高壓氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈 文，李治軍，鐘積科

高壓氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈 文，李治軍，鐘積科

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

操作機(jī)構(gòu)是隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)執(zhí)行的重要部件，其可靠性直接影響隔離開(kāi)關(guān)的正常合閘與分閘。本文提出了一種高壓氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，對(duì)其氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，提出了幾種氣動(dòng)回路方案，對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行了比較分析與優(yōu)化，可為類似結(jié)構(gòu)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

高壓 隔離開(kāi)關(guān) 氣動(dòng)回路 電磁閥

0 引言

隔離開(kāi)關(guān)是高壓開(kāi)關(guān)電器中使用最多的一種電器，其主要作用是在需要檢修的部分和其它帶電部分之間形成足夠大且明顯可見(jiàn)的斷口以保證檢修工作時(shí)的安全[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)廠家不斷借鑒國(guó)外隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，縮短了與國(guó)際產(chǎn)品的差距，部分超高壓隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)進(jìn)口，但與國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品差距仍然較大[2]。隨著電器試驗(yàn)室和電站對(duì)隔離開(kāi)關(guān)耐受短路電流能力要求不斷提高，國(guó)內(nèi)高壓隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備在技術(shù)參數(shù)、質(zhì)量性能方面仍有較大改進(jìn)的空間[3]。因此，新型氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)的應(yīng)用研究具有十分重要的意義。

本文所研究的高壓氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化模型如圖1所示，主要由觸頭組件、操作機(jī)構(gòu)和底座組成。其中觸頭部分主要由動(dòng)觸頭板、靜觸頭座和觸指等組成；底座部分主要由框架支座和絕緣子等組成；操作機(jī)構(gòu)部分主要由氣缸、連桿、轉(zhuǎn)軸、軸套等組成。操作機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控隔開(kāi)開(kāi)關(guān)動(dòng)作；氣缸與動(dòng)觸頭板采用曲軸連接來(lái)實(shí)現(xiàn)合分閘操作。操作機(jī)構(gòu)最大的要求就是保證隔離開(kāi)關(guān)準(zhǔn)確動(dòng)作，為確保設(shè)備安全和人身安全，設(shè)計(jì)的操作機(jī)構(gòu)應(yīng)能準(zhǔn)確定位，在開(kāi)關(guān)動(dòng)作到位時(shí)準(zhǔn)確反饋運(yùn)行狀態(tài)[4]。

本文對(duì)該隔離開(kāi)關(guān)氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的開(kāi)距、轉(zhuǎn)角以及傳動(dòng)桿系在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并在兩種不同氣動(dòng)回路方案的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比分析后，對(duì)氣動(dòng)回路方案進(jìn)行了優(yōu)化，使隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)行更加可靠。

1 操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)距轉(zhuǎn)角計(jì)算

對(duì)本隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的主要要求為開(kāi)距，如下圖2所示，開(kāi)距為，若及尺寸已知，則可得出開(kāi)距與轉(zhuǎn)角的關(guān)系式為：

圖2 開(kāi)距示意圖

測(cè)量本隔離開(kāi)關(guān)參考樣機(jī)可得=460 mm，=60 mm（約為250 mm），轉(zhuǎn)角及對(duì)應(yīng)的開(kāi)距由公式(1)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表1。

表1 轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)的開(kāi)距

由表1可知，開(kāi)距為250 mm時(shí)，則動(dòng)觸刀轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)該為40°，若增大開(kāi)距到300 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為48°。以下按照初始開(kāi)距為250 mm，轉(zhuǎn)角為40° 計(jì)算。

1.2 傳動(dòng)桿長(zhǎng)度確定

如圖1所示，將三個(gè)傳動(dòng)桿分別標(biāo)為桿1、桿2、桿3，其中桿1與氣缸組成桿系A(chǔ)、桿2和桿3組成桿系B。

根據(jù)開(kāi)距反推其他桿的長(zhǎng)度。桿系B中，已知桿2最終轉(zhuǎn)角超過(guò)豎直后10°，動(dòng)觸刀初始狀態(tài)處于水平，動(dòng)觸刀轉(zhuǎn)動(dòng)40°，另動(dòng)觸刀支點(diǎn)到中轉(zhuǎn)點(diǎn)距離為225 mm。若設(shè)置桿2長(zhǎng)度為150 mm，通過(guò)計(jì)算可知，桿2轉(zhuǎn)角為94.35°，桿3長(zhǎng)度為632.28 mm。由于轉(zhuǎn)角過(guò)大，需對(duì)桿2長(zhǎng)度進(jìn)行略微調(diào)整，取桿2長(zhǎng)度為200 mm，桿3為580 mm，得到桿2轉(zhuǎn)角為80.92°，動(dòng)觸刀轉(zhuǎn)角為43.18°，由公式（1）可得開(kāi)距為276.4 mm，符合要求。

對(duì)于桿系A(chǔ)，目標(biāo)值為在氣缸的推動(dòng)下，氣缸由初始位置達(dá)到最終位置時(shí)，桿1轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)與桿2轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，為 80.92°。已知?dú)飧讐嚎s時(shí)，氣缸長(zhǎng)度為660 mm，氣缸伸長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)度為960 mm，氣缸初始狀態(tài)安裝角為15°以保證正常工作。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到桿1長(zhǎng)度為234.76 mm，對(duì)桿1長(zhǎng)度進(jìn)行圓整，取240 mm，得到氣缸初始安裝角為16.6°。

至此，傳動(dòng)桿數(shù)據(jù)已經(jīng)分析完成，所確定尺寸如下表2所示：

表2 操作機(jī)構(gòu)尺寸

2 氣動(dòng)回路方案

2.1 氣動(dòng)回路方案一

氣動(dòng)回路方案一如圖3所示，主要由氣缸、單向節(jié)流閥、三位五通電磁閥及氣源組成。該氣動(dòng)回路方案可分為三個(gè)正常狀態(tài)及不同故障模式，分別如下：

圖3 氣動(dòng)方案一

保持態(tài)：氣源提供壓縮氣體，經(jīng)過(guò)單向閥進(jìn)入三位五通電磁閥，該電磁閥為雙電控式，若電磁閥兩邊未通電，即處于圖1所示的保持態(tài)，壓縮氣體不能通過(guò)電磁閥，氣缸內(nèi)部氣體也不能排除，此時(shí)處于保持態(tài)，動(dòng)觸刀長(zhǎng)期閉合或者分開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電磁閥應(yīng)處于此狀態(tài)。此時(shí)，電磁閥斷電也不會(huì)造成事故。

分閘：若電磁閥左端通電（分閘過(guò)程中保持通電），此時(shí)隔離開(kāi)關(guān)由保持態(tài)轉(zhuǎn)換為分閘狀態(tài)，分閘狀態(tài)氣動(dòng)回路動(dòng)觸刀速度可通過(guò)可調(diào)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)。合閘完畢后，通過(guò)接近傳感器感知并反饋給電磁閥，電磁閥右端斷電，分閘完畢，電磁閥由分閘狀態(tài)恢復(fù)到保持態(tài)，動(dòng)觸刀處于并保持于分開(kāi)狀態(tài)。

合閘：動(dòng)觸刀處于分開(kāi)狀態(tài)，且電磁閥處于保持態(tài)，若需要進(jìn)行合閘，則對(duì)電磁閥右端進(jìn)行通電（分閘過(guò)程中保持通電），氣動(dòng)回路進(jìn)入合閘狀態(tài)，氣缸到位后接近開(kāi)關(guān)感知并給電磁閥斷電，電磁閥恢復(fù)到保持態(tài)，動(dòng)觸刀處于并保持于閉合狀態(tài)。

斷電斷氣故障：斷電斷氣時(shí)，不管出于何種狀態(tài)，電磁閥會(huì)恢復(fù)到保持態(tài)，氣路氣體阻塞，氣缸及動(dòng)觸刀無(wú)任何動(dòng)作，符合前面斷氣保持原位要求。

斷電不斷氣故障：斷電不斷氣時(shí)，不管出于何種狀態(tài)，電磁閥會(huì)恢復(fù)到保持態(tài)，氣路氣體阻塞，氣缸及動(dòng)觸刀無(wú)任何動(dòng)作，符合前文所述斷氣保持原位要求。

斷氣不斷電故障：當(dāng)處于保持態(tài)時(shí)，氣泵斷氣，由于氣路氣體阻塞，氣缸及動(dòng)觸刀無(wú)任何動(dòng)作，符合前面斷氣保持原位要求。

當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘時(shí)，電磁閥不斷電、氣泵斷氣，電磁閥仍處于打開(kāi)狀態(tài)，由于設(shè)置單向閥，氣缸仍不動(dòng)作，符合斷氣保持原位，故系統(tǒng)安全。

當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閘時(shí)，電磁閥不斷電、氣泵斷氣，電磁閥仍處于打開(kāi)狀態(tài)。

2.2 氣動(dòng)回路方案二

方案二與方案一的區(qū)別在于電磁閥不同。如圖4所示，方案二采用雙電控兩位五通電磁閥，該閥工作原理在于有兩個(gè)位置，無(wú)保持狀態(tài)。

分閘狀態(tài)：電磁閥左端給電（瞬時(shí)通電即可，無(wú)復(fù)位彈簧，斷電后保持通電前原位），左端導(dǎo)通，氣缸動(dòng)作，開(kāi)始分閘，分閘到位后，所有部件保持原態(tài)。

合閘狀態(tài)：電磁閥右端給電（瞬時(shí)通電即可，無(wú)復(fù)位彈簧，斷電后保持通電前原位），右端導(dǎo)通，氣缸動(dòng)作，開(kāi)始合閘，合閘到位后，所有部件保持原態(tài)。

圖4 氣動(dòng)方案二

斷電故障：由于電磁閥是瞬時(shí)通電，斷電對(duì)電磁閥動(dòng)作不影響。

斷氣故障：當(dāng)左端接通時(shí)，斷電斷氣，電磁閥保持左端接通，由于有單向閥，氣缸及動(dòng)觸刀無(wú)任何動(dòng)作，符合前面斷氣保持原位要求；

當(dāng)右端接通時(shí)，斷電斷氣，電磁閥保持右端接通。

2.3 兩種氣動(dòng)回路方案對(duì)比分析

兩種氣動(dòng)回路方案的差異是由電磁閥帶來(lái)的，因此各自氣動(dòng)回路具有各自的特點(diǎn)。

1）方案一

優(yōu)點(diǎn)：電磁閥是三位，在長(zhǎng)期閉合或分開(kāi)時(shí)有自鎖功能。

缺點(diǎn)：電磁閥在運(yùn)行時(shí)需一直保持通電

2）方案二

優(yōu)點(diǎn)：二位電磁閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，瞬時(shí)通電。

缺點(diǎn)：不管在何種狀態(tài)，氣路一直處于接通狀態(tài)，供氣設(shè)備一直處于供氣中，對(duì)壽命有影響。

2.4 氣動(dòng)回路方案改進(jìn)

結(jié)合前兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)氣動(dòng)回路進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種方案三(圖5所示)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)所要求的各種斷電斷氣故障的保護(hù)措施。

分閘：若電磁閥左端通電（分閘過(guò)程中瞬時(shí)脈沖即可），此時(shí)隔離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為分閘狀態(tài)，分閘狀態(tài)氣動(dòng)回路兩位兩通氣動(dòng)閥在氣源有一定壓力時(shí)處于接通狀態(tài)，動(dòng)觸刀速度可通過(guò)可調(diào)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

合閘：若電磁閥右端通電（合閘過(guò)程中瞬時(shí)脈沖即可），此時(shí)隔離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為合閘狀態(tài)，合閘狀態(tài)氣動(dòng)回路兩位兩通氣動(dòng)閥在氣源有一定壓力時(shí)處于接通狀態(tài)，動(dòng)觸刀速度可通過(guò)可調(diào)節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

圖5 氣動(dòng)回路方案三

斷電故障：由于電磁閥是瞬時(shí)通電，斷電對(duì)電磁閥動(dòng)作不影響，系統(tǒng)安全。

斷氣故障：當(dāng)氣源斷氣時(shí)，兩位兩通氣動(dòng)閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，氣缸內(nèi)氣體量不變，氣缸不動(dòng)作（無(wú)負(fù)荷或小負(fù)荷時(shí)），系統(tǒng)安全。

3 總結(jié)

本文提出一種高壓氣動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成作了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其操作機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)回路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。

操作機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，氣缸與動(dòng)觸板采用曲軸連接，在短路電流發(fā)生時(shí)能確保觸頭靜觸板和動(dòng)觸板的接觸處于最佳狀態(tài)，提高開(kāi)關(guān)的動(dòng)熱穩(wěn)定水平；連桿機(jī)構(gòu)分閘位采用過(guò)死點(diǎn)方案，對(duì)比機(jī)構(gòu)分閘不過(guò)過(guò)死點(diǎn)方案，使氣缸斷氣時(shí)，不會(huì)因?yàn)樽灾囟鴮?dǎo)致錯(cuò)合閘，結(jié)構(gòu)更加可靠。

[1] 邵淑敏, 張英杰, 賈華景, 等. 12 kV 環(huán)保充氣柜用三工位隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)的研發(fā)[J]. 高壓電器, 2019, 55(9): 236-240.

[2] 齊炳利, 孟忠, 王宇弛, 等. 800 kV高壓交流隔離開(kāi)關(guān)研究開(kāi)發(fā)[J]. 高壓電器, 2012, 48(4): 46-53.

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Design of the operating mechanism for the high-voltage pneumatic isolating switch

Shen Wen, Li Zhijun, Zhong Jike

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564.1

A

1003-4862（2022）06-0049-04

2021-09-30

沈文（1989-），男，工程師。研究方向：直流斷路器。E-mail:549601989@qq.com