摘　要：针对110kV高压真空断路器弹簧操动机构总体方案设计的问题，阐述了分、合闸弹簧参数的确定方法．通过理论分析和比较，探讨了分闸弹簧及其放置位置和合闸弹簧参数对操动机构总体方案的影响．结果表明：在满足机构所要求的分闸特性的前提下，分闸弹簧宜放置在操动机构运动链的中间行程较大之处，放置方位应使弹簧力的作用方向与力作用点的速度方向在分闸的整个过程中都趋于一致．合闸弹簧则要按输出力特性曲线来设计其参数，且相应确定操动机构的数目．对110kV真空断路器，采用三相双断口的操动机构设计较为适宜．

    关键词：操动机构；机构设计；真空断路器；高压电器；弹簧

    高压断路器是电力系统中重要的开关设备，担负着控制和保护电路的双重任务，其性能好坏是决定电力系统能否安全供电的重要因素之一．高压断路器品种繁多，不同的断路器在性能方面各有不同的优缺点．真空断路器由于采用了真空灭弧技术，并具有不污染环境、操动机构功率小、使用寿命长和安全可靠以及维护方便等优点，因而获得了迅速的发展．但纵观断路器的发展史，从应用范围来说，这种断路器主要是应用在中、低压方面，而将其应用在110kV及以上电压等级电力系统中，尚有许多问题需要解决，其中操动机构的设计就是问题之一．本文将探讨这一设计的部分问题．

    1　分、合闸弹簧及其放置位置对断路器总体方案设计的影响

    真空断路器总体方案的确定，除了要确定真空灭弧室的相互位置外，更主要的是要确定选用几个操动机构，这取决于分、合闸弹簧的参数和放置位置．

    1.1　分闸弹簧参数的确定

    在设计机构时，要根据要求的分闸速度和分闸时间配置分闸弹簧．确定分闸弹簧参数的依据是机构要求的分闸特性曲线，即触头运动速度和位移之间的关系曲线．具体方法是：根据计算的分闸弹簧等效力结果，初选分闸弹簧．然后核算动触头的分闸速度，检查是否符合设计要求，即速度曲线是否满足机构要求的分闸特性曲线，平均分闸速度和分闸时间是否符合给定要求．如发现有较大的差异时，则应作适当的调整．有关的计算公式见文献［1］．

    1.2　分闸弹簧放置位置的确定

    在操动机构的运动链中，分闸弹簧往往不是装设在运动链的终端，而是装设在中部．当等效到触头上时，其分闸弹簧等效力与分闸弹簧力相差一速度比．而速度比是机构位置的函数，其影响是不能忽略的．因此，在满足机构所要求的分闸特性的前提下，分闸弹簧的放置位置对分闸弹簧参数的影响是比较大的．为了清楚地了解弹簧操动机构中分闸弹簧的放置位置对分闸弹簧参数的影响，以便选择最佳的分闸弹簧放置位置，作者在设计的过程中，对分闸弹簧在操动机构中可能放置位置的各方案进行了设计计算．放置位置分为3种情况：(1)分闸弹簧放在图1中椭圆机构的输出端，即虚线Ⅰ位置；(2)分闸弹簧放在图1中椭圆机构的输入端，对心摇杆-滑块机构的输出端，即虚线Ⅱ位置；(3)分闸弹簧放在图1中对心摇杆-滑块机构的输入端，这时应使分闸弹簧轴线与杆DE的两极限位置的角平分线垂直(图1中Ⅲ位置)．这样可使分闸弹簧力的作用方向与力作用点的速度方向在分闸的整个过程中都趋于一致，以充分利用分闸弹簧力．

    图1　分闸弹簧放置位置示意图

    在满足机构所要求的分闸特性的情况下，分闸弹簧参数的计算结果见表1．从结果可看出，分闸弹簧宜放置在操动机构运动链的中间行程较大之处．分闸弹簧的放置方位应使弹簧力的作用方向与力作用点的速度方向在分闸的整个过程中都趋于一致．

    表1　分闸弹簧放在不同位置时的分闸弹簧参数(均为压缩弹簧)

    (分闸弹簧的)/

    (放置位置)(弹簧钢丝直)

    /(径d/mm)(弹簧中径)

    /(D2/mm)(总圈)/

    (数n)(安装高度)/

    (H1/mm)(自由高度)/

    (H0/mm)(工作行程)/

    (H/mm)(最小工作)/(负

    荷F1/N)(最大工作负)/

    (荷F2/N)件

    数

    Ⅰ121003040058847200026002

    Ⅱ10701219026047120020002

    Ⅲ10701726638087100018001

    2　合闸弹簧参数的确定

    2.1　弹簧操动机构的负载特性曲线

    所设计的弹簧操动机构的负载特性曲线如图2所示．图中曲线1表示分闸弹簧等效力；曲线2表示重力；曲线3表示真空灭弧室自闭力；曲线4表示触头弹簧力．由图2可知，等效阻力在触头接触前后有一个较大的跃变．在弹簧操动机构中，弹簧的输出力曲线一般如图3中的曲线3所示．很明显，它的输出力曲线与等效阻力曲线(图3中曲线1)的变化规律不一致，即不匹配．为了能够可靠地合闸，在机构的整个行程内都要完全保证使等效驱动力大于等效阻力．

    图2　等效阻力图　　　　　　　　　　　图3　等效阻力走向图

    较理想的等效输出力特性曲线如图3中曲线2，它较为靠近等效阻力曲线，并能满足要求．如果能找到一条类似曲线2这样的曲线，就可以确定合闸弹簧，为了确定合闸弹簧参数，首先应确定其输出力特性曲线．

    2.2　根据负载特性曲线选择合适的输出力曲线

    根据断路器对操动机构合闸功能的要求，其输出力特性应符合下列条件：

    (1)起始输出力应大于系统的起始阻力(两者指等效到同一构件上的等效力)，否则，运动系统不能起动．

    (2)输出功必须大于断路器所需的合闸功，否则，合闸不能到底．

    (3)具有合适的输出力特性，以获得较好的合闸速度特性．

    如果以合闸速度vh对运动时间t的关系来表示合闸速度特性，要达到同样的合闸速度，有3种不同的途径，如图4所示．图中3条曲线与横坐标轴间所包的面积相等(表示其触头开距相同)．曲线1表示等加速运动．它达到vh的时间是t1；曲线2的起始加速度大，而后逐渐下降，以致达到速度vh时加速度已降得很小．这说明合闸力开始最大，而后减小，其时间t2比时间t1少．说明后种特性在合闸时间方面有优越性，但在触头接触时所能提供合闸力小，容易受到掣动．曲线3则不一样，它的初始加速度不大，但不断增大，到接近触头闭合时有所减小，这种特性兼有前两种特性的优点，其运动时间t3比t1要小，而闭合时的合闸力比曲线2大．因此根据曲线3可以提出对输出力的要求：即起动输出力不大，起动后输出力不断增加，以至运动后期达到一定速度之后，合闸力再缓慢减小．

    图4　不同的合闸速度特性曲线

    根据以上分析，可确定满足合闸速度要求的输出力特性曲线如图5所示．

    图5　等效输出力、阻力曲线

    2.3　按输出力特性曲线确定合闸弹簧参数

    根据文献［1］可得合闸弹簧的弹性系数k为

    式中　f(s)等效输出力与动触头运动位置s的函数

    s0动触头行程

    Δx1储能时合闸弹簧的变形量

    Δx2操动机构合闸后合闸弹簧的变形量

    当机构的初始条件给定以后，即图1的机构中当杆ON的长度及起始偏角θ0确定以后，合闸弹簧变形量Δx1，Δx2也就随之确定，从而可以由上式求出操动机构合闸弹簧弹性系数k．

    3　断路器总体方案的确定

    断路器选用几个操动机构取决于合闸弹簧的参数，并与机构可靠性等有关．为便于选择，现将采用1个、2个和3个操动机构时合闸弹簧参数的计算结果列于表2．

    表2　采用不同操动机构数目时合闸弹簧参数(均为组合压缩弹簧)

    机构类型(弹簧)/

    (形式)(弹簧钢丝直)/

    (径d/mm)(弹簧中径)

    /(D2/mm)(总圈)/

    (数n1)(安装高度)

    /(H1/mm)(自由高度)

    /(H0/mm)(工作行程)

    /(H/mm)(最小工作负)

    /(荷F1/N)(最大工作负)

    /(荷F2/N)(件)/

    (数)

    三相共

    用一外弹簧2017012．0424664120455090142

    个操动

    机构内弹簧1412015.5424627120230036062

    三相共

    用两外弹簧1413012．0280520120227243294

    个操动

    机构内弹簧1010014.5280520120103919814

    每相各

    用一外弹簧1212011．0210450120163632056

    个操动

    机构内弹簧89015.521045012051110016

    从表中的数据可知：三相共用一个操动机构时合闸弹簧尺寸太大，不便于加工制造，但它具有动作同步性较高的优点．每相单独用一个操动机构时合闸弹簧尺寸较小，但由于零件数增多，动作的可靠性较差．而三相共用两个操动机构时合闸弹簧满足要求，且尺寸合适，在动作的同步性及可靠性方面都可兼顾前述两种方案，因此，所设计的100kV三相双断口真空断路器采用三相共用两个操动机构的总体结构．4　结论

    1)分闸弹簧的参数和放置位置对操动机构的影响是比较大的．在满足机构所要求的分闸特性的前提下，分闸弹簧宜放置在操动机构运动链的中间行程较大之处．分闸弹簧的放置方位应使弹簧力的作用点的速度方向在分闸的整个过程中都趋于一致．

    2)合闸弹簧的设计首先要根据负载特性曲线选择合适的输出力曲线，按输出力特性曲线确定合闸弹簧参数和操动机构的数目．对110kV真空断路器弹簧操动机构，采用三相双断口的操动机构设计较为适宜．■

    参考文献：

    ［1］谭　蓉．110kV三相双断口真空断路器弹簧操动机构的设计方法的研究［D］．西安：西安交通大学硕士论文，1996．

    ［2］王季梅．真空开关理论及其应用［M］．西安：西安交通大学出版社，1986．92-103．

    ［3］曹龙华．机械原理［M］．北京：高等教育出版社，1986．

    ［4］楼家法．高压开关机构设计［M］．北京：机械工业出版社，1981．43-198．