扭簧彈開式斷路器絕緣自動保護解決方案

孫 浩，賁 飛，侯培紅

（1.國網(wǎng)上海市電力公司 物資公司，上海 200235；2．上海電機學院 機械學院，上海 200245）

0 引言

設計斷路器是解決保護配電網(wǎng)開斷電力系統(tǒng)中負荷電流，關合過載及短路電流等問題的需要，主要針對10kV 系統(tǒng)。要求設計的斷路器適用于城網(wǎng)或農(nóng)網(wǎng)作為分段開關或者聯(lián)絡開關，亦可用于農(nóng)網(wǎng)配電系統(tǒng)戶外變電站作為出線開關，可與FTU/智能控制器配合使用，作為環(huán)網(wǎng)線路分段、分支出線故障的自動檢測、隔離和報警，監(jiān)控線路的運行，具有自動恢復非故障段供電功能。斷路器配置測量、保護、控制和通訊模塊后，可滿足配網(wǎng)自動化要求，適用于變電站及工礦企業(yè)對配電系統(tǒng)中進行保護和控制，同時也適用于城市電網(wǎng)、農(nóng)村電網(wǎng)及頻繁操作的場所[1～3]。

1 斷路器的基本設計思路

該種斷路器主要用于室外，需固定安裝在距離地面五米以上的電桿上使用，且要求便于從地面觀察確認是否開合。因此作為用于10kV 系統(tǒng)的該型斷路器擬采用三相固封極柱式結構，真空滅弧室采用縱向磁場熄弧技術，使用硅橡膠/環(huán)氧樹脂固體絕緣，采用彈簧操作機構和永磁機構的組合，使其具有體積小、重量輕等優(yōu)點，既可用控制器遠程分合閘，也可就地或控制器無電時，緊急手動分合閘。

該型斷路器擬設計為智能型戶外柱上高壓交流真空斷路器，其永磁機構采用直線傳輸方式，可有效避免傳統(tǒng)彈簧操作機構易卡滯、易銹蝕的設計缺陷，使得機構可靠性大幅提升。而且由于其用于室外，懸于距地面五米以上的高空，所以還需要考慮由于飛禽撞擊或著落等導致短路的情況出現(xiàn)，即考慮增加隔離開關[1～3]。

2 一般斷路器的設計

根據(jù)上述設計思路，該型斷路器可分為不帶隔離開關和帶隔離開關兩種類型。對于帶隔離開關的安裝方式，其所附帶的隔離開關結構如圖1 所示。

圖1 一般斷路器隔離開關結構示意圖（ZW32E-12 型斷路器）Fig.1 Schematic diagram of the circuit breaker isolating switch structure (ZW32E-12 type breaker)

由圖1 可見，隔離開關可分為動觸頭段（俗稱上閘）1 和靜觸頭段（俗稱下閘）2，其中動觸頭段的末端與隔離開關的出線端4 連接，其動觸頭段的中段經(jīng)隨動桿7 與設置在操作手柄3 的轉桿5 上的擺桿6 連接，當操作人員轉動操作手柄時，其轉桿帶動擺桿同步轉動，通過帶動隨動桿進而使動觸頭段的首端發(fā)生升或降。

當隔離開關進行“分閘”操作時，在操作手柄之轉桿的驅動下，動觸頭段的首端（即常說的動觸頭）被隨動桿推動向上抬起，脫離與靜觸頭2-1 的接觸，實現(xiàn)“斷開”功能，在電路上形成一個明顯的斷開點；當隔離開關進行“合閘”操作時，動觸頭段的首端在操作手柄的帶動下，向下降落，與靜觸頭進行接觸，實現(xiàn)在電路的“連接”功能，以便其后接的高壓交流真空斷路器進行相應的“合閘”操作。

由于該型斷路器為戶外柱上式（即該開關是安裝在室外露天的，具體安裝形式為安裝在電桿上的，故業(yè)內(nèi)簡稱為“戶外柱上”式），則其附屬的隔離開關也是戶外安裝的。由于其中的靜觸頭是朝上裸露在戶外的，極易積存雨水或空氣中的粉塵顆粒，形成污漬并對靜觸頭形成侵蝕，增大其表面接觸電阻，影響其接觸效果，當所在的輸電線路運行電流較大時，還會因為該處接觸電阻的增大和接觸效果的惡化，導致發(fā)熱量劇增，嚴重時，會因為靜、動觸頭之間溫升過高而發(fā)生熔融、粘連，影響整個開關的正常工作甚至發(fā)生設備事故，導致正常供電的中斷，影響送電回路或輸電線路的正常運行。

現(xiàn)有隔離開關的靜觸頭，需要定期進行清潔和防氧化處理，一方面增大了供電設備的日常維護工作量，另一方面，隨著靜觸頭與動觸頭接觸部位（接觸面）的不斷被侵蝕，亦會增大動、靜觸頭之間的接觸電阻，給設備的安全運行帶來隱患。

3 改進型斷路器設計

3.1 結構分析

針對上述斷路器存在的問題，在原設計圖1 的基礎上增加了一種斷路器絕緣保護裝置即扭簧彈開式斷路器絕緣自動保護裝置，其二維投影圖和三維立體圖分別如圖2（a）、（b）所示。其在裸露的靜觸頭上設置了一個可隨開關“開”/“閉”操作動作協(xié)調(diào)一致的自動解除保護和自動實施保護的自動保護裝置，也便于人們在地面觀察，提供了斷路器絕緣保護的有效、可行的方法，達到了斷路器保護技術效果。

圖2 絕緣自動保護裝置（改進型）示意圖Fig.2 An automatic protection device (improved) diagram

由圖2 可見，改進型斷路器在圖1 所示原設計基礎上又增加了如下結構特征：在隔離開關主體支架的靜觸頭端，設置一下支架；在下支架上設置一前支架；在前支架的下部，設置一個導索下定滑輪輪，導索下定滑輪經(jīng)過一個下定滑輪支架與前支架對應固接；在前支架的上部，設置一個導索上定滑輪，導索上定滑輪經(jīng)過一個上定滑輪支架與前支架對應固接；在前支架的上部，設置一上支撐板；在前支架的上端，設置一保護套桿，保護套桿與上支撐板經(jīng)過一個鉸鏈鉸接為一體；在鉸鏈上套裝有一個扭彈簧；在保護套桿首端與靜觸頭位置對應處，設置有一靜觸頭保護套；在操作手柄的轉桿上設置一繩索固定環(huán)；在主體支架以及上支撐板上，與繩索固定環(huán)的縱向軸線位置對應處，設置第一和第三導繩孔；設置一繩索，繩索的首端與保護套桿的中端固接，繩索依次穿過導索上定滑輪、上支撐板上的第三導繩孔、導索下定滑輪和主體支架上的第一導繩孔設置；繩索的末端纏繞固接在繩索固定環(huán)上。

其導索下定滑輪經(jīng)一個下定滑輪軸銷固定在下定滑輪支架上，導索上定滑輪經(jīng)一個上定滑輪軸銷固定在上定滑輪支架上，其分別位于隔離開關主體支架以及上支撐板上的第一和第三導繩孔。上、下定滑輪的縱向軸線，位于同一個縱向平面中，與繩索固定環(huán)所在的縱向平面相重合。其靜觸頭保護套、靜觸頭以及動觸頭段首端的縱向軸線，位于同一個縱向平面中。其動觸頭段、靜觸頭、靜觸頭保護套、保護套桿、前支架、上支撐板、繩索、上定滑輪、下定滑輪以及繩索固定環(huán)，設置在同一縱向平面中。

3.2 工作原理

當操作手柄及其轉桿繞轉軸順時針轉動時，擺桿隨轉桿一起順時針轉動，并帶動隨動桿向下移，動觸頭段逆時針轉動向下移動，此時固定在繩索固定環(huán)上的繩索在轉軸上釋放松開，保護套桿在扭彈簧復位力的作用下，將保護套桿向上抬起，保護套桿繞鉸鏈順時針轉動，離開靜觸頭，之后動觸頭段下移到位，與靜觸頭契合。

當操作手柄繞轉軸逆時針轉動，擺桿隨轉桿一起逆時針轉動，并帶動隨動桿向上移，動觸頭段順時針轉動向上移動，脫離與靜觸頭的接觸，此時固定在繩索固定環(huán)上的繩索在轉軸上一同隨轉桿逆時針纏繞收緊，保護套桿在繩索拉力的作用下將保護套桿向下拉，保護套桿繞鉸鏈順時針轉動，正好覆蓋套在在對應的靜觸頭上，對靜觸頭進行絕緣保護，以防止靜觸頭直接裸露在露天環(huán)境中，避免其被侵蝕或被污染?？梢?，絕緣自動保護裝置是通過操作手柄及其轉桿的轉動，驅動繩索帶動保護套桿及首端的靜觸頭保護套動作，為斷路器觸頭提供自動的絕緣保護功能。

4 結論

方案采用了“保護套撤離，開關合閘”和“開關分閘，保護套覆蓋”的動作步驟，提供了與斷路器“開”/“合”動作協(xié)調(diào)一致，自動解除保護和自動實施保護的絕緣自動保護裝置，克服了以往對靜觸頭的保護不便觀察、不便操作的問題，也便于人們在地面觀察，提供了戶外式斷路器絕緣保護的有效、可行的方法，達到了斷路器自動保護的技術效果。

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