘)次數(shù)以及具體的使用情況，合理分配高溫高濕試驗(yàn)各小時(shí)內(nèi)的電控部件動(dòng)作次數(shù)以及停留時(shí)間，模擬真實(shí)的使用情況。

假設(shè)機(jī)構(gòu)每年分合閘動(dòng)作10次，機(jī)構(gòu)檢修周期為12 a，取平均無(wú)故障時(shí)間(mean time between failure，MTBF)為12 a，機(jī)構(gòu)應(yīng)分合閘動(dòng)作120次。結(jié)合高溫高濕加速試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度85 ℃，相對(duì)濕度85%，置信度為90%下出現(xiàn)無(wú)樣品失效的時(shí)間為675 h，即電控部件單次動(dòng)作周期為338 min，其中約1/10的時(shí)間為斷開(kāi)狀態(tài)，9/10的時(shí)間為接通狀態(tài)。

4.1.2 鹽霧加速老化試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用GJB 899A—2009[23]規(guī)定的定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，具體參數(shù)如表2所示。

表2 定時(shí)截尾試驗(yàn)參數(shù)表Tab.2 Timing Censored Test Parameters Table

根據(jù)試驗(yàn)方案，1臺(tái)機(jī)構(gòu)整體總的工作或承受試驗(yàn)應(yīng)力的累積時(shí)間為：T≥1.61×12=19.4 a。根據(jù)中性鹽霧加速試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值，中性鹽霧24 h試驗(yàn)滿足要求后，相當(dāng)于產(chǎn)品在正常使用環(huán)境條件下1 a的時(shí)間，即24×19.4=466 h，若1臺(tái)機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行中性鹽霧加速試驗(yàn)進(jìn)行了466 h，定時(shí)結(jié)尾試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)責(zé)任故障，可認(rèn)為機(jī)構(gòu)整體可靠性指標(biāo)MTBF達(dá)到12 a[24]。

鹽霧試驗(yàn)過(guò)程中，需要讓電控部件帶電控制機(jī)構(gòu)整體按照正常工作模式動(dòng)作，根據(jù)機(jī)構(gòu)整體的壽命年限內(nèi)總的機(jī)構(gòu)動(dòng)作(分合閘)次數(shù)以及具體的使用情況，合理分配鹽霧試驗(yàn)各小時(shí)內(nèi)的分合閘動(dòng)作次數(shù)以及停留時(shí)間，模擬真實(shí)的使用情況。

假設(shè)機(jī)構(gòu)每年分合閘動(dòng)作10次，則MTBF為12 a時(shí)應(yīng)分合閘動(dòng)作120次，結(jié)合鹽霧加速試驗(yàn)時(shí)間466 h，得機(jī)構(gòu)單次分合閘動(dòng)作周期為23.3 min，其中約1/10的時(shí)間為斷開(kāi)狀態(tài)，9/10的時(shí)間為接通狀態(tài)。

4.2 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行濕熱和鹽霧加速老化試驗(yàn)，研究樣機(jī)的可靠性。

4.2.1 高溫高濕老化試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)后，樣品內(nèi)部門(mén)鎖連接桿螺絲及墊片和個(gè)別螺絲氧化，軸桿表面潤(rùn)滑油凝結(jié)于表面，走線盒變形，溫度控制器外殼變形，溫度傳感器外殼變形，固定式LED燈具變形，電機(jī)保護(hù)殼變形；其他部件及整體外觀無(wú)明顯變化，如圖12所示。

圖12 濕熱老化后樣品Fig.12 Sample after humidity and thermal aging

試驗(yàn)前后，斷路器機(jī)構(gòu)的特性值[25 - 27]沒(méi)有發(fā)生明顯變化，如圖13所示。

圖13 濕熱老化后特性曲線Fig.13 Characteristic curves after humidity and thermal aging

4.2.2 鹽霧老化試驗(yàn)結(jié)果

鹽霧老化試驗(yàn)后：斷路器機(jī)構(gòu)本體運(yùn)動(dòng)件基材未發(fā)生腐蝕，僅部分表面防護(hù)涂層出現(xiàn)龜裂或粉狀氧化脫落不影響機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，如圖14所示。

圖14 鹽霧老化后樣品Fig.14 Sample after salt spray aging

鹽霧老化試驗(yàn)前后，斷路器機(jī)構(gòu)的特性值沒(méi)有發(fā)生明顯變化，如圖15所示，部分區(qū)段的行程曲線較老化前有下降趨勢(shì)，但仍滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖15 鹽霧老化后特性曲線Fig.15 Characteristic curves after salt spray aging

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種模塊化、智能化設(shè)計(jì)的斷路器機(jī)構(gòu)。將斷路器二次部分按功能分為分合閘模塊、儲(chǔ)能電機(jī)模塊、溫濕度控制模塊等，模塊采用可插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便更換。同時(shí)改造斷路器一次部分，提出了整個(gè)斷路器機(jī)構(gòu)不停電的更換方案，設(shè)計(jì)了斷路器本體的定位方法，提出了一種保證斷路器機(jī)構(gòu)輸出一致性的方案，以保證不同機(jī)構(gòu)之間的互換性。研究了斷路器機(jī)構(gòu)的智能化方案，提出了斷路器分合閘線圈電流監(jiān)測(cè)方案和機(jī)構(gòu)行程監(jiān)測(cè)方案，包括傳感器的選擇和布置，以及智能終端的設(shè)計(jì)?；跐駸釕?yīng)力壽命模型和鹽霧經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的加速老化試驗(yàn)方法，對(duì)研制的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證。老化試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)構(gòu)的可靠性滿足要求。本文提出的模塊化、智能化設(shè)計(jì)的斷路器機(jī)構(gòu)為斷路器設(shè)備數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展提供了可能的方向。