10kV壓氣式負(fù)荷開關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳勇皓

（浙江力升彈簧股份有限公司，浙江樂(lè)清 325600）

0 引言

FKN12-12 系列戶內(nèi)交流負(fù)荷開關(guān)，適用于三相交流50 Hz、12 kV 的供電網(wǎng)絡(luò)，用于開斷負(fù)荷電流及關(guān)合短路電流。開關(guān)可配接地刀，也可配高壓限流式熔斷器，組成FKRN12-12D/T125-31.5負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器。它可以靠高壓熔斷器（XRNT-12）開斷短路電流，在配電中用于變壓器前端，保護(hù)變壓器。FN12 系列壓氣式負(fù)荷開關(guān)自進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的推廣，由于性能穩(wěn)定，逐步代替了FN5、FN7 等系列高壓負(fù)荷開關(guān)，且用量逐步增加。雖然產(chǎn)品在幾十年內(nèi)的發(fā)展中不斷改進(jìn)、升級(jí)，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，產(chǎn)品仍然需要繼續(xù)改進(jìn)，以適應(yīng)當(dāng)前市場(chǎng)及性能的要求。

1 FKN12-12 系列開關(guān)

FKN12-12 系列壓氣式負(fù)荷開關(guān)主要由安裝機(jī)架、絕緣件、動(dòng)靜觸頭部件組件、機(jī)構(gòu)罩組裝、操作機(jī)構(gòu)、接地軸組件、主刀軸組裝、脫扣軸組裝等部件組成。開關(guān)的三個(gè)靜觸頭位于隔離鐘罩之中，隔離鐘罩依次安裝安裝機(jī)架上，三相動(dòng)觸頭通過(guò)主軸帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)分、合動(dòng)作。主軸由裝在安裝機(jī)架上的操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)操作手柄或電機(jī)帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程使機(jī)構(gòu)上的合閘彈簧儲(chǔ)能，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度，合閘掣子與合閘半軸分離，彈簧釋放能量推動(dòng)管狀動(dòng)觸頭，使之與靜觸頭緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)合閘，同時(shí)讓分閘彈簧儲(chǔ)能。分閘時(shí)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，打開儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)上的分閘半軸，釋放分閘彈簧的能量，實(shí)現(xiàn)分閘。

2 存在的問(wèn)題

2.1 動(dòng)觸頭部件存在的問(wèn)題

10 kV 開關(guān)的總體發(fā)展趨勢(shì)是朝著智能化、小型化、模塊化的方向發(fā)展。FKN12-12 系列負(fù)荷開關(guān)面市以來(lái)，一直都有良好的口碑，但是由于體積較大，動(dòng)觸頭部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給裝配與調(diào)試帶來(lái)很多麻煩，也不符合技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。FKRN12-12 系列負(fù)荷開關(guān)由于體積大、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，成本也比較高。

2.2 聯(lián)鎖功能存在的問(wèn)題

接地和負(fù)荷之間的聯(lián)鎖，要求接地合上時(shí)，負(fù)荷開關(guān)不能合；負(fù)荷合上時(shí)，接地不能合。原來(lái)開關(guān)在這方面設(shè)計(jì)有聯(lián)鎖，但是由于用戶蠻力操作，經(jīng)常會(huì)破壞聯(lián)鎖。雙重及多重聯(lián)鎖已在同類開關(guān)中推廣使用，F(xiàn)KN12-12 系列開關(guān)也需要適應(yīng)市場(chǎng)需求，作好開關(guān)雙重或多重聯(lián)鎖，增加一道聯(lián)鎖，以防止用戶違規(guī)操作帶來(lái)的安全隱患。

2.3 安裝機(jī)架存在的問(wèn)題

FKN12-12 系列負(fù)荷開關(guān)安裝機(jī)架有左操和右操之分，兩種安裝架不能通用，增加了生產(chǎn)廠家的機(jī)架庫(kù)存量。另外，原來(lái)的機(jī)架各零件之間工裝定位拼裝焊接，各零件之間無(wú)相關(guān)聯(lián)系，完全靠工裝夾具定位，容易發(fā)生走位，且工裝復(fù)雜笨重，對(duì)焊接機(jī)架的要求很高，也需要改進(jìn)。

2.4 滅弧裝置存在的問(wèn)題

在開斷較大的電流時(shí)，滅弧裝置存在一定的缺陷，滅弧不充分，造成電弧灼傷觸頭。動(dòng)、靜觸頭的灼傷將最終導(dǎo)致燒掉開關(guān)。因此，需要改進(jìn)滅弧裝置，優(yōu)化引弧觸頭材料，提高開關(guān)的滅弧能力，讓開關(guān)在任何工況下都能安全可靠運(yùn)行。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)觸頭部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)觸頭部件主要由導(dǎo)電管部件和支撐框架兩部分組成（圖1），導(dǎo)電管部件改進(jìn)前后基本不變，主要對(duì)支撐框架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。改進(jìn)前的框架主要由動(dòng)觸座螺紋套、動(dòng)觸座、防護(hù)罩、護(hù)套連接套四部分組成。

圖1 動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)

以上部件組件是開關(guān)的核心，組裝過(guò)程復(fù)雜，且組裝過(guò)程中需要使用專門的工裝夾具，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)（圖2）。

圖2 改進(jìn)后的動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)

隨著SMC 成型工藝的成熟，許多在以前不能實(shí)現(xiàn)或者實(shí)現(xiàn)起來(lái)成本很高的工藝，現(xiàn)在都可以實(shí)現(xiàn)，降低了制造廠家的生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。這里主要改動(dòng)的零件有2 個(gè)：鋁支架和框架。鋁支架由原來(lái)2 個(gè)零件組合成1 個(gè)零件，框架集成了防護(hù)套、護(hù)套、尾翼3 個(gè)零件，并在原來(lái)的體積上進(jìn)行縮小。

3.2 安裝機(jī)架的改進(jìn)

目前，F(xiàn)KN12-12 系列負(fù)荷開關(guān)有FKN12-12/T630-20（不帶接地、不帶熔座）、FKN12-12D/T630-20（帶接地、不帶熔座）、FKRN12-12D/T125-31.5（帶熔座、帶接地）和FKRN12-12/T125-31.5（帶熔座、不帶接地）4 種基本型號(hào)，再加上左操、右操，正裝、倒裝的區(qū)別，一共有16 種型號(hào)。其中，左操和右操的安裝機(jī)架生產(chǎn)廠家需要根據(jù)客戶需求分別備貨，如果能實(shí)現(xiàn)兩種安裝機(jī)架的通用，將會(huì)大幅減少庫(kù)存和運(yùn)營(yíng)成本。

為此，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)將左、右側(cè)板的展開關(guān)圖進(jìn)行疊加比較，其中無(wú)干涉的部分很好處理，可以直接在左右側(cè)板上都增加；有干涉的部分主要是圖3 所示的兩處位置。其中，一處干涉部分是走線用的工藝孔，另一處是輔助開關(guān)安裝孔，工藝孔可以移動(dòng)，這里直接用輔助安裝孔代替，并刪除原來(lái)的工藝孔（圖4）。在左、右側(cè)板都增加輔助安裝孔，實(shí)際安裝時(shí)左操的裝在左側(cè)，右操的裝在右側(cè)。

圖3 左、右側(cè)板重合

圖4 優(yōu)化接地螺孔位置

這樣，可以解決焊接設(shè)備接地螺母安裝孔、輔助開關(guān)安裝孔相互干涉的問(wèn)題，使得改進(jìn)后的安裝機(jī)架實(shí)現(xiàn)左操、右操通用。

3.3 聯(lián)鎖方面的改進(jìn)

帶電操作接地刀，是絕對(duì)禁止的。任何高壓開關(guān)設(shè)計(jì)都會(huì)設(shè)計(jì)好這方面的聯(lián)鎖，防止帶電誤合接地刀。FKN12-12 系列負(fù)荷開關(guān)本身就有一道聯(lián)鎖，防止誤合接地刀，但可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)雙重聯(lián)鎖，使安全性更強(qiáng)。對(duì)接地支撐片進(jìn)行形狀優(yōu)化，在原來(lái)的接地支撐片上增加尾翼（圖5）。

圖5 改進(jìn)前后的支撐片

改進(jìn)后，支撐片和尾翼部分的材料均為Q235 鋼板。按照改進(jìn)后的設(shè)計(jì)，要想合接地刀，必須逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)接地軸，帶動(dòng)支撐片，使接地刀、接地夾子接觸到位，剛開始轉(zhuǎn)動(dòng)接地軸時(shí)使尾翼碰到拐臂軸，從而限制接地軸繼續(xù)朝逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成第二道聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)帶電不能合接地刀的效果。

3.4 滅弧系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)

滅弧裝置是開關(guān)的重要組成部分，高壓設(shè)備常見的滅弧裝置主要有真空滅弧裝置、石英砂滅弧裝置、SF6滅弧裝置、壓縮空氣滅弧裝置、金屬柵片滅弧裝置等。FKN12-12 系列壓氣式負(fù)荷開關(guān)屬于壓縮空氣滅弧。在開關(guān)開斷時(shí)，將預(yù)備好的壓縮空氣利用管引向燃弧區(qū)域，壓縮空氣迅猛地吹向燃弧，拉長(zhǎng)弧長(zhǎng)，增大燃弧區(qū)的壓力，使燃弧熄滅，達(dá)到快速滅弧的效果。

改進(jìn)后滅弧裝置系統(tǒng)主要包括靜觸頭部件、導(dǎo)電管部件、導(dǎo)軌和噴嘴。當(dāng)裝置處于開關(guān)合閘時(shí)狀態(tài)時(shí)，靜觸頭固定在鐘罩里面不動(dòng)，開關(guān)由分閘到合閘，導(dǎo)電管沿著導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)（導(dǎo)軌不動(dòng)），使導(dǎo)電管與靜觸頭上的觸指充分接觸（觸指由外圈的彈簧抱緊），實(shí)現(xiàn)合閘。開關(guān)由合閘到分閘時(shí)，導(dǎo)電管沿著導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)，與靜觸頭分開一定距離，實(shí)現(xiàn)分閘。

在分閘瞬間，動(dòng)觸頭與靜觸頭分離，電弧通過(guò)引弧針被引導(dǎo)到動(dòng)觸頭噴嘴區(qū)域，噴嘴釋放壓縮氣體，氣流分散離子拉長(zhǎng)電弧，同時(shí)對(duì)電弧產(chǎn)生冷卻作用。在電弧被冷卻的狀態(tài)下，氣流隨著動(dòng)、靜觸頭之間的距離增大而增加，觸頭之間介質(zhì)的絕緣能力迅速恢復(fù)，電弧熄滅。這就是壓氣式負(fù)荷開關(guān)整個(gè)滅弧的過(guò)程。

改進(jìn)升級(jí)的滅弧裝置噴嘴采用聚四氟乙烯材料，噴嘴內(nèi)腔下寬上窄，更符合空氣流動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。滅弧系統(tǒng)的優(yōu)化主要從滅弧介質(zhì)壓縮空氣強(qiáng)度和噴射流道3 個(gè)方面來(lái)進(jìn)行：

（1）增加導(dǎo)電管內(nèi)壁的光潔度，保持內(nèi)壁尺寸均勻，增加活塞環(huán)與導(dǎo)電管內(nèi)壁的密封性，防止分閘時(shí)管內(nèi)壓縮空氣朝反方向泄漏。

（2）改變噴嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和材料，讓壓縮空氣在噴嘴內(nèi)腔內(nèi)進(jìn)一步壓縮，增強(qiáng)其強(qiáng)度，噴嘴材料從聚碳改為聚四氟乙烯，防止噴嘴被燃弧熔化。

（3）重新設(shè)計(jì)了底座，在底坐上端焊上銅鎢合金，防止產(chǎn)弧點(diǎn)被電弧灼傷。

4 優(yōu)化效果分析

改進(jìn)后的開關(guān)性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 改進(jìn)前后的開關(guān)性能測(cè)試

從表1 可知，改進(jìn)前后開關(guān)的機(jī)械壽命相差不大，說(shuō)明改進(jìn)前后的設(shè)計(jì)均合理，機(jī)械強(qiáng)度滿足要求。在回路電阻方面，改進(jìn)后的開關(guān)回路電阻比改進(jìn)前降低10 μΩ，性能有所提升，主要原因在于開關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，動(dòng)觸頭部件中鋁支架由原來(lái)的2 個(gè)零件組合成1 個(gè)零件，框架則集成了防護(hù)套、護(hù)套、尾翼3 個(gè)零件，從而縮小開關(guān)體積、減少聯(lián)接點(diǎn)、降低回路電阻。

改進(jìn)后的安裝機(jī)架實(shí)現(xiàn)了左右機(jī)架通用，總重從原先的19.9 kg 降至16.8 kg，可減少安裝機(jī)架庫(kù)存量，給生產(chǎn)帶來(lái)很多方便，降低成本。在聯(lián)鎖方面，主要增加了一道聯(lián)鎖。滅弧裝置經(jīng)過(guò)升級(jí)后，開關(guān)開斷能力顯著提升、穩(wěn)定性更好，用戶投訴減少。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與需求的變化，電氣產(chǎn)品日新月異。這要求生產(chǎn)技術(shù)人員不斷探索，緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，以創(chuàng)新的思維方式，做符合市場(chǎng)需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)開關(guān)產(chǎn)品的過(guò)程中要始終以產(chǎn)品的性價(jià)比為核心，從實(shí)際出發(fā)，充分考慮制造生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效益，以用戶的客觀需求為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)。FKN12-12 系列開關(guān)是一款面市較久的產(chǎn)品，不同生產(chǎn)廠家都進(jìn)行過(guò)產(chǎn)品優(yōu)化，在設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程中可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，使產(chǎn)品得到最大限度的優(yōu)化。