高壓隔離開關(guān)選型設(shè)計(jì)分析

雷欣

摘要：文章對(duì)氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)的工作原理、控制接口、驅(qū)動(dòng)接口、重量及安裝接口、控制電路、控制邏輯、運(yùn)用環(huán)境條件、可靠性等方面進(jìn)行對(duì)比分析，為軌道交通行業(yè)中高壓隔離開關(guān)的選型提出建議方案。

Abstract： This paper compares and analyzes the working principle， control interface， drive interface， weight and installation interface， control circuit， control logic， application environmental conditions， reliability of gas and electric high-voltage isolation switch， and puts forward suggestions for the selection of high-voltage isolation switch in rail transit industry.

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)高壓隔離開關(guān);電動(dòng)高壓隔離開關(guān);對(duì)比分析;選型設(shè)計(jì)

1? 高壓隔離開關(guān)工作原理

高壓隔離開關(guān)由主觸點(diǎn)、絕緣子、閘刀、底板、控制單元板、驅(qū)動(dòng)裝置、凸輪、轉(zhuǎn)軸、輔助觸頭開關(guān)等組成。其中主觸點(diǎn)、絕緣子、閘刀為高壓部分，其余為低壓部分[1]。氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)僅在驅(qū)動(dòng)裝置上存在差異。

氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)是電控氣動(dòng)的，當(dāng)它處于合閘狀態(tài)時(shí)，雙電控電磁閥分閘線圈得到信號(hào)，壓縮空氣進(jìn)入壓力氣缸，推動(dòng)轉(zhuǎn)軸動(dòng)作，隔離開關(guān)分?jǐn)?。?dāng)它處于分閘狀態(tài)時(shí)，雙電控電磁閥合閘線圈得到信號(hào)，壓縮空氣進(jìn)入壓力氣缸，推動(dòng)轉(zhuǎn)軸反向動(dòng)作，隔離開關(guān)閉合。

電動(dòng)高壓隔離開關(guān)是電控電動(dòng)的，當(dāng)它處于合閘狀態(tài)時(shí)，分閘接觸器得到信號(hào)，電機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)軸動(dòng)作，隔離開關(guān)分?jǐn)?。?dāng)它處于分閘狀態(tài)時(shí)，合閘接觸器得到信號(hào)，電機(jī)推動(dòng)轉(zhuǎn)軸反向動(dòng)作，隔離開關(guān)閉合。

這里選用Sécheron的兩款高壓隔離開關(guān)進(jìn)行工作原理說明[2]，分別是氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)和電動(dòng)高壓隔離開關(guān)。在開始之前，如圖1所示，定義高壓隔離開關(guān)處于X-Z位時(shí)為分閘狀態(tài)，處于X-Y狀態(tài)時(shí)為合閘狀態(tài)。

1.1 氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)工作原理

1.1.1 分閘狀態(tài)到合閘狀態(tài)

如圖2所示，氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)由閥門連接器（F）、雙電控電磁閥（G）、氣缸（H）、輔助觸點(diǎn)開關(guān)（D、E）、隔離開關(guān)（I）等組成。其中X-Y為雙電控電磁閥合閘線圈，X-Z為雙電控電磁閥分閘線圈。

當(dāng)高壓隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)時(shí)，雙電控電磁閥閥芯位于最左端并且保持當(dāng)前位置不變，氣缸中活塞也處于最左端，輔助觸點(diǎn)開關(guān)D處于1-2位置，E處于1-4位置。

當(dāng)高壓隔離開關(guān)閘刀由分閘狀態(tài)向合閘狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，如圖2所示，線圈X-Y得電產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)，壓縮空氣從1端進(jìn)入，經(jīng)用氣單元接口2進(jìn)入氣缸，推動(dòng)氣缸活塞向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氣缸中的空氣通過用氣單元接口4排出，再經(jīng)過排氣接口5排到大氣。氣缸活塞桿推動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，隔離開關(guān)閉合。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，固定在主軸上的凸輪驅(qū)動(dòng)低壓聯(lián)鎖改變?yōu)楹祥l狀態(tài)，并將信號(hào)反饋給機(jī)車控制電路，即輔助觸點(diǎn)開關(guān)D由1-2位變?yōu)?-4位，E由1-4位變?yōu)?-2位。

1.1.2 合閘狀態(tài)到分閘狀態(tài)

高壓隔離開關(guān)閘刀由合閘狀態(tài)到分閘狀態(tài)分析過程與1.1.1同理。

1.2 電動(dòng)高壓隔離開關(guān)工作原理

1.2.1 分閘狀態(tài)到合閘狀態(tài)

如圖3所示，電動(dòng)高壓隔離開關(guān)由合閘接觸器、分閘接觸器、電機(jī)、電機(jī)內(nèi)部限位開關(guān)（J、K）、輔助觸點(diǎn)開關(guān)（D、E）等組成。其中合閘接觸器的線圈為X-Y，合閘接觸器的3個(gè)常開觸點(diǎn)為1-2、3-4、5-6，2個(gè)常閉觸點(diǎn)為21-22、61-62。分閘接觸器的線圈為X-Z，分閘接觸器的3個(gè)常開觸點(diǎn)為1-2、3-4、5-6，2個(gè)常閉觸點(diǎn)為21-22、61-62。電機(jī)內(nèi)部限位開關(guān)是用來(lái)保護(hù)電機(jī)的，當(dāng)?shù)侗蹌?dòng)作到位后相應(yīng)限位開關(guān)的輔助觸點(diǎn)斷開，電機(jī)斷電。

當(dāng)高壓隔離開關(guān)處于分閘位置時(shí)，如圖4左圖所示，J處于1-2位，K處于1-4位，線圈X-Z和X-Y處于失電狀態(tài)，分閘接觸器和合閘接觸器的常閉觸點(diǎn)21-22閉合，常開觸點(diǎn)1-2、3-4、5-6斷開。D處于1-2位置，E處于1-4位置。

當(dāng)高壓隔離開關(guān)閘刀由分閘狀態(tài)向合閘狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，如圖4右圖所示，線圈X-Y得電，合閘接觸器常開觸點(diǎn)1-2、3-4、5-6閉合，常閉觸點(diǎn)21-22、61-62斷開。電機(jī)得電正轉(zhuǎn)，推動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，隔離開關(guān)閉合。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，固定在主軸上的凸輪驅(qū)動(dòng)低壓聯(lián)鎖改變?yōu)楹祥l狀態(tài)，并將信號(hào)反饋給機(jī)車控制電路，即輔助觸點(diǎn)開關(guān)D由1-2位變?yōu)?-4位，E由1-4位變?yōu)?-2位，限位開關(guān)K由1-4位變?yōu)?-2位，J仍保持1-4位。

另外，由圖4可以看出，分閘接觸器和合閘接觸器為互鎖關(guān)系。當(dāng)分閘接觸器線圈X-Z得電，分閘接觸器的常閉觸點(diǎn)61-62斷開，合閘接觸器線圈X-Y就不會(huì)處于得電狀態(tài)。同理，當(dāng)合閘接觸器得電時(shí)，分閘接觸器也不會(huì)處于得電狀態(tài)。因此，分閘接觸器和合閘接觸器不會(huì)同時(shí)得電。

1.2.2 合閘狀態(tài)到分閘狀態(tài)

高壓隔離開關(guān)閘刀由合閘狀態(tài)到分閘狀態(tài)分析過程與1.2.1同理。

2? 兩種高壓隔離開關(guān)差異分析

這里從氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)的本體接口、外部邏輯控制、運(yùn)用環(huán)境以及可靠性四個(gè)方面的差異進(jìn)行對(duì)比分析。其中高壓隔離開關(guān)本體接口包括控制電路接線、驅(qū)動(dòng)接口、安裝接口及尺寸重量。外部邏輯控制包括控制電路以及控制邏輯?？煽啃苑治霭☉?yīng)用業(yè)績(jī)、可靠性分析。

2.1 本體接口要求差異分析

2.1.1 控制接口

氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)控制接口[2]如圖5所示，1、2為電磁閥合閘線圈的電源線接口，3、4為電磁閥分閘線圈的電源線接口。電動(dòng)高壓隔離開關(guān)控制接口如圖6所示，1、2為合閘接觸器線圈的電源線接口，3、4為分閘接觸器線圈的電源線接口。因此可知，氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)和電動(dòng)高壓隔離開關(guān)的控制接口一致。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)接口

氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)接口[2]如圖7所示，電磁閥與氣路通過快速作用聯(lián)軸器連接在一起。

驅(qū)動(dòng)氣壓：20℃時(shí)的操作氣壓為4-10bar。

電動(dòng)高壓隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)接口如圖8所示。

驅(qū)動(dòng)力：圖6所示21、22為電機(jī)的電源線接口，直流電機(jī)的最大操作功率為125W，最大操作電流為1.14A。

由上述可知?dú)鈩?dòng)高壓隔離開關(guān)與電動(dòng)高壓隔離開關(guān)在驅(qū)動(dòng)接口上的區(qū)別是前者為氣路連接，驅(qū)動(dòng)力由壓縮空氣提供。后者為電路連接，驅(qū)動(dòng)力由電機(jī)提供。

2.1.3 重量及安裝接口

在重量上，同一系列的高壓隔離開關(guān)，氣動(dòng)總是比電動(dòng)重1kg[2]。

在安裝上，氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)在主體部分并無(wú)區(qū)別。其余部分二者使用的哈丁連接器的型號(hào)不同，且氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)多了管路的安裝，見2.1.1氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)接口。

因此分析2.1.1氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)本體接口要求差異得出結(jié)論：二者控制接口無(wú)差異。在驅(qū)動(dòng)接口方面，前者為氣路連接，后者為電路連接，增加電機(jī)電源。在安裝接口方面，二者使用的哈丁連接器的型號(hào)不同，氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)多了管路的安裝。

2.2 外部控制邏輯要求差異分析

2.2.1 控制電路

氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)的最大操作功率為3W，最大操作電流為0.27A，IO可承受的電流在0.5-1A之間，因此氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)電磁閥可直接由網(wǎng)絡(luò)控制。

圖9為氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)控制電路，=11-Q03是輔助觸點(diǎn)開關(guān)D、E傳來(lái)的反饋信號(hào)，送給網(wǎng)絡(luò)模塊，IO通道控制雙電控電磁閥分、合閘線圈的得電。

電動(dòng)高壓隔離開關(guān)分、合閘接觸器可直接由網(wǎng)絡(luò)控制。如圖10電動(dòng)高壓隔離開關(guān)控制電路所示，將電機(jī)電源端連110V電源上。1.2.1節(jié)提到，分閘接觸器和合閘接觸器因?yàn)榛ユi所以不會(huì)同時(shí)得電。但是考慮到分閘接觸器或合閘接觸器輔助觸點(diǎn)61-62損壞不能正常開斷且IO出現(xiàn)異常同時(shí)給出分、合閘的指令，可能導(dǎo)致的電機(jī)電源短路從而燒損控制電路的極端情況，在電動(dòng)高壓隔離開關(guān)控制電路增加雙極斷路器=21-F01。

=11-Q03是輔助觸點(diǎn)開關(guān)D、E傳來(lái)的反饋信號(hào)，送給網(wǎng)絡(luò)模塊，IO通道控制分、合閘接觸器的得電。

因此可知?dú)狻㈦妱?dòng)高壓隔離開關(guān)均是由IO通道控制分、合閘，將輔助觸點(diǎn)開關(guān)D、E傳來(lái)的反饋信號(hào)，送給網(wǎng)絡(luò)模塊，控制電路一致。

2.2.2 控制邏輯

①開斷條件。氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)開斷條件基本一致，唯一的區(qū)別是因?yàn)轵?qū)動(dòng)裝置不同導(dǎo)致的。氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)要求在開、斷之前必須保證充足的氣壓，否則可能會(huì)導(dǎo)致閘刀位置不明。電動(dòng)高壓隔離開關(guān)則要求在開、斷之前必須保證斷路器=21-F01為閉合狀態(tài)。（表1）

②控制要求。對(duì)于氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)，為保證每次分、合閘的命令完全執(zhí)行，部件需要求每次閉合或打開脈沖的持續(xù)時(shí)間設(shè)置為最短1秒。由于電磁閥可以長(zhǎng)時(shí)間得電工作，因此不規(guī)定每次閉合或打開脈沖的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間。氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)分、合閘電磁閥同時(shí)得電有可能會(huì)導(dǎo)致閘刀位置不明，建議對(duì)控制電路做互鎖，使分合閘電磁閥不能同時(shí)得電。

對(duì)于電動(dòng)高壓隔離開關(guān)，為保證每次分、合閘的命令完全執(zhí)行，部件需要求每次閉合或打開脈沖的持續(xù)時(shí)間設(shè)置為最短3秒或者收到輔助觸點(diǎn)反饋后的250毫秒。由于電機(jī)不能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)工作，因此建議將閉合、打開脈沖的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間設(shè)置為4.5秒。

③故障判斷[3]。因?yàn)闅狻㈦妱?dòng)高壓隔離開關(guān)控制要求的不同，因此故障判斷條件也不同，具體見表2。

④故障處理。氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)在故障復(fù)位條件如表3所示并無(wú)差異。

分析2.2氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)外部控制邏輯要求得出結(jié)論：二者外部控制電路無(wú)差異。在控制邏輯方面，由于驅(qū)動(dòng)裝置不同，所以開斷條件存在差異，即前者要求在開、斷之前必須保證充足的氣壓。后者要求在開、斷之前必須保證斷路器=21-F01為閉合狀態(tài)。由于控制要求的不同，因此二者故障判斷條件不同，前者15秒后狀態(tài)反饋仍然顯示在原位，則判斷故障。后者5秒后狀態(tài)反饋仍然顯示在原位，則判斷故障。氣、電動(dòng)高壓隔離開關(guān)外部控制邏輯要求差異不大，只需要在軟件上進(jìn)行修改即可。

2.3 運(yùn)用環(huán)境條件差異分析（表4）

可知?dú)狻㈦妱?dòng)高壓隔離開關(guān)在應(yīng)用海拔、機(jī)械壽命、防護(hù)等級(jí)等方面均無(wú)差異。在工作溫度方面，氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)可靠工作的最低溫度為-25°C，電動(dòng)高壓隔離開關(guān)可靠工作的最低溫度為-40°C。如果運(yùn)用環(huán)境低于-25°C，則建議選用電動(dòng)隔離開關(guān)。

2.4 可靠性對(duì)比分析

高壓隔離開關(guān)的平均故障間隔時(shí)間MTBF值如表5。

得出氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)臨修故障率λ1為1.141E-06次/h，電動(dòng)高壓隔離開關(guān)臨修故障率λ2為1.194E-06次/h。可知λ1、λ2相差微小，可忽略。

3? 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)氣動(dòng)和電動(dòng)高壓隔離開關(guān)的工作原理、應(yīng)用環(huán)境、安裝接口、可靠性等方面的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)和氣動(dòng)高壓隔離開關(guān)都具有高度的可靠性，且本體控制接口沒有差異，外部控制邏輯的差異可通過對(duì)控制軟件的適應(yīng)性修改來(lái)解決。僅在最低應(yīng)用環(huán)境溫度有微弱差異，可根據(jù)機(jī)車的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選型。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曙光.HXD1型電力機(jī)車[M].北京：中國(guó)鐵路出版社，2018.

[2]SP1880110TEN， Sécheron高壓隔離開關(guān)產(chǎn)品手冊(cè).

[3]馬骎，馬龍.高壓隔離開關(guān)在電力系統(tǒng)的作用以及故障分析[J].科技資訊，2018，16（09）：38-39.