任务二 高压断路器的操动机构结构原理及使用

认知1 操动机构基本知识

一、操动机构概述

（1）操动机构。操动机构是指独立于断路器本体外的对断路器进行操作的机械操动装置。操动机构是高压断路器的重要组成部分。一种型号的操动机构可以配用不同型号的断路器，而同一型号的断路器也可装配不同型号的操动机构。

（2）分类。断路器的操动机构分为电磁式、弹簧式、液压式、液压弹簧式、气动式、手动式几种，各种类型的操动机构都有一定的优、缺点。

（3）组成。断路器操动机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。

（4）作用。断路器进行合闸、分闸、重合闸操作，并保持在合、分闸状态，这些功能都是由操动机构完成的。

大量的统计资料表明，高压断路器的故障有50%以上是由于操动机构引起的误动或拒动。电磁机构的卡涩、气动机构的漏气和液压机构的漏油等，几乎成为人所共知的质量通病。因此，必须根据不同种类和型号的断路器合理选择操动机构。

二、型号含义

操动机构型号通常用数字和字母表示，具体含义如下：

三、操动系统的组成

操动系统由以下几个主要部件组成：

（1）操作机构。其功能是将人力能或电能通过电磁铁或弹簧或气（液）体压缩转换成机构动作的机械能。

（2）传动机构。传动机构是连接操作机构和提升机构的过渡环节。

（3）提升机构。其功能是带动断路器动触头按一定轨迹运动，一般为直线运动或近似直线运动。

（4）缓冲器。其功能是吸收机构在动作过程即将结束时残留的动能，减少对装置本身的冲击力，有些还兼有改变速度特性的作用。

（5）信号指示器。其功能是指示断路器分、合闸位置。

四、对操动机构的要求1.合闸操作

断路器操动机构合闸操作时应满足以下几点要求：

（1）合闸操作在被施加了一定的能量后，应有足够快的合闸速度和合闸功率。在异常情况下，关合到短路故障电流预击穿时，产生的电动力，不应使触头受到电动力作用而不能正常合到位。

（2）在合闸终了位置时，应能使触头保持在良好的接触状态，保证通过正常的工作电流时不应超过正常所允许的发热温度。

（3）应具有很短的合闸时间，减少合闸时的电弧能量，防止电弧使触点熔焊。（4）合闸时应能使触点平稳地过渡到稳定状态，尽可能少地发生弹跳现象。2.分闸操作

断路器操动机构分闸操作时应能够满足以下几点要求：

（1）分闸能量必须在合闸同时完成储能，能量不受外界条件影响。无论在什么状态下，一旦分闸命令给出后，必须执行并分闸。

（2）分闸时间必须在规定的时间范围内。分闸时间太短，则系统短路时直流分量过大，可能会引起分闸困难；分闸时间太长，则影响系统的稳定性。

（3）触点的分离速度是保证断路器开断性能的关键。不同类型的断路器其速度要求不同，对于配电网络，真空开关一般要求分闸速度在1.0m/s，在半个周期内完成灭弧要求；对于高压网络，SF₆断路器一般要求分闸速度在10m/s左右。

3.自由脱扣及防跳跃

自由脱扣和防跳跃是断路器在控制回路中避免部分继电器或断路器故障时的一种防范措施。自由脱扣的含义是断路器在合闸过程中，如果操动机构又接到分闸命令，则操动机构不应继续执行合闸命令，而应立即分闸。防跳跃主要是在断路器分闸后又接着合闸，这种合闸不是人为的发出合闸指令或者重合闸指令。

4.复位

断路器在接受一种指令后，恢复到接受下一种不同指令的状态，通常是等待合闸状态。复位通常在人为或者人为指令给出后才进行，以防止重复事故状态。复位的方式主要有电气或机械两种形式。

5.操作电压

操作电压对断路器操作特性有比较大的影响。通常合闸操作电压对合闸时的特性有显著的反应（指电磁式）。因此在不同的特性要求下，合分闸电压要求不同。对于电磁机构，合闸电压在80～85%时，应可靠合闸；分闸时由于分闸能量的自备作用，要求分闸电压为65%时，能可靠执行命令。

6.联锁功能

联锁功能主要有以下3个：

（1）分、合闸联锁。机构在分、合闸位置时，不能再进行相应地分、合闸操作。（2）高、低压联锁。气压、液压低于或高于规定值时不能进行分、合闸操作。

（3）弹簧操动机构位置联锁。弹簧储能不到位置，机构不能进行分、合闸操作。

认知2 弹簧操动机构

一、弹簧操动机构特点

弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元驱使触头运动。

弹簧操动机构主要特点有以下几方面：

（1）不需要大功率的储能源，紧急情况下也可手动储能。所以其独立性和适应性强，可在各种场合使用。

（2）根据需要可构成不同合闸功能的操动机构，这样可以配用于10～220kV各电压等级的断路器中。

（3）弹簧操动机构动作时间不受天气变化和电压变化的影响，保证了合闸性能的可靠性，工作比较稳定，合闸速度较快，且动作时间和工作行程比较短，运行维护也比较简单。

（4）结构比较复杂，机械加工工艺要求比较高。合闸操作时冲击力较大，要求有较好的缓冲装置。

二、弹簧操动机构合闸储能弹簧的形式

弹簧操动机构的合闸储能弹簧主要有3种形式。

（1）压簧。压簧在缠绕时，各圈之间应预留一定间隙，工作时主要受压力作用。弹簧两端的几圈称支承圈或称死圈。这种弹簧也称螺旋弹簧。

（2）拉簧。拉簧采用密绕而成，各圈之间不留间隙。弹簧两端一般采取加工成挂钩或采用螺纹拧入式接头。当采用拧入式接头时，凡是接头拧入的圈数都称死圈。死

圈一般不得少于3圈。拉簧也称为螺旋卷簧。

图511 合闸弹簧的弹簧形式

（3）扭簧。要制造储存能量大的扭簧，加工比较困难，所以目前国产弹簧操动机构还未采用过这种形式，但国外产品已大量采用。这种弹簧也称为碟形弹簧。

（a）螺旋弹簧；（b）螺旋卷簧；（c）碟形弹簧

图511所示为合闸弹簧3种形式的

示意图。它们分别配置在不同的断路器上。例如，可同液压操动机构配合，作为液压操动机构的合闸储能部件。

弹簧操动机构的分闸则由专门的分闸弹簧完成。类似电磁式操动机构。分闸速度的调整靠分闸弹簧的压缩或拉伸来实现。

三、弹簧操动机构的形式

弹簧操动机构随着自能式断路器的问世应运而生。这种机构结构小巧，操作灵活，无漏油和漏气之虑，可靠性高。

弹簧操动机构主要用于自能式SF₆断路器。弹簧操动机构可分为两类：一类为夹板式结构；另一类为整体铸铝壳体式结构。夹板式结构如AEG公司的机构和国内CT24型机构。它为双夹板，结构扁平，机构本身不带分闸弹簧，分闸弹簧在断路器内。整体式结构如西门子、ABB、三菱等公司及国内相应的机构。整体铸铝壳体式结构紧凑且耐腐蚀，机构本身带分、合闸弹簧。这两种操动机构在国内自能式断路器中均有使用。弹簧操动机构本身也在不断改进，如阿尔斯通公司已经开发出第三代弹簧操动机构，其表现在减少了操作时的动态冲击力和传输时的无功消耗及零件数。

常用的CT型弹簧操动机构结构原理如图512所示。

图512 常用的CT型弹簧操动机构结构原理

1—减速器；2—合闸弹簧；3—齿轮；4—三角形杠杆；5—电动机；6—手摇把；7—分闸缓冲器；8—合闸缓冲器；9—连杆；10—分闸电磁铁；11—合闸电磁铁；12—分闸弹簧；13—合闸挚子；

14—辅助开关；15—分闸锁扣；16—主轴；17—绝缘拉杆；18—转向拉杆；

19—万向接头；20—真空灭弧室

图513所示为自能式（压气+热膨胀）断路器中所采用的弹簧操动机构结构示意。图5 13（a）所示为分闸位置，分、合闸弹簧均未储能，储能时首先由储能电动机驱动棘爪轴13，使两棘爪14交替运动，推动棘轮11沿顺时针方向转动，随着棘轮转动合闸弹簧7被压缩，当棘轮转动80°后，合闸弹簧被压缩至最大压缩量，A销被分闸保持掣子6锁定，从而完成了合闸储能，到达图5 13（b）所示位置。合闸操作时，合闸电磁铁5的铁芯撞击合闸触发器4，使分闸保持掣子与A销脱扣，棘轮在合闸弹簧的作用下，通过主轴15带动凸轮10顺时针方向转动，凸轮通过滚轮16使拐臂12沿逆时针方向转动，通过传动系统带动触点合闸，同时压缩分闸弹簧，当合闸到位时，分闸储能也同时完成，如图5 13（c）所示，拐臂上的B销被合闸保持掣子1锁定，从完成合闸操作。一般情况下，合闸操作完成后，储能电动机会立即起动，再次进行合闸储能，为下一次合闸或重合闸做准备，再次储能后的位置如图5 13（d）所示。

图513 自能式断路器中采用的弹簧操动机构结构示意图

（a）分闸位置（分闸弹簧已储能）；（b）分闸位置（合闸弹簧已储能）；（c）合闸位置（分闸

弹簧已储能，合闸弹簧未储能）；（d）合闸位置（分、合闸弹簧均储能）

1—合闸保持掣子；2—分闸触发器；3—分闸电磁铁；4—合闸触发器；5—合闸电磁铁；6—分闸保持掣子；

7—合闸弹簧；8—油缓冲器；9—分闸弹簧；10—凸轮；11—棘轮；12—拐臂；

13—棘爪轴；14—棘爪；15—主轴；16—滚轮