110kV高压真空断路器弹簧操动机构
高压断路器的操动机构
6复位 复位
断路器分闸后， 断路器分闸后，操动机构中的各个部件应 能自动地回复到淮备合闸的位置， 能自动地回复到淮备合闸的位置，对于手 动操动机构， 动操动机构，允许通过简单的操作后回复 到淮备合闸位置，因此， 到淮备合闸位置，因此，操动机构中还需 装设一些复位用的零部件， 装设一些复位用的零部件，如连杆或返回 弹簧等。 弹簧等。
第六章 高压开关电器
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 本章小结 思考练习 高压断路器概述 油断路器 真空断路器 六氟化硫断路器 高压断路器的操动机构 隔离开关 负荷开关
6.5高压断路器的操动机构—概述
操动机构
传动元件
高压断路器的 操动系统
传动系统
提升机构 传动机构 油缓冲器
2传动系统
动触头 提升机构 传动机构 传动元件 能源
缓冲器 断路器本体 操动机构 分合命令
传动系统连接着操动机构和触头。主要包括传动元件、提升机构和它们之间 传动系统连接着操动机构和触头。主要包括传动元件、 传动元件 的传动机构。 的传动机构。 传动元件：由连杆机构或液压、气动传动机构等构成。 传动元件：由连杆机构或液压、气动传动机构等构成。 提升机构：带动断路器的触头运动，用来提升触头进行分、合闸。 提升机构：带动断路器的触头运动，用来提升触头进行分、合闸。它使动触 头按直线或近似直线运动，所以也叫做变直机构 变直机构。 头按直线或近似直线运动，所以也叫做变直机构。 传动机构：连接上面两个机构的中间环节， 传动机构：连接上面两个机构的中间环节，是操动机构过渡到提升机构的一 种连接传动机构。主要作用是传递能量，改变运动方向。 种连接传动机构。主要作用是传递能量，改变运动方向。一般由连杆机构组 成。
5防跳跃 防跳跃
真空断路器内部结构
真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其他部件。
真空灭弧室按照开关型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空灭弧室、中间封接杯状纵磁场小型化真空灭弧室、内封接式玻璃泡灭弧室，其基本结构如下：①气密绝缘系统（外壳）由陶瓷、玻璃或微晶玻璃制成的气密绝缘筒、动端盖板、定端盖板、不锈钢波纹管组成的气密绝缘系统是一个真空密闭容器。
为了保证气密性，除了在封接式要有严格的操作工艺，还要求材料本身透气性和内部放气量小。
②导电系统由定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成。
触头结构大致有三种：圆柱形触头、带有螺旋槽跑弧面的横向磁场触头、纵向磁场触头。
目前采用纵磁场技术，此种灭弧室具有强而稳定的电弧开断能力。
③屏蔽系统屏蔽罩是真空灭弧室中不可缺少的元件，并且有围绕触头的主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压用屏蔽罩等多种。
主屏蔽罩的作用是：a防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁，从而降低外壳的绝缘强度。
b改善灭弧室内部电场分布的均匀性，有利于降低局部场强，促进真空灭弧室小型化。
c冷凝电弧生成物，吸收一部分电弧能量，有助于弧后间隙介质强度的恢复。
操作机构按照断路器型式不同，采用的操作机构不同。
常用的操作机构有弹簧操作机构、CD10电磁操作机构、CD17电磁操作机构、CT19弹簧储能操作机构、CT8弹簧储能操作机构。
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弹簧操动机构在真空断路器应用
前言随着真空断路器的迅速发展,对配套用的操动机构提出了更高的要求。
最早用的电磁操动机构,因合闸电源功率大,投资大,断路器合分速度偏低,逐渐被合闸电源功率小,输出特性与真空断路器相匹配,机械寿命长的弹簧操动机构所代替。
最早设计的CT8弹簧操动机构专门为少油断路器而设计。
经完善改进的CT10、CT12机构,原理上与CT8相同,结构相似,仍然存在着与真空断路器不相匹配的缺点。
为了满足真空断路器的需要,提高运行可靠性,根据真空断路器的机械特性要求,相应研制开发了CT17、CT19类型的弹簧操动机构。
CT17和CT19储能原理相同,驱动和脱扣系统相近,只是结构布置两样。
现以CT17为例,对真空断路器应用中出现的问题进行分析,提出解决方案。
二 CT17与CT10弹操机构在真空断路器应用中性能的比较。
CT10是最早期经完善改进用于35kV真空断路器的弹簧操动机构。
由于它储能方式为棘轮结构,运转时承受冲击负荷,这样要求机械强度高,运行噪声大,使用寿命短。
CT17机构吸收了CT10的优点,再储能原理上实现了突破。
采用了机械传动系统中最简捷,性能可靠的齿轮传动方式,已根本上改变了原有的不足。
使其传动平稳、噪声低、寿命长、输出特性与真空断路器相匹配。
现将二者性能列序比较如下:1 合闸功CT10为400J;CT17-35为350~500J,连续可调,能满足不同的断路器对输出功的要求。
2 机械寿命CT10为2000次;CT17-35为10000次3 安装方式CT10合分电磁铁可自动复位,机械输出轴偏后,机构可以朝任意方向安装。
常用的有正装、倒装,适应不同断路器的要求,方便灵活。
4 储能系统CT10储能系统为棘轮棘爪形式,储能时棘轮棘爪受冲击负荷,振动大,噪声大,易打齿,易磨损。
系统效率低,要求功率大,一般为600W。
经常储不上能,容易烧损电机。
CT17-35采用齿轮传动,性能平稳,效应提高。
储能可靠,噪声低。
使用由机动率小,为200W。
第五节 高压断路器的操动机构
度特性易受环境温度的影响。
2）慢分阀。
闸位置时与低压油箱连通。
机械能是储存在储压筒
3）机械法。
内，储压筒储存能量的方式：
（3）油压低闭锁功能。
①利用氮气来储存能量。 ② 弹簧储能方式。
第五节 高压断路器的操动机构 四、液压操动机构
4.CY型液压操动机构
《发电厂变电站电气设备》 第六章 高压开关电器
方向传 合传，动闸动操增机，机提加构所构升过行的以是机传传程运也连构动动并动叫接是元机向变变操带件构断为直动动由与路动机机断连断器触构构路杆路传头。与器机器递的提动构的能直升触或提量线机头液升的或构按压杆作近的一、相用似中定气连。直间轨动。线环迹传运节运动动，动机，起的构使改机等断变构构路运，成器动它，分将通、
《发电厂变电站电气设备》 第六章 高压开关电器
2、操动机构的种类
（1）手动操动机构
直接用人力关合断路器的机构，用于12kV及以下短路容 量很小的地方
（2）电磁操动机构
靠直流螺管电磁铁产生的电磁力进行合闸，以储能弹簧 分闸的机构。用于110kV及以下的断路器。
（3）弹簧操动机构
以储能弹簧为动力对断路器进行分、合闸操作的机构。 用于220kV及以下电压等级的断路器。
造器成爆自断炸锁由路事；例脱器故弹如扣多。簧：：次操分是合动、指分机合操短构闸动路中位机电合置构流闸闭在，弹锁合使簧；闸触的高过头位、程严置低中重闭气接烧锁压到伤（分，液闸甚压命至）令引闭时起，断机路 构将不再执行合闸命令而立即分闸，这样就避免了跳跃。
第五节 高压断路器的操动机构 一、操动系统概述
（mm）为特征数字
第五节 高压断路器的操动机构 一、操动系统概述
《发电厂变电站电气设备》 第六章 高压开关电器
高压开关操动机构简介
高压开关操动机构简介一、综述1操动机构的分类1.1按用途分类：可分为断路器用操动机构和隔离开关、接地开关、负荷开关等高压开关电器类用操动机构两大类。
1.2按传动介质分类：可分为电动机构、手动机构、气动机构、液压机构、弹簧机构、电磁机构、永磁机构、爆炸机构等多种类型。
断路器最常用的机构类型有永磁机构、弹簧机构、气动机构、液压机构四种类型。
隔离开关、接地开关、负荷开关等高压开关电器类最常用机构的机构类型有电动机构、手动机构、电动弹簧机构和用于组合电器的电动三工位机构。
断路器最常用的永磁机构、弹簧机构、气动机构、液压机构特点比较及适用范围见表1。
隔离开关、接地开关、负荷开关等高压开关电器类最常用机构的机构类型有电动机构、手动机构、电动弹簧机构和用于组合电器的电动三工位机构见表2。
表12 设计要求2.1 材料及热处理、表面处理要求除液压机构、气动机构要求较高外，其余机构一般轴类零件选用中碳钢45号钢、热处理调质；销类零件用低碳钢热处理渗碳淬火；齿轮类零件用中碳钢热处理整体调质、齿面淬火。
表面处理主要有镀锌、磷化、油漆等。
2.2 传动件的外购件选用弹簧类常用有拉簧、压簧、扭簧；轴承类常用有滑动轴承和滚动轴承，滑动轴承类常用有不带挡边和带挡边两种DU型无油轴套、滚动轴承类常用各种滚针轴承。
3 制造要求除液压机构要求较高外，其余机构和一般机械类零部件的制造要求相似。
除常规加工机床外，一定要有几台加工精度较高的数控车、数控铣床和一两台加工中心；内、外圆磨床、无心磨床要用。
一般机构组装后重量不太重，一吨吊车就完全够用了。
外部协作方面除热处理、表面处理外，还要用到钢铸件、铝铸件甚至可能是铜铸件和塑料压制件的协作单位。
电磁铁线圈的制造也需要外协。
4 试验手段要求机构组装好后，要进行工频耐压试验、绝缘电阻测试、机械特性测试、机械寿命试验、噪声测试等一系列试验，要有相应的仪器和设备。
5 人员要求除机加工技术人员和技工外，应另外配备熟悉高压电器的设计人员两名、试验人员一人、装配工艺员一人、销售技术员一人。
弹簧操动机构与永磁操动机构的比较
弹簧操动机构与永磁操动机构的比较弹簧操动机构与永磁操动机构的比较3.1 动作原理和结构真空断路器永磁机构原理图见图1，弹簧机构见图2。
目前用于中压断路器操动机构主要有电磁式和弹簧式两种。
电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛应用，这是由于电磁操动机构较好地迎合了真空灭弧室的要求：一是开距小（8-25mm）,二是在合闸位置需要大的操动力（2000-4000N/相）。
然而电磁操动机构也存在不容忽视的缺点，磁路电感L在合闸过程中变化较大，产生反电动势，从而抑制了合闸线圈电流的增大，而且这种抑制作用随着合闸速度增加而增强。
相比之下，弹簧操动机构采用于手动或小功率交流电动机储能，其分合闸速度不受电源电压波动影响，相当稳定，能够获得较高的分合闸速度，能实现快速自动重合闸操作，在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点。
然而弹簧操动机也存在以下缺点：完全依靠机械传动，零部件数量多，一般弹簧操动机构有上百个零件，且传动机构较为复杂，故障率较高，运动部件多，制造工艺要求较高。
另外，弹簧操动机构的结构复杂，滑动摩擦面多，而且多在关键部位，在长期运行过程中，这些零件的磨损、锈蚀以及润滑剂的流失、固化等都会导致操作失误。
近年来，一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构（简称永磁机构）备受关注。
和传统的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置，故障源少，具有较高的可靠性。
3.2 操动机构与真空断路器的配合3.2.1 力－行程特性多年来，真空断路器一直在努力追求着一种完美操动的机构：结构简单，寿命长，可靠性高，可以用小功率交流电源操作，出力特性与真空断路器的反力特性很好地匹配，能给出稍低的合闸速度和较高的分闸速度的操作机构。
真空断路器触头行程很小，合闸过程中在触头接触前只需要很小的驱动力，一旦触头闭合，就需要较大的驱动力，来压缩触头弹簧以获的足够的触头压力。
操动机构
XRNT型熔断器外形结构
1-瓷质管 2-金属管帽 3-弹性触座 4-接线端子 5-绝缘子 6-底座
RW10-12型跌开式熔断器外形结构
1-管帽 2- 操作环 3-熔断器 4-劢触头 5-静触头 6-下接线端子 7-固定安装板 8-绝缘瓷瓶
高压负荷开关
断路器分闸时丌单能分合正常的负荷电流，通常 在设计合理的前提下，还能安全分合短路电流。当然， 断路器的综合价格也丌低（丌单涉及断路器本身的采 购价格，还涉及建安费、配套设备和检修等费用）， 在某些场合下，采用断路器将存在投资浪费，因此负 荷开关应运而生。
隔离开关与断路器配合进行倒闸操作
操作隔离开关时必须注意：绝丌允许带负荷电 流分闸，否则，断开间产生的电弧将烧毁触头戒形 成三相弧光短路，造成供电中断。因此，隔离开关 不断路器串联于电路中时，隔离开关必须遵守先合 后分的原则；在并联时，必须遵守先分后合的原则。
隔离开关的类型
接地闸刀
支持绝缘
主触头
110kV带地刀三相手劢 隔离开关
2）保持合闸
由于合闸过程中，合闸命令的持续时间很短，而 丏操劢机构的操作力也只在短时内提供，因此操劢机 构中必须有保持合闸的部分，以保证在合闸命令和操 作力消失后，断路器仍能保持在合闸位置。
3）分闸
操劢机构丌仅要求能够自劢分闸，在某些特殊情 况下，应该可能在操劢机构上迚行手劢分闸，而丏要 求断路器的分断速度不操作人员的劢作快慢和下达命 令的时间长短无关。
为了减少分闸信号的能量，达到快速分闸、简化继 电保护回路的要求，在操劢机构中应有分闸省力机构。
4）自由脱扣 自由脱扣指的是在断路器合闸过程中接收到分闸
命令时，机构终止执行合闸命令而改为执行分闸命令。 手劢操劢机构必须具有自由脱扣装置，才能保证
电磁操动机构、弹簧操动机构及永磁操动机构
真空断路器的操动机构主要有三种类型：电磁操动机构、弹簧操动机构及永磁操动机构。
电磁操动机构由一个电磁线圈和铁心，加上分闸弹簧和必要的机械锁扣系统组成，结构简单、零件数少、工作可靠、制造成本低。
同时螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求。
其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求配用昂贵的蓄电池，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。
电磁操动机构出现最早，但目前用量趋于减少。
弹簧操动机构由弹簧贮存分合闸所需的所有能量，并通过凸轮机构和四连杆机构推动真空灭弧室触头动作。
其分合闸速度不受电源电压波动的影响，相当稳定，通过调整弹簧的压力能够获得满足要求的分合闸速度。
其缺点是机械零件多（达160多个），零件的材质、加工精度和装配精度都直接影响机构的可靠性。
弹簧机构的出力特性，基本上就是储能弹簧的释能下降特性，为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性改变。
目前弹簧操动机构技术已经成熟，因此用量较大。
永磁机构是一种全新的操动机构，它利用永磁保持、电子控制、电容器储能。
其优势是结构简单、零件数目少，工作时的主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置。
永磁机构分为两种类型：单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。
永磁机构尚需经受考验，需解决好电容器的寿命问题、永久磁铁的保持力问题及电子器件的可靠性等问题。
目前其用量还不大。
真空断路器主要结构:真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其结构图他部件断路器采用三相支柱式结构，具有开断性能稳定可靠、无燃烧和爆炸危险、免维修、体积小、重量轻和使用寿命长等特点。
断路器采用全封闭结构，密封性能好，有助于提高防潮、防凝露性能，特别适用于严寒或潮湿地区使用。
三相支柱及电流互感器采用进口户外环氧树脂固体绝缘，或采用户内环氧树脂外包有机硅橡胶固体绝缘；具有耐高低温、耐紫外线、耐老化等特点。
操动机构采用小型化弹簧操动机构，储能电机功率小，分合闸能耗低；机构传动采用直动传输方式，零部件数量少，可靠性高。
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110kV高压真空断路器弹簧操动机构总体方案设计
摘要：针对110 kV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110 kV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
分类号：TH122文献标识码：A
文章编号：1000-5889（2000）01-0036-05
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、操动机构功率孝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110 kV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
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．来源:
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)。