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                  高壓真空斷路器彈簧操動機構的設計


                  www.hui987.com 日期:2014/5/21 點擊數:1010

                  摘 要:針對110 kV高壓真空斷路器彈簧操動機構總體方案設計的問題,闡述了分、合閘彈簧參數的確定方法.通過理論分析和比較,探討了分閘彈簧及其放置位置和合閘彈簧參數對操動機構總體方案的影響.結果表明:在滿足機構所要求的分閘特性的前提下,分閘彈簧宜放置在操動機構運動鏈的中間行程較大之處,放置方位應使彈簧力的作用方向與力作用點的速度方向在分閘的整個過程中都趨于一致.合閘彈簧則要按輸出力特性曲線來設計其參數,且相應確定操動機構的數目.對110 kV真空斷路器,采用三相雙斷口的操動機構設計較為適宜.

                  關鍵詞:操動機構; 機構設計; 真空斷路器; 高壓電器; 彈簧

                    高壓斷路器是電力系統中重要的開關設備,擔負著控制和保護電路的雙重任務,其性能好壞是決定電力系統能否安全供電的重要因素之一.高壓斷路器品種繁多,不同的斷路器在性能方面各有不同的優缺點.真空斷路器由于采用了真空滅弧技術,并具有不污染環境、操動機構功率小、使用壽命長和安全可靠以及維護方便等優點,因而獲得了迅速的發展.但縱觀斷路器的發展史,從應用范圍來說,這種斷路器主要是應用在中、低壓方面,而將其應用在110 kV及以上電壓等級電力系統中,尚有許多問題需要解決,其中操動機構的設計就是問題之一.本文將探討這一設計的部分問題.
                  1 分、合閘彈簧及其放置位置對斷路器總體方案設計的影響
                    真空斷路器總體方案的確定,除了要確定真空滅弧室的相互位置外,更主要的是要確定選用幾個操動機構,這取決于分、合閘彈簧的參數和放置位置.
                  1.1 分閘彈簧參數的確定
                    在設計機構時,要根據要求的分閘速度和分閘時間配置分閘彈簧.確定分閘彈簧參數的依據是機構要求的分閘特性曲線,即觸頭運動速度和位移之間的關系曲線.具體方法是:根據計算的分閘彈簧等效力結果,初選分閘彈簧.然后核算動觸頭的分閘速度,檢查是否符合設計要求,即速度曲線是否滿足機構要求的分閘特性曲線,平均分閘速度和分閘時間是否符合給定要求.如發現有較大的差異時,則應作適當的調整.有關的計算公式見文獻[1].
                  1.2 分閘彈簧放置位置的確定
                    在操動機構的運動鏈中,分閘彈簧往往不是裝設在運動鏈的終端,而是裝設在中部.當等效到觸頭上時,其分閘彈簧等效力與分閘彈簧力相差一速度比.而速度比是機構位置的函數,其影響是不能忽略的.因此,在滿足機構所要求的分閘特性的前提下,分閘彈簧的放置位置對分閘彈簧參數的影響是比較大的.為了清楚地了解彈簧操動機構中分閘彈簧的放置位置對分閘彈簧參數的影響,以便選擇最佳的分閘彈簧放置位置,作者在設計的過程中,對分閘彈簧在操動機構中可能放置位置的各方案進行了設計計算.放置位置分為3種情況:(1) 分閘彈簧放在圖1中橢圓機構的輸出端,即虛線Ⅰ位置;(2) 分閘彈簧放在圖1中橢圓機構的輸入端,對心搖桿-滑塊機構的輸出端,即虛線Ⅱ位置;(3) 分閘彈簧放在圖1中對心搖桿-滑塊機構的輸入端,這時應使分閘彈簧軸線與桿DE的兩極限位置的角平分線垂直(圖1中Ⅲ位置).這樣可使分閘彈簧力的作用方向與力作用點的速度方向在分閘的整個過程中都趨于一致,以充分利用分閘彈簧力.

                   

                   

                  圖1 分閘彈簧放置位置示意圖

                    在滿足機構所要求的分閘特性的情況下,分閘彈簧參數的計算結果見表1.從結果可看出,分閘彈簧宜放置在操動機構運動鏈的中間行程較大之處.分閘彈簧的放置方位應使彈簧力的作用方向與力作用點的速度方向在分閘的整個過程中都趨于一致.

                  表1 分閘彈簧放在不同位置時的分閘彈簧參數(均為壓縮彈簧)
                   
                  (分閘彈簧的)/
                  (放置位置) (彈簧鋼絲直)
                  /(徑d/mm) (彈簧中徑)
                  /(D2/mm) (總圈)/
                  (數n) (安裝高度)/
                  (H1/mm) (自由高度)/
                  (H0/mm) (工作行程)/
                  (H/mm) (最小工作)/(負
                  荷F1/N) (最大工作負)/
                  (荷F2/N) 件

                  Ⅰ 12 100 30 400 588 47 2 000 2 600 2
                  Ⅱ 10 70 12 190 260 47 1 200 2 000 2
                  Ⅲ 10 70 17 266 380 87 1 000 1 800 1
                  2 合閘彈簧參數的確定
                  2.1 彈簧操動機構的負載特性曲線
                    所設計的彈簧操動機構的負載特性曲線如圖2所示.圖中曲線1表示分閘彈簧等效力;曲線2表示重力;曲線3表示真空滅弧室自閉力;曲線4表示觸頭彈簧力.由圖2可知,等效阻力在觸頭接觸前后有一個較大的躍變.在彈簧操動機構中,彈簧的輸出力曲線一般如圖3中的曲線3所示.很明顯,它的輸出力曲線與等效阻力曲線(圖3中曲線1)的變化規律不一致,即不匹配.為了能夠可靠地合閘,在機構的整個行程內都要完全保證使等效驅動力大于等效阻力.
                   


                     


                  圖2 等效阻力圖           圖3 等效阻力走向圖

                    較理想的等效輸出力特性曲線如圖3中曲線2,它較為靠近等效阻力曲線,并能滿足要求.如果能找到一條類似曲線2這樣的曲線,就可以確定合閘彈簧,為了確定合閘彈簧參數,首先應確定其輸出力特性曲線.
                  2.2 根據負載特性曲線選擇合適的輸出力曲線
                    根據斷路器對操動機構合閘功能的要求,其輸出力特性應符合下列條件:
                    (1) 起始輸出力應大于系統的起始阻力(兩者指等效到同一構件上的等效力),否則,運動系統不能起動.
                    (2) 輸出功必須大于斷路器所需的合閘功,否則,合閘不能到底.
                    (3) 具有合適的輸出力特性,以獲得較好的合閘速度特性.
                    如果以合閘速度vh對運動時間t的關系來表示合閘速度特性,要達到同樣的合閘速度,有3種不同的途徑,如圖4所示.圖中3條曲線與橫坐標軸間所包的面積相等(表示其觸頭開距相同).曲線1表示等加速運動.它達到vh的時間是t1;曲線2的起始加速度大,而后逐漸下降,以致達到速度vh時加速度已降得很。@說明合閘力開始最大,而后減小,其時間t2比時間t1少.說明后種特性在合閘時間方面有優越性,但在觸頭接觸時所能提供合閘力小,容易受到掣動.曲線3則不一樣,它的初始加速度不大,但不斷增大,到接近觸頭閉合時有所減小,這種特性兼有前兩種特性的優點,其運動時間t3比t1要小,而閉合時的合閘力比曲線2大.因此根據曲線3可以提出對輸出力的要求:即起動輸出力不大,起動后輸出力不斷增加,以至運動后期達到一定速度之后,合閘力再緩慢減。
                   

                   


                  圖4 不同的合閘速度特性曲線

                    根據以上分析,可確定滿足合閘速度要求的輸出力特性曲線如圖5所示.

                   


                  圖5 等效輸出力、阻力曲線

                  2.3 按輸出力特性曲線確定合閘彈簧參數
                    根據文獻[1]可得合閘彈簧的彈性系數k為

                   


                  式中 f(s)等效輸出力與動觸頭運動位置s的函數
                     s0動觸頭行程
                     Δx1儲能時合閘彈簧的變形量
                     Δx2操動機構合閘后合閘彈簧的變形量
                    當機構的初始條件給定以后,即圖1的機構中當桿ON的長度及起始偏角θ0確定以后,合閘彈簧變形量Δx1,Δx2也就隨之確定,從而可以由上式求出操動機構合閘彈簧彈性系數k.

                  3 斷路器總體方案的確定
                    斷路器選用幾個操動機構取決于合閘彈簧的參數,并與機構可靠性等有關.為便于選擇,現將采用1個、2個和3個操動機構時合閘彈簧參數的計算結果列于表2.

                  表2 采用不同操動機構數目時合閘彈簧參數(均為組合壓縮彈簧)
                   
                  機構類型 (彈簧)/
                  (形式) (彈簧鋼絲直)/
                  (徑d/mm) (彈簧中徑)
                  /(D2/mm) (總圈)/
                  (數n1) (安裝高度)
                  /(H1/mm) (自由高度)
                  /(H0/mm) (工作行程)
                  /(H/mm) (最小工作負)
                  /(荷F1/N) (最大工作負)
                  /(荷F2/N) (件)/
                  (數)
                  三相共
                  用一 外彈簧 20 170 12.0 424 664 120 4 550 9 014 2
                  個操動
                  機構 內彈簧 14 120 15.5 424 627 120 2 300 3 606 2
                  三相共
                  用兩 外彈簧 14 130 12.0 280 520 120 2 272 4 329 4
                  個操動
                  機構 內彈簧 10 100 14.5 280 520 120 1 039 1 981 4
                  每相各
                  用一 外彈簧 12 120 11.0 210 450 120 1 636 3 205 6
                  個操動
                  機構 內彈簧 8 90 15.5 210 450 120 511 1 001 6
                    從表中的數據可知:三相共用一個操動機構時合閘彈簧尺寸太大,不便于加工制造,但它具有動作同步性較高的優點.每相單獨用一個操動機構時合閘彈簧尺寸較小,但由于零件數增多,動作的可靠性較差.而三相共用兩個操動機構時合閘彈簧滿足要求,且尺寸合適,在動作的同步性及可靠性方面都可兼顧前述兩種方案,因此,所設計的100 kV三相雙斷口真空斷路器采用三相共用兩個操動機構的總體結構. 4 結論
                    1) 分閘彈簧的參數和放置位置對操動機構的影響是比較大的.在滿足機構所要求的分閘特性的前提下,分閘彈簧宜放置在操動機構運動鏈的中間行程較大之處.分閘彈簧的放置方位應使彈簧力的作用點的速度方向在分閘的整個過程中都趨于一致.
                    2) 合閘彈簧的設計首先要根據負載特性曲線選擇合適的輸出力曲線,按輸出力特性曲線確定合閘彈簧參數和操動機構的數目.對110 kV真空斷路器彈簧操動機構,采用三相雙斷口的操動機構設計較為適宜.


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