直动式断路器研究

直动式断路器研究

  刘春梅1，赵平2，王华琴1，谢斌1，唐朝端2

（1.中国西电电气产品研发中心；

2.平高集团有限公司）

摘 要：直动断路器(或称高压开关)它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力。本文介绍了直动式断路器的结构特点和工作原理，并通过仿真软件对灭弧室动端结构改进设计及其绝缘性能计算与分析，断路器传动结构设计及其机械强度分析，弹簧机构与断路器本体匹配研究。文章最后列举了直动断路器的成效及后续展望。

关键词：直动式 断路器 工程应用

0 引言

直动断路器的运动方式为直线运动，且动端拉杆与机构直接连接

，故称之为直动断路器。它广泛应用于高压配电、电厂、住宅工程、市政工程、机房配电工程等工业中的配电线路控制。直动断路器通常具备短路、过载、断相保护以及温度补偿和隔离器的功能，在加装附件的情况下也具备欠压保护和分励脱扣、故障报警的功能。本文介绍了直动断路器的结构特点和工作原理，并将其与拐臂式断路器进行分析比较，阐明了它的优点和局限性，以供参考。

1直动断路器的结构形式

图1为一种典型的直动断路器的结构布局，包括：端盖板、操作机构、灭弧室装配，操作机构通过密封组件与灭弧室连接，传动杆一端横穿在平盖板上的通孔内，与动触座连接，另一端通过轴销与机构端固定，灭弧室装配包括动端与静端，动、静端通过绝缘拉杆实现分合闸操作。

图1 直动断路器的结构布局    

2 直动断路器传动处密封结构稳定性研究

断路器传动取消了拐臂盒和传动拐臂，密封结构由原来的转动密封变为滑动密封。采用ABB碟簧机构断路器密封结构以保证频繁操作之后的密封性能稳定，密封圈内径φ30保持不变，在端部增加导向环。

图2  密封座结构

3 直动断路器灭弧室电场场强研究

3.1高压侧施加1050kV电压，壳体、绝缘筒低压嵌件、拉杆低压嵌件施加0kV电压，计算结果满足判据要求，具体计算结果详见表3.1。

表3.1  断路器灭弧室电场场强计算结果

4 断路器传动结构设计及其机械强度分析

设计断路器的直接传动结构。基于灭弧室开断性能的要求，对断路器直接传动结构进行机械强度分析计算，得到元件各处机械性能状况，从而选定合适的零部件结构。

4.1传动接头和密封连杆强度

接头轴销处施加水平方向11190N轴承力和竖直方向469N轴承力，另外一端固定，结果如下：

密封连杆最大应力272MPa，材质选用不锈钢R8，非比例延伸强度580MPa。

密封连杆应力分布

4.2机构连板强度

连板轴销处施加水平方向11200N轴承力，另外一端固定，结果如下：

连板最大应力140MPa，在轴销孔处，材质选用2A12，非比例延伸强度275MPa。

连板应力分布                

4.3机构支撑座强度

在支撑座端部施加28000N合闸缓冲力和1300N机构重力。端部最大变形0.11mm，最大应力210MPa，材质选用Q235，屈服强度235Mpa。

机构支撑座应力分布       

4.4连杆稳定性

断路器连杆简化模型

连杆规格16*32，机构输出连杆几何尺寸：长度L=374mm，a=35mm，b=16,材质铝合金2A12；

截面惯性距：I=(ab3)/12=1.19×10-8(m4)

截面面积：A=5.6×10-4(m2)

截面惯性半径i= =0.0046(m)

拉杆的柔度λ=L/i=0.374/0.0046=81.3

连杆弹性模量E=73GPa,比例极限=275MPa

=3.14 =51

λ>，属于大柔度杆,用欧拉公式进行计算临界失稳压力。

根据欧拉公式临界压力F==61kN

合闸压力最大5.8kN（按照拐臂输出扭矩1000N.m），远小于临界失稳压力，安全系数10.5。

4.5接头紧固力矩核算

分闸最大拉力F=11200N，接头防松采用16锥形弹簧垫圈（DIN 6796），试验载荷=75000N（DIN 267-26）；

R8不锈钢材质的非比例延伸强度580MPa，M16螺纹有效截面积157,能承受的最大预紧力为： =0.6*580*157=54636N

根据=K**d*N.m，其中:最大拧紧力矩，K：拧紧力系数（表面氧化无润滑取0.2），d：螺纹公称直径（16）。

则=0.2**16*N.m=175N.m

M16螺栓的正常拧紧力矩为120N.m，在此力矩下的预紧力

为：120=0.2**16*，=37500N

得出：F<<

5弹簧机构与断路器本体匹配研究

直动断路器密封圈处摩擦力做功增加，保证断路器分合闸的机械特性与原断路器匹配是直动断路器研制的关键点和难点。对断路器本体最大的操作功等关键数据进行计算，依据计算数据以及本体的特性参数确定弹簧机构的输出功。

1）断路器操作功估算

①分闸时加速功A1

运动件等效质量m1=17.5kg

平均分闸速度v1=6m/s

A1=m1*v1²/2=315N.m

②分闸时分闸压气消耗的功A2

额定气压p0=0.6Mpa

气缸截面积s=20601mm²

压气行程L=170mm

A2=(（2.2-1）*p0*s*1.1*L*10-e3)/2=1386N.m

③触指、导向环、密封圈消耗的功A3

动主触头摩擦力442N，对应超行程20mm，消耗功10N.m；

静主触头摩擦力450N，对应超行程20mm，消耗功9N.m；

弧触头摩擦力100N，对应超行程60mm，消耗功6N.m；

导向环摩擦力120N（6个导向环），对应行程170mm，消耗功20N.m；

导向杆摩擦力400N，对应行程170mm，消耗功68N.m。

A3=10+9+6+20+68=113N.m

④分闸时缓冲器吸收的能量A4

按经验数据A4取机构分闸功的12%，机构分闸操作功为1300J；

A4=1300*12%=156J

⑤合闸时加速功A5

运动件等效质量m1=17.5kg

平均合闸速度v2=4m/s

A5=m1*v1²/2=140N.m

⑥合闸缓冲器吸收的能量A6

A6=A4*（v2/v1）²=70J

分合闸功计算：

A分闸=A1+A2+A3+A4=315+1386+113+156=1970J； A合闸=A3+A5+A6=113+140+70=323J；

A分闸+A合闸=2293J。

根据上述计算数据以及本体的特性参数，最终确定了弹簧机构的输出功，匹配出了性能优良的弹簧操动机构。

6直动断路器研究成果试验验证

通过对直动断路器开展主回路电阻测量、辅助和控制电阻测量、辅助和控制回路的温升试验等，充分验证了传动结构的强度，满足产品运行时机械的安全可靠性和工程化应用的需求。

6.1直动断路器的机械寿命试验（M2级，10000次）

6.2直动断路器的密封试验

在机械寿命试验前、后要进行密封试验，年漏气率≤0.1%。

6.3直动断路器的动热稳定试验

试验采用单相试验回路。试验回路一相连接试品中心导体进线侧

接线端子，经试品中心导体出线侧反流排接外壳，在试品外壳进线侧接线端子接试验回路另一相。

试验中，试品未出现电弧喷射或触头分离现象。

试验后，断路器在第一次操作时，能够顺利电动分合闸。

6.4直动断路器的基本短路试验方式T100s

试品内充入0.5MPa（20℃表压）最低功能压力的SF6气体，传感器为旋转型，安装于断路器机构传动轴处，操动机构为弹簧操动机构，施加在分、合闸线圈上的操作电压分别为其额定值的65%和85%。

表3.2  直动断路器的试验项目及结论

7结论

通过对断路器灭弧室动端结构的改进设计及其绝缘性能计算与分析、对断路器传动结构设计及其机械强度的分析、对断路器弹簧机构与断路器本体的匹配研究，研制出直动断路器。通过对直动断路器开展机械寿命试验、密封试验等，充分验证了传动结构的强度，满足产品运行时机械的安全可靠性和工程化应用的需求。

1

[1]黎斌.SF6高压电器设计[M].北京:机械工业出版社，2019.

[2]西安交通大学，清华大学.高电压绝缘[M].北京:电力工业出版社，2015.

[3]徐国政，等.高压断路器原理及应用[M].北京:清华大学出版社，2000.

[4]周茂祥.低压电器设计手册[M].北京:机械工业出版社，1992.

[5]奚泓.低压电器中触头灭弧系统的设计[B].低压电器，2008(17):60- 61

1