張敬濤 叢艷偉 康世榮 趙東輝 張羅銳 于洪宇 吳 登

（天津平高智能電氣有限公司，天津300300）

作為電力系統(tǒng)中重要的開關(guān)設(shè)備，在斷路器運行中，防止誤操作裝置的設(shè)計關(guān)系到直接關(guān)系到斷路器運行維護中的安全及可靠問題。電網(wǎng)運行規(guī)范中指出凡是有可能發(fā)生人員失誤而引起誤操作的高壓電器設(shè)備應(yīng)裝設(shè)誤防裝置，誤防裝置應(yīng)實現(xiàn)“五防”功能，在成套的高壓開關(guān)柜中誤防裝置要有限選用機械閉鎖。手車式真空斷路器作為高壓開關(guān)柜中最重要的開關(guān)設(shè)備，其聯(lián)鎖閉鎖功能直接關(guān)系到開關(guān)柜的穩(wěn)定運行，而在手車式真空斷路器試驗位置與工作位置切換途中的合閘閉鎖功能是其“五防”聯(lián)鎖中的重要功能之一。

本文通過對斷路器合閘閉鎖的設(shè)計及優(yōu)化分析，對手車式真空斷路器的合閘閉鎖功能實現(xiàn)及彈簧力值的選擇進行優(yōu)化分析，最終設(shè)計出滿足使用要求的合閘閉鎖結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了斷路器的安全可靠運行。

1 合閘閉鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計

手車式真空斷路器合閘聯(lián)鎖是依靠機構(gòu)合閘閉鎖板的上下運動實現(xiàn)的，當(dāng)機構(gòu)聯(lián)鎖板處于下端時，機構(gòu)處于解鎖狀態(tài)，當(dāng)機構(gòu)聯(lián)鎖板向上運動到設(shè)計位置時，機構(gòu)處于合閘閉鎖狀態(tài)。如圖1 所示：

2 合閘閉鎖仿真分析

2.1 初始判據(jù)

為保證合閘閉鎖結(jié)構(gòu)靈活可靠，底盤車鎖板轉(zhuǎn)動輸出力值應(yīng)始終大于合閘閉鎖復(fù)位簧的力值，并應(yīng)有1.2 倍的設(shè)計裕度。

2.2 合閘閉鎖運動過程力值計算

2.2.1 設(shè)計輸入?yún)?shù)

a. 底盤車鎖板扭簧：T1=2394±230N.mm T2=2260±220N.mm K=13.3N.mm/°，設(shè)計轉(zhuǎn)角10 度°。

b.合閘閉鎖復(fù)位簧：F1=10N，F(xiàn)2=15N，K=0.625N/mm，有效圈數(shù)n=12。

2.2.2 力學(xué)分析

由于初始為止存在間隙，底盤車搖動脫扣后轉(zhuǎn)動2.19°與合閘聯(lián)鎖橫板接觸，帶動聯(lián)鎖推桿向上運動。底盤車初始位置與合閘聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖2 所示：

圖2 底盤車初始位置與合閘聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)位置關(guān)系圖

對接觸位置進行受力分解，如圖3 所示：

圖3 初始接觸位置受力分析圖

底盤車初始扭簧扭矩為2394N.mm，轉(zhuǎn)動2.19°后扭矩為：

N=2394-2.19°×13.3=2364.873N.mm

接觸時切向力為：

F切=N÷L=2364.873÷68.6=34.47N

傳動效率按75%計算，豎直向上的分力為：

F豎= F切sinθ=34.47×sin26.16°×75%=12.2025N

將公式進行整合為：

F豎= (N/L)sinθ×75%

按照此公式以1°為步長進行逐步計算，直至轉(zhuǎn)角到達10°。計算結(jié)果表1 所示：

表1 底盤車聯(lián)板扭簧標(biāo)稱值輸出力值

根據(jù)圖紙要求，計算扭簧下偏差極限力值，如表2 所示：

表2 底盤車聯(lián)板扭簧下偏差值輸出力值

通過計算，聯(lián)鎖推桿向上移動9.7mm，聯(lián)鎖推板與推桿中間存在2.57mm 間隙，所以聯(lián)鎖推板運動距離為7.13mm。根據(jù)此力值進行合閘閉鎖復(fù)位簧運動力值計算，如表3 所示：

表3 合閘閉鎖復(fù)位簧運動力值

將三組數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進行對比分析，如圖4 所示：

圖4 力值對比曲線圖

2.2.3 計算結(jié)果分析

通過對比可以看出，當(dāng)?shù)妆P車鎖板轉(zhuǎn)動到9°時，合閘閉鎖復(fù)位簧力值高于扭簧設(shè)計下限輸出力值，底盤車鎖板停止動作，此時合閘閉鎖板移動高度為6.43mm。當(dāng)?shù)妆P車鎖板轉(zhuǎn)動到7.2°時，合閘閉鎖復(fù)位簧力值高于判據(jù)值，底盤車鎖板停止動作，此時合閘閉鎖板移動高度為5.03mm。

2.3 結(jié)論

通過計算分析可以得出，在底盤車鎖板扭簧力值下限時，合閘閉鎖板移動高度可以滿足可靠聯(lián)鎖需要高度，但在判據(jù)值下，合閘閉鎖板移動高度在可靠聯(lián)鎖需要高度偏下部位。此結(jié)構(gòu)存在合閘閉鎖不可靠的情況，當(dāng)零部件尺寸加工誤差較大，裝配工藝處理不好的情況下，極易出現(xiàn)合閘閉鎖失效的情況。此計算亦可反推驗證判據(jù)值的合理性。

3 合閘閉鎖優(yōu)化設(shè)計分析

重新設(shè)計合閘閉鎖復(fù)位簧，將彈簧工作位置F2 值設(shè)計為低于底盤車鎖板扭簧輸出力值判據(jù)值,值為6.66N。

考慮安全系數(shù)關(guān)系，F(xiàn)2=6.66/σ

其中:σ-安全系數(shù)，值為1.2,則F2=5.55。

新設(shè)計彈簧輸入?yún)?shù):d=0.8mm，D=8mm，F(xiàn)2=5.55N，F(xiàn)1=2.7N,合閘閉鎖復(fù)位簧拉伸行程△L=7.13mm，K=0.4N/mm，機構(gòu)初始安裝合閘閉鎖復(fù)位簧高度H=41mm。

則彈簧初始安裝尺寸: L=H-(F1/K)=34.25mm

根據(jù)彈簧剛度計算公式：

其中：K-彈簧剛度；G-彈簧材料切變模量；d- 彈簧線徑；D-彈簧中經(jīng)；n-彈簧有效纏繞圈數(shù)；

將已知量帶入公式，通過計算得出：n=20 元整為：n=20

原結(jié)構(gòu)彈簧與優(yōu)化彈簧參數(shù)對比如4 表所示：

表4 優(yōu)化前后合閘閉鎖復(fù)位簧參數(shù)對比

根據(jù)前述計算步驟進行優(yōu)化后合閘閉鎖復(fù)位簧運動力值計算，如表5 所示：

表5 合閘閉鎖復(fù)位簧運動力值

將底盤車鎖板扭簧輸出力值與改進后合閘閉鎖復(fù)位簧力值數(shù)據(jù)繪制成曲線圖進行對比分析，如圖5 所示：

圖5 力值對比曲線圖

通過圖表可以看出，在合閘聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)整個運動過程中，合閘閉鎖復(fù)位簧力值低于底盤車鎖板扭簧輸出力值的判據(jù)值，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對斷路器合閘閉鎖設(shè)計結(jié)構(gòu)校核，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計結(jié)構(gòu)在底盤車鎖板扭簧力值下限時，合閘閉鎖板移動高度可以滿足可靠聯(lián)鎖需要高度，但在判據(jù)值下，合閘閉鎖板移動高度不滿足可靠聯(lián)鎖需要高度。此結(jié)構(gòu)存在合閘閉鎖不可靠的情況，當(dāng)零部件尺寸加工誤差較大，裝配工藝處理不好的情況下，極易出現(xiàn)合閘閉鎖失效的情況。對合閘閉鎖連板及合閘閉鎖連板復(fù)位簧進行優(yōu)化設(shè)計，通過計算，設(shè)計結(jié)構(gòu)在判據(jù)值以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。