110KV SF6高压断路器棘爪式储能传动模块设计论文

毕业设计（论文 ） 题目： 110KV SF6 高压断路器棘爪式 储能传动模块设计 作 者 届 别 2008 届 系 别 机械与电气工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 职 称 副 教 授 完成时间 湖南理工学院 毕 业设计（论文） I 摘 要 随着电力工业的迅速发展， SF6 断路器以其优越的性能，在电力系统中得到了广泛的应用，对电力系统的安全可靠、稳定运行起到了重要的作用。弹簧操动机构是高压断路器中应用最广的一种操动机构，本设计是在详细了解和掌握高压断路器以及弹簧操动机构的棘爪式储能传动方式的工作原理后，在它们技术要求的基础上，对 CTB 型弹簧操动机构的棘爪式传动部分进行模块化设计，以达到降低弹簧操动机构 的制造成本，提高互换性，便于安装调试、维修检测的目的。 关键词 ： 高压断路器； 弹簧操动机构； 贮能； 棘爪式； 设计 湖南理工学院 毕 业设计（论文） II Abstract With the rapid development of power industry, SF6 circuit breakers have been widely used in the power system with its superior performance, which plays an important role in the power system of safe , reliable and stable operation.Spring mechanism is one of the most wide applying actuators in high-voltage circuit breakers field. After understanding and mastering the principles of high-voltage circuit breakers and the pawl-energy transmission mode of spring mechanism, on the basis of their technical requirements, this research is to design the pawl-transmission parts of the CTB spring mechanism to reduce Spring mechanism manufacturing costs and improve its interchangeability so as to install commissioning and maintenance testing. Key words: high voltage circuit breakers； spring mechanism ； pawl type； design 湖南理工学院 毕 业设计（论文） III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 2、高压断路器 . 2 2.1 高压 断路器的功能 . 2 2.2 高压断路器的结构 . 2 2.3 高压断路器的动作 . 3 2.4 高压断路器的负载特性 . 5 3 SF6 断路器 . 6 3.1 SF6 断路器的灭弧原理和灭弧性能 . 6 3.1.1 SF6 断路器的灭弧原理 . 6 3.1.2 SF6 断路器的灭弧性能 . 6 3.2 SF6 断路器的外型分类 . 7 3.3 SF6 断路器的发展趋势 . 8 3.4 SF6 断路器的特点 . 9 4 操动机构 . 9 4.1 操动机构的基本结构： . 10 4.2 高 压断路器对操动机构的要求 . 10 4.3 弹簧操动机构的特点 . 12 4.4 CTB 型弹簧操动机构的基本结构和工作原理 . 12 5.CTB 型弹簧操 动机构整体设计方案 . 14 5.1 总装配图 . 14 5.2 各模块的设计及功能 . 14 5.3 各模块的结构方式与工作原理 . 15 5.4 各模块的连接尺寸 . 19 6 棘爪式储能传动部分的设计 . 19 6.1 棘爪式储能传动部分工作原理 . 19 6.2 棘轮机构的几何参数和设计要点 . 20 6.3 棘爪储能传动部分设计方案 . 22 6.4 棘爪储能传动部分主要零件的强度校核： . 22 6.4.1 储能模块的箱体连接螺栓强度效核 . 22 6.4.2 偏心轴两端轴承强度校核 : . 24 湖南理工学院 毕 业设计（论文） IV 6.4.3 偏心轴的强度校核 . 25 7. 结语 . 27 参考文献 . 28 谢辞 . 29 附录：棘爪储能模块装配图和储能模块箱体图 . 错误 !未定义书签。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 1 1 绪论 电给人类带来了光明，而高压开关则在黑暗与光明之间为人类架起了一座安全可靠的金色桥梁。电力工业的发展对推动国民经济的发展和社会的进步起着非常重要的作用。国家历来非常重视电力工业的发展。据 1994年统计，全国发电机装机存量己接近 2亿千瓦，为世界第四位，跨入了世界电力大国的行列。电力工业的发展需要大量高质量的电器设备。特别是高压断路器又是电力系统中最重要的控制和保护设备之一。 我国电力工业的持续高速发展，带动了电网建设，为高压开关制 造业提供了极好的发展机遇。近年来 ,我国高压开关制造业呈现出快速发展的势头，已形成相当大的规模。根据对 2005年高压开关行业主要生产企业 (308家 )的统计资料，全年完成了工业总产值 660.37亿，主营业务收入 584.29亿元，工业增加值 171.01亿元，实现利润总额 49.41亿元。 2005年统计的 308家企业中工业总产值 (当年价 )超过亿元以上者有 137家 (上年只有 118家 )，其中工业总产值 10亿元以上者有 14家， 5亿元以上者有 31家。全员劳动生产率 10万元 /人以上者有 114家， 5万元 /人以上者 187家，都比往 年有所提高 1。 高压开关行业出现了良好的走势，如此巨大的市场，不可避免地引发全球高压开关制造商的同台竞争，而且，这种竞争日益显现出加剧趋势。目前，我国的高压开关设计和制造水平，相比世界先进水平还有差距，只有加强技术创新和自主开发能力，才能赶上世界水平 2。 高压断路器是指额定电压为 3KV及以上主要用于开断或关合电路的高压电器。 高压断路器在高压设备中是一种最复杂 、 最重要的电器，在规定的使用条件下，可切合正常运行条件下的负荷电流；在短路故障情况下，在继电保护装置的作用下，自动切断短路电流。在高压供配电系统 ，切断短路电流时，要产生强烈的电弧 ， 所以高压断路器 必须 具有可靠的灭弧装置。高压断路器是一种能够实现控制与保护双重作用的电器 。 弹簧操动机构是高压断路器的重要组成部分， 弹簧操动机构是利用已储能的弹簧为动力，来实现断路器的分合闸操作。 弹簧储能是一种可靠的储能方式，储能的弹簧可随时准备动作，并满足断路器开 /合所需要的足够能量。 弹簧操动机构是高压断路器操动机构中最常见且使用最广的形式之一，棘爪湖南理工学院 毕 业设计（论文） 2 机构具有结构简单，制造方便的特点。本设计是在详细了解和掌握高压断路器以及弹簧操动机构的棘爪式储能传动方式的工作原理后，在 它们的技术要求的基础上，对 CTB 型弹簧操动机构的棘爪式储能传动部分进行模块化设计，以达到降低弹簧操动机构的制造成本，提高互换性，便于安装、维修、检测的目的。 2、高压断路器 2.1 高压断路器的功能 断路器是开关电器中极为重要的一种电气设备，是电力系统输配电装置中必不可少的元件，正常运行时可用它倒换运行方式，把设备或线路投入电路或退出运行，在这里断路器对系统起控制作用，当设备或线路出现故障时能快速切除以保证无故障部分正常运行，在这里断路 器对系统起保护作用，即断路器在电力系统中肩负着控制和保护的双重任务，从 高压断路器所担负的任务可见它工作的好坏直接地影响到电力系统的运行安全。 断路器必须具有的基本功能如下所述 3: 1关合状态时应为良好的导体 :不仅对正常电流，对于短路电流也应能承受其发热和电动力的作用 ；在开断状态时具有良好的绝缘性，在清洁和污秽两种状态下，皆能承受对地及同相端子间的电压； 2. 在关合状态的任意时刻 :应能在不发生异常电压的情况下，在尽可能短的时间内开断额定电流及以下的电流； 3. 在开断状态的任意时刻，应能在断路器触头不产生熔焊的情况下，在短时间内安全地关合处于短路状态下的电路； 4. 在 电力系统发生短路故障时能将故障部分及时从电力系统中切除，尽可能缩短断路器切除故障的时间，以减轻短路电流对电力设备的损害，提高电力系统的稳定性； 5. 能够配合自动重合闸进行多次关合和开断，以提高系统的稳定性和供电的可靠性。 2.2 高压断路器的结构 高压断路器的结构，原则上可以分为四个部分，即导电回路、灭弧装置、绝缘与支撑系统和操动机构 3。另外还包括传动装置和控制系统等部件。工作时，湖南理工学院 毕 业设计（论文） 3 由弹簧操动机构带动断路器开关进行开 /合闸操作。 SF6 断路器的灭弧装置与其它断路器比较有较大的差异，而其余几个部分与其 它断路器大致相类似。 SF6 高压断路器 其基本结构如图 2.2 所示 图 2.2 SF6 断路器 高压断路器的基本结构 2.3 高压断路器的动作 由于断路器是电力系统中的主要保护和控制元件，其动作的可靠性是极为重要的。如果断路器动作不可靠，将会造成线路事故，给电路系统带来巨大的损失。高压断路器是在电力系统不同工况下进行合分，以保证电力系统可靠供电和切除故障线路。断路器除单一合闸和分闸外，还要示具有快速的重合闸、重合分和合分动作 4。 高压断路器的基本动作主要有： .分闸 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 4 分闸操作是断路器最基本的功能。由于 断路器分闸，可开断高压回路，或切断负荷电源，或隔断高压电源，或切断故障电源。 在接收到故障信号要求分闸时，为满足灭弧性能要求，应具有一定的分断速度，使分断时间尽可能缩短，以减少短路故障存在的时间。 .合闸 线路的正常送电，负荷的倒换电压的引入等都必须由断路器的合闸动作来完成。合闸以后，断路器本身就处于警戒状态，在它所保护的范围内出现任何故障，随时可以受命跳闸。 断路器在合闸状态下，必须保证具有足够的长期通流能力和经受短路电流和电动力作用能力，而这些性能与机构的设计有密切的联系。若机构设计不当，或操动系统不 能制锁，则在短路电动力作用下，断路器触头会自行脱开；或因机构的输出力矩不够，触头的轻微熔焊造成断路器不能开断，均将酿成事故。因而合闸状态下的可靠性亦是十分重要的。 断路器应可靠地关合电路 (即使当电路发生故障时也应如此 )；在保持一定的合闸速度的前提下，不应出现因操作力、冲击力过大等原因引起触头振动，造成断路器零部件的损坏。 .合分 高压断路器在合闸过程中可能遇到线路故障 (如短路 )而要求它立即跳闸的情况，因而断路器应具有及时跳闸反应的能力，即当断路器合到底立刻能进行无任何延迟的正常分闸。这种反应能力依赖控制系统 和机构传动系统的适应性。 断路器合闸之后，立即进行分闸，则线路接通的时间很短。在电力系统中，希望短路合闸时断路器以最快的动作将短路断开，以保证系统运行的稳定性，因而对断路器合分时的接通时间，有一定的要求，而此时间称为金属短接时间。最短的金同短按时间应由下列部分组成： (1)关合超程时间 合闸过程中，从触头刚接触开始到合到底停止之间的时间。 (2)停顿时间 从合到停止到断路器因执行分闸命令而触动时止的这段时问。 (3)逆超行程时间 分闸过程中，从动触头触动到与静触头脱离时止的这段时间。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 5 断路器 的金属短接时间与运行中的继电保护时间有相互交叉的关系，因而在合分仟务中要确定电力系统承受短路的时间需对设备和保护作详细的分析才能获知而且设备的调控必须得当。 4.重合和重合闸 在高压电力系统中常要求断路器在事故跳闸后进行快速重合闸，以获得高的系统稳定性。这种重合闸往往能排除系统中的一段偶然性的短路事故而获得成功。但当重合后短路仍末消除时，断路器在继电保护装置的作用下又可立即跳问，这时的操作任务为重合闸，即分闸以后再一个合分，如需再次强送电，则可再没置一个合分，即为分 合分 合分，后一个合分前的时延要长些 ，由具体的系统保护确定。 2.4 高压断路器的负载特性 高压断路的负载特性即是断路器在动作时，压气室内气体对触头的压力随动触头运动行程距离的变化而变化。我们把气体对触头的压力称之为负载力，故负载特性可用负载力与行程距离来表示。如图 2.4所示高压断路器负载力在断路器由合闸进入分闸的瞬间 ,有一个跃变 ,负载力会突然增大 ,这是负载特性的主要特点 13。 图 2.4 高压断路器负载特性曲线 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 6 3 SF6 断路器 高压断路器按断路器灭弧原理来划分，有油断路器 (多油和少油 )、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路 器、磁吹断路器和 (固体 )产气断路器。 SF6气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能， SF6 断路器是利用 SF6 气体作为绝缘和灭弧介质，它的应用使高压断路器具有尺寸小、重量轻、容量大、成套速装、维修量少等优点，传统的油断路器与它无法相比。随着电力工业的迅速发展， SF6 断路器作为新技术、新产品以其优越的性能，在电力系统中得到广泛的应用，对电力系统的满发多供、安全可靠、稳定运行起到了重要作用 5。 3.1 SF6 断路器的灭弧原理和灭弧性能 3.1.1 SF6 断路器的灭弧原理 SF6 断路器灭弧原理是当触头断开时 ,在触头间形 成高压气流 ,吹灭电弧 , 该压力约为 1MPa 1.5MPa。正常时 SF6气体作为绝缘介质 ,其压力较低 ,约为 0 . 3MPa 0.5 MPa。 SF6 气体在封闭系统中循环使用 , SF6 断路器配有专用的传动机构。断路器分闸时 ,触头带动活塞压气形成高压 SF6 气流吹弧 ；分闸完毕 ,压气停止、恢复低压。此种结构简单可靠 ,使用广泛。 3.1.2 SF6 断路器的灭弧性能 SF6 断路器的灭弧性能好 , 断口绝缘强度高 , 同级电压所串断口比少油断路器或空气断路器少。 SF6 分解后可复合 , 不分解含碳等的有害绝缘物质 , 在严格控制 水分的情况下 , 生成物无腐蚀性。 SF6 气体绝缘不下降 , 故允许 SF6 多次开断 , 检修周期长。无论开断大小电流 ,SF6 灭弧效果均好。 S F 6 热导率高 , 允许通过电流大。从表面上看 , SF6 断路器和油断路器一样 , S F 6 气体也有气吹的作用 , 但其灭弧原理实质上是完全不同的。 SF6 灭弧原理是靠等离子体空间提供尽可能多的新鲜 SF6 气体分子 ,促进 SF6 分子与电弧的接触反应。由于电弧引起的电离而产生的导电电子以及被 SF6 和电压分解而产生的卤族分子和原子强烈的吸附 , 使带电粒子的移动性显著降低 , 同时还存在复 合过程 , 使电弧空间导电过程消失得非常迅速。因此 , 电弧经过交流电流的零值附近时 , 空间电导率变化得非常快。 这个特性加上 SF6特异的化学特性 , 使 SF6的电弧芯细而且亮 , 电流几乎都从弧芯通过 , 以致在 SF6 中不会因截流而出现操作过电压。以上两种特性相辅相成 , 使 SF6 具有非常强大的灭弧能力。 SF6 气体因具有优异的灭弧湖南理工学院 毕 业设计（论文） 7 和绝缘性能 , 20 世纪被成功地应用于高压电器中 ,从而引起高压电器设备的一场大革新 6。 3.2 SF6 断路器的外型分类 SF6 断路器从外型结构上可分为瓷柱式 SF6 断路器和罐式 SF6 断 路器 、瓷柱式 SF6 断路器 瓷柱式 SF6 断路器又称支持瓷套式 SF6 断路器。断路器的外形与压宿空气断路器或少油断路器极为相似（见图 3.2 a）。带电部分和接地部分的绝缘由支持瓷套承担。灭弧室安装在支持瓷套的上部，亦装在瓷套内，一般每个瓷套内装一个断口，随着额定电压的提高，支持瓷套的高度以及串联灭弧室的个数也增加。支持瓷套的下端与操动机构相连。通过支持瓷套内的绝缘拉杆带动触头完成断路器的分合闸操作。瓷柱式断路器的特点是装配成标准的断口单元后，通过积木式搭配可组装成各不同电压等级的断路器，产品的系列性好，具有单 断口电压高、开断电流大、运行可靠性高和检修维护工作量小等优点，是目前使用较多的一种断路器，但其抗震性能不如罐式断路器。 、罐式 SF6 断路器 罐式 SF6 气体断路器又称为落地箱式 SF6 断路器，其外形与多油断路器相似，（见图 3.2 b）。灭弧室安放在金属箱内，箱体是接地的。带电部分与箱体之间的绝缘由 SF6 气体承担。随着断路器的额定电压提高，灭弧室的断口也随之增多，为了均压，每个灭弧室并接了电容器。每个箱体上装设了两个引线套管，一般都装设套管式电流互感器，引线套管内腔亦充 SF6 气体。罐式断路器是在瓷柱式的基础上发 展起来的，它具有瓷柱式 SF6 断路器的所有优点，产品整体高度低，抗震能力相对提高，但造价比较昂贵 5。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 8 图 3.2 a 瓷柱式 SF6 断路器 图 3.2 b 罐式 SF6 断路器 3.3 SF6 断路器的发展趋势 SF6 断路器的发展经历了双压式、单压 (压气 )式、自能 (热膨胀 )式几个阶段。 1 单压式断路器 早期的双压式已经淘汰 , 而单压式在国内外已形成 72.5kV 800k V 系列产品。 单压式断路器发展趋势是减少断口数量、 提高经济效益。目前主流产品是 : 2 52KV 以下为单断 口 ； 550KV 为双断口。我国西安高压开关厂 (西开 ) 和平顶山高压开关厂 (平高 ) 已开发了 550KV 双断口产品 , 根据三峡等工程的需要开发了 550k V 单断口、额定短路开断电流 6 3KA 等级产品。从单断口大电流看 , 日本 (三菱、 日立、 东芝公司 ) 等走在了前面 ,1993 年已开发出 550 KV , 6 3 KA单断口 SF6 断路器 ,代表了当前的最高水平。 2. SF6 自能 (热膨胀 ) 式断路器 单压式断路器依靠灭弧室中的压气活塞快速压缩 SF6 气体形成压差进行吹弧 ,因而需要强大的操动机构 ,不得不 采用液压或气动机构。然而 , 液压与气动机构结构复杂 , 制造工艺要求高 ,运行故障率较高 , 根据国际大电网会议的调查 , 操动机构故障占断路器故障的 44 %。 2 0 世纪八九十年代人们利用电弧燃烧时产生的高温气体压力进行吹弧 , 缩小了压气缸直径 , 降低了操作功 , 从而可以采用弹簧储能机构提高断路器可靠性 ,目前已在 72.5 kV 245kV 电压范围取得成果。但其弹簧机构能量较小 , 断路器燃弧时间和开断时间应延长 , 所以向高电压、大容量发展尚有一定困难。世界各大公司都推出了自己品牌的自能式断路器 , 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 9 我国也推出了国产化的 新型断路器。在 12kV 4 0 .5kV 中压领域里 ,SF6 断路器也从压气式向自能式发展。如上海华通开关厂 (华通 ) 引进的户内式 BAI 型开关柜 (10kV 35kV ) 中用的 HB型断路器和西安高压电器研究所开发的户外式 L W8 3 5 型等。与真空断路器相比 , SF6 断路器具有很低的开断过电压。 3.4 SF6 断路器的特点 SF6 断路器的所以能够得到广泛的应用，主要是因为它具有以下特点： （ 1）、 SF6 气体的良好绝缘性能，使 SF6 断路器结构设计更为紧凑，电气距离小，单断口的电压可以做得很高，与少油 和空气断路器比较，在相同额定电压等级下， SF6 断路器所用的串联单元少，节省占地，而且操作功率小，噪音小。 （ 2）、 SF6 气体的良好灭弧特性，使 SF6 断路器触头间燃弧时间短，开断电流能力大，触头的烧损腐蚀小，触头可以在较高的温度下运行而不损坏。 （ 3）、 SF6 气体介质恢复速度特别快，因此开断近区故障的性能特别好，通常不加并联电阻能够可靠地切断各种故障而不产生过电压。、 （ 4）、 SF6 断路器的带电部位及断口均被密封在金属容器内，金属外部接地，能更好地防止意外接触带电部位和防止外部物体侵入设备内部，设备可靠。 （ 5）、 SF6 气体在低压下使用时，能够保证电流在过零附近切断，电流截断趋势减至最小，避免截流而产生的操作过电压，降低了设备绝缘水平的要求，并在开断电容电流时不产生重燃。 （ 6）、 SF6 气体是不可燃的惰性气体，这可避免 SF6 断路器爆炸和燃烧，使变电所的安全可靠性提高。 （ 7） SF6 气体分子中不存在碳，燃弧后，使 SF6 断路器内没有碳的沉淀物，所以可以消除碳痕，使其允许开断的次数多，检修周期长 4 操动机构 在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构。弹簧操动机构是目前国产高压断路器配用机构的重要品种之一，也是影响 断路器运行可靠性的重要机构之一。弹簧储能的操作也简单，只要在断路器每次合闸操作后启动一次合闸电机即可。合闸弹簧直接驱动断路器的操作杆而不经任何的传动部件或连接部件。 目前比较常用的操动机构有手动操动机构（ CS）、弹簧操动机构（ CT）、电磁操动机构（ CD）、电动机操动机构（ CJ）、液压操动机构（ CY）、气动操动机湖南理工学院 毕 业设计（论文） 10 构（ CQ）以及现在较流行的液压弹簧操动机构。 4.1 操动机构的基本结构： 操动机构从功能上可分为下面五个部分： （ 1）合闸机构。即能量转换部分，对于电磁操动机构，它是指合闸电磁铁及相应部件；对于弹簧操 动机构，它是指储能弹簧和相应的储能机构以及合闸脱扣装置等元件；对于液压操动机构，它是指油泵、储压筒、合闸阀及合闸电磁铁等部件。 （ 2）保持机构。对于机械传动式操动机构，它是指维持支架或其它维持装置；对于液压机构，它是指保持阀及相应的高压油补充回路。 （ 3）分闸机构。它是使断路器能快速脱扣分闸的机构。对于机械式操动机构，它是指分闸脱扣装置及相应的连杆系统；对于液压或气动机构，它是指分闸阀及相应的阀系统。 （ 4）输出装置。它是指电磁、弹簧操动机构的主轴或液压或气动机构的活塞杆等。 （ 5）辅助设备。它主要是指辅助 开关、中间继电器、接触器等辅助元件组成的信号和保护回路。 4.2 高压断路器对操动机构的要求 高压断路器对操动机构的要求很严格。作为电网主要保护和控制元件的高压断路器，其动作可靠性是极为重要的。断路器该动时不动，不该动时乱动，都会造成线路事故，给电力系统带来巨大的损失。在电力设备中，断路器及其操动机构的机械故障比之其它设备要多。这主要是 : (1) 操动机构的润滑系统差 ,动作环节多 .故出现故障的可能性就大 . (2) 高压断路器工作条件比较恶劣 . (3) 断路器工作状态是非连续性的，有时甚至一年也动不了几次 ,这样 ,隐患不易及时发现 . (4) 断路器及其操动机构类型多 ,结构差异大 ,因此 ,在制造和维修方面积累经验比较困难 . 因此，在设计高压断路器的操动机构时，还必须特别注意下述几个动作的性能及可靠性。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 11 (1)合闸 在电网正常工作时 ,用操动机构使断路器关合 ,这时电路中流过的是工作电流 ,关合是比较容易的 ,但在电网事故情况下 ,如断路器关合到有预伏短路故障的电路上时 ,电路中出现短路电流 ,断路器导电回路将受到较大电动力的作用，电动力 F 可用下式表示： 72m a x1 . 0 2 1 0F C I 式中 C 回路 系数，数值在几十至几百之间； maxI 短路电流最大值 (A)。 由式可见，当电流maxI在几千安以下时，断路器导体间的电动力通常可以略而不计。而在短路故障时，电流可达几万安以上，此时，电动力的数值就很可观了，有时可达几千牛顿以上。另一方面，从断路器导电回路的布置以及触头的结构来看，电动力的方向又常常是妨碍断路器关合的。因此在关合有预伏短路故障的电器时，由于电动力过大，断路器有可能出现不 能可靠关合，如触头合不到底，则会引起触头严重烧伤，甚至断路器爆炸等严重事故。因此，操动机构必须能够克服短路电动力的阻碍，也就是具有关合短路故障的能力。同时要具备手动储能，即手动合闸的功能 (2)保持合闸：由于在合闸的过程中，合闸命令的持续时间很短，而且操动机构的操作功也只在短时间内提供，因此操动机构中必须有保持合闸状态的装置，以保证在合闸命令及操作功消失后仍然能使断路器保持在合闸位置，且不因外界的干扰因素产生误分闸。断路器常采用机械保持的方式。 (3)分闸：操动机构要能进行电动和手动合闸，在接受到故障信号要 求分闸时，为满足灭弧性能要求，操动机构应具有一定的分断速度，使分断时间尽可能缩短，以减少短路故障存在的时间。 (4)自由脱扣与防跳跃：在合闸过程中如操动机构又接受到分闸命令则操动机构不应该继续执行合闸命令而应该立即分闸，称为自由脱扣。当断路器关合有预伏短路故障的电流时，若操动机构没有自由脱扣能力，则必须等到断路器的触头关合到底后才能分闸，这样有可能使断路器连续多次合、分短路电流。这一现象被成为“跳跃”，出现跳跃现象时，会造成触头严重烧伤乃至爆炸事故，对具湖南理工学院 毕 业设计（论文） 12 有脱扣装置的机构，则不管触头关合到什么位置，也不管合闸 命令是否解除，只要接到分闸命令，断路器触头即执行分闸动作，所以，操动机构中必须要有自由脱扣装置。 (5)复位：当断路器分闸后，操动机构中各个部件应能自动地回复到准确合闸位置下一合闸。 4.3 弹簧操动机构的特点 弹簧操动机构是采用事先储存在弹簧内的势能作为驱动断路器的能量。主要特点有： 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） 动作时间比电磁机构的快 ，因此可以缩短断路器的合闸时间。 4) 可靠性好，能保证所储的能量不损失，也不需要对它的储能进行专门的检测。 5）维护 工作量少。弹簧机构克服了液压机构和气动机构体积大、零部件多、渗漏几率高的缺点，提高了动作的可靠性。但弹簧机构中弹簧本身的质量控制还需经过时间和运行的考验。目前国内 110KV 级 SF6 断路器配弹簧操动机构已取得了良好的运行。 6） 缺点是结构比较复杂，机械加工工艺要求比较高，其合闸力输出特性为下降曲线，与断路器所需要的呈上升的合闸力特性不易配合好，合闸操作时冲击力较大要求 14。 4.4 CTB型弹簧操动机构的基本结构和工作原理 CTB 型弹簧操动机构主要由储能机构、传动调节机构（凸轮机构）、合分闸锁扣与脱扣机构构成。通常，除了电器控制部分外，储能机构就是给合闸弹簧赋予能量的机构；传动机构（主要是由弹簧向触头）传递运动和动力的机构；控制机构则是控制分、合闸动作和缓冲作用的机构。 各种弹簧操动机构的工作原理基本类似，其基本动作主要由弹簧储能、合闸操作、分闸操作构成，图 4.4 为弹簧操动机构的原理框图： 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 13 图 4.4 弹簧操动机构的原理框图 现在已 CTB 型弹簧操动机构为例，分析其工作过程中的基本动作和工作原理。 1.弹簧储能 储能既可以电动储能也可以手动储能，储能电机为交直流两用电机。电动储能时，储能电机经过内部减速器减速后通过一对锥齿轮传动到偏心轴，偏心轴上装有两个棘爪，偏心轴旋转时使两棘爪轮流推动棘轮转动，从而带动装在棘轮上的拉杆，使与拉杆相连的储能弹簧压缩储能。当棘轮转到合闸弹簧压缩到最短时，它就在合闸弹簧的带动下自行“过中”（指合闸弹簧在储能轴上产生的力矩改变方向），同时通过行程开关切断 电机电源。 2.合闸操作 机构接到合闸信号后，合闸电磁铁的动铁芯推动合闸挚子，使合闸保持挚子维持解脱，合闸弹簧释放能量进行合闸操作，合闸的同时使分闸弹簧储能，为分闸做好准备。 3.分闸操作 分闸可以手动也可以电动，采用电动分闸时，当机构接到分闸指令时，分闸电磁铁的铁芯推动分闸挚子，使分闸保持挚子维持解脱，分闸弹簧释放能量进行湖南理工学院 毕 业设计（论文） 14 分闸操作。 4.自动重合闸 机构在合闸储能状态时给出分闸指令，分闸弹簧驱使断路器分闸， 0.3 秒后，已储能的合闸弹簧驱动断路器合闸。合闸完成后，同时分闸弹簧被压缩储能，再次给出分闸指令，断 路器立刻分闸。整个自动重合闸完成。 5.CTB 型弹簧操动机构整体设计方案 5.1 总装配图 根据 CTB 的设计尺寸，对 CTB 进行模块化设计如图 5.1 所示 图 5.1 5.2 各模块的设计及功能 在高压断路器 CTB 的基础上进行模块化设计，把高压断路器的开闸、合闸、储能都进行模块化设计。在高压断路器进行模块化设计时，每个模块是独立的，湖南理工学院 毕 业设计（论文） 15 在组装候把所有模块按照要求把模块组合起来。在设计时可以分成以下这几个模块：棘爪储能部分模块、合闸部分模块、分闸部分模块 、组合式箱体部分模块、弹簧储能模块。 1） 棘爪储能部分模块：在设计时采用箱体式结构，并采用铰制螺栓连接到组合式箱体上。所有棘爪储能部分的零件都按照原 CTB 上的位置关系安装到棘爪储能箱体上。因为铰制螺栓的精度较高所以连接到组合式箱体上发生的误差很小，不会影响到弹簧机构运动关系。 主要负责把电能转化为机械能，并把机械能通过棘爪传给棘轮。 2） 合闸部分模块： 在设计时采用箱体式结构，并采用铰制螺栓连接到组合式箱体上。所有合闸部分模块零件都按照原 CTB 上的相对位置关系安装在合闸模块箱体上。因为铰制螺栓的精度较高所 以连接到组合式箱体上发生的误差很小，不会影响到弹簧机构运动关系。 主要负责棘轮的锁定与释放。通过棘轮的锁定和释放来完成合闸动作。 3） 分闸部分模块： 在设计时采用箱体式结构，并采用铰制螺栓连接到组合式箱体上。所有合闸部分模块零件都按照原 CTB 上的相对位置关系安装在合闸模块箱体上。因为铰制螺栓的精度较高所以连接到组合式箱体上发生的误差很小，不会影响到弹簧机构运动关系。 主要负责拐臂的锁定和释放。通过对拐臂的锁定和释放来完成分闸动作。 4）组合式箱体部分模块：主要由储能轴 、输出轴、液压缓冲系统及箱体组成， 负责输入、输出的能量传递、缓冲及限位。 5）弹簧储能模块：主要由合闸弹簧、分闸弹簧组成。负责弹簧的储能与释放能量。 5.3 各模块的结构方式与工作原理 1） 棘爪储能部分模块如下图 5.3.1 所示由电动机、大小伞齿轮、偏心轴、棘爪、压板、扭簧、扭簧轴、轴承及垫圈组成。 工作原理：电动机带动小伞齿轮，经大伞齿轮减速后带动偏心轴转动。偏心轴的转动驱动棘爪往复运动。棘爪的往复运动推动棘轮转动经行合闸储能。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 16 图 5.3.1 棘爪储能部分模块 2)合闸 部分模块由合闸电磁铁部分、合 闸掣子、合闸掣子轴、分闸掣子、分闸掣子轴、扭簧、限位杆、安全插销、合闸保持掣子滚轮、合闸模块箱体及垫圈组成。 工作原理：当合闸电磁铁线圈得电。合闸掣子锁杆推动推动合闸掣子，合闸掣子与合闸保持掣子滚轮发生运动。当合闸掣子向下运动时，合闸保持掣子失去限位不能锁定棘轮。棘轮开始转动，开始合闸。当棘轮运动到最低点时完成合闸。 3） 分闸部分模块如图 5.3.2 所示由分闸电磁铁、分闸掣子、分闸掣子轴、分闸保持掣子、分闸保持掣子轴、分闸保持掣子滚轮、弹性钢丝、安全插销、轴承及垫圈组成。 工作原理：分闸电磁铁得电。顶杆撞击分 闸掣子，分闸掣子与分闸保持掣子滚轮发生运动。当分闸掣子向下运动，分闸保持掣子失去限位不能锁定拐臂向下运动，开始分闸。当拐臂到达被液压缓冲筒的限制的下限位是完成分闸。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 17 图 5.3.2 分闸部分模块 4）组合式箱体部分模块如图 5.3.3 所示由组合箱体、轴承、储能轴、输出轴、凸轮、棘轮及垫圈组成。 工作原理：当合闸时，棘轮带动凸轮。凸轮在转过一定角度时会撞击并推动拐臂，拐臂绕着输出轴开始转动，并带动拨叉绕输出轴顺时针转动开始合闸。当凸轮继续转过一定角度时会与拐臂分开， 此时拐臂旋转到最高位置，拨叉旋转到最低位置完成合闸。当分闸时，拐臂位于最高位置，拐臂和拨叉开始逆时针旋转开始分闸。当拐臂旋转到最低位置时拨叉到达最高位置，完成分闸。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 18 图 5.3.3 组合式箱体部分模块 5）弹簧储能部分模块由分闸储能弹簧、分闸储能弹簧桶、合闸储能弹簧、合闸储能弹簧桶、连接螺钉及垫圈组成。 工作原理：弹簧储能部分模块分有合闸弹簧储能和分闸弹簧储能。在合闸弹簧储能时，由拉杆拉 动储能弹簧端盖是储能弹簧被压缩进行弹簧储能。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 19 5.4 各模块的连接尺寸 在对 CTB 的整体模块方案设计时除了要要考虑到模块的安装位置的同时还要考虑到连接空的位置及连接空的精度要求。在连接时连接空不能与任何模块发生干涉且连接空与连接螺栓之间的配合公差要达到较高的精度标准。 根据各模块的设计尺寸，把各模块进行组装在一起。得到各模块的连接尺寸见图 5.4。 图 5.4 各模块的连接尺寸图 6 棘爪式储能传动部分的设计 6.1 棘爪式储能传动部 分工作原理 棘爪式储能传动部分的结构原理如图 6.1 所示，它主要由棘轮、棘爪、压板、扭簧等部分组成。棘轮机构是一种间歇运动机构，具有结构简单制造方便的优点。工作时由电动机上的小伞齿轮带动偏心轴上的大伞齿轮做旋转运动，偏心轴的中湖南理工学院 毕 业设计（论文） 20 间装有两个棘爪，偏心轴旋转时，两个棘爪的偏心方向刚好相反，使两棘爪轮流推动棘轮做逆时针方向运动，棘轮的运动使拉杆拉紧合闸弹簧储能。为了保证棘轮和棘爪的接触，常用弹簧力和压板将棘爪压在棘轮上。并且使棘爪对棘轮的作用力方向与棘轮的接触点处的切线方向形成一个向外的夹角，从而形成一个分力使棘爪与 棘轮充分接触，不至于棘爪在工作时滑出齿槽。 图 6.1 棘爪式储能传动部分的结构原理 6.2 棘轮机构的几何参数和设计要点 （ 1）棘轮的齿形。棘轮常用的齿形有不对称梯形齿和三角形齿，如图 6.2所示，不对称梯形齿用于负荷较大时，三角形齿用于负荷较小时。 图 6.2 a)不对称梯形齿 图 6.2 b) 三角形齿 （）棘轮的齿数和模数。通常，棘轮的齿数是由整个机器的运动要求确定。在负荷较大时，为了避免机构 尺寸过大，同别又要保证齿的强度，齿数不宜过多，常取 8 30；在受力小时，齿救也可以多达百多个齿。棘轮的周节和模数都是从湖南理工学院 毕 业设计（论文） 21 齿顶圆0d度量的，故周节 0adzpm 或模数 0dpm z 当棘轮的上述参数决定后，就可从机械设计手册中查得棘轮机构的有关尺寸。 (3)轮齿工作面倾角 和棘爪的轴心位置。棘爪在推动棘轮时，为确 保工作可靠，必须使棘爪能自动滑向齿槽底部，而不滑出齿槽，此称为“自动啮紧”。应该指出，弹簧力的作用只是在空载时能使棘爪落人棘轮槽中，至于“自动啮紧”条件则必须在受力分析的基础上选择适当的几何参数来保证。如合理选择轮齿工作面倾角 和棘爪的轴心位置等。现以图 6.2 所示不对称梯形齿的棘轮机构为例说明，若不考虑棘爪自重、转动副摩擦和弹簧力影响并没棘爪端部和棘齿顶部接触，为保证自动啮紧，则应使棘爪上受到的顺时针方向力矩，大于阻止棘爪滑向齿槽底部的力矩。即 110 s i nA o AN i F i C O S 式中 N 棘爪工作面所受法向反力； 棘爪工作面所受摩擦阻力。 而 t a nF N f N 式中 、 f 分别为摩擦角和摩擦系数： 由上式可得自动啮紧条件为 tan tan 换句话说，自动啮紧条件为：棘爪工作面所受全反力的作用线应在 12oo 之间通过 8。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 22 图 6.2 6.3 棘爪储能传动部分设计方案 原 CTB 型弹簧操动机构的箱体是一个整体，机构的各个组成部分都固定在整个箱体上，现在经过模块化设计后，使棘爪储能传动部分，合闸部分，分闸部分都单独作为一个模块设计，这样可以达到降低弹簧操动机构的制造成本，提高互换性，便于安装调试、维修检测的目的，各个模块设计好后，再与箱体 主板连接到一起，各个模块在确定连接位置和连接方法时，即要考虑到机构的相对位置精度，又要保证连接强度，同时连接位置不能与机构的零部件相互干涉。 在设计棘爪储能传动部分时，为了连接空间位置的需要，适当的增大了箱体的尺寸，为了加工方便和节约成本的目的，棘爪储能传动部分的箱体采 用焊接板连接制造，材料选择 Q235 钢板。 为了保证连接的位置精度，本设计采用四颗 16的铰制孔螺栓连接，孔和螺栓的精度都取 7 级，可以保证连接的位置精度需要。 6.4 棘爪储能传动部分主要零件的强度校 核： 6.4.1 储能模块的箱体连接螺栓强度效核 对储能部分进行分析可知，储能时，分闸弹簧力的传递过程为： 分闸弹簧 拉杆 棘轮 棘爪 偏心轴 箱体 见图 6.4.1a 为储能弹簧的特性，在机构装配时已将储能弹簧压宿了 140mm的距离，获得了 28557N 的弹力，在储能时，随着棘轮的转动，弹簧逐渐伸长，所储能量逐渐增大，但是弹簧对棘轮的力臂也随之减少。受力分析如图图 6.4.1b 所示。 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 23 图 6.4.1a 储能弹簧负载特性 图 6.4.1a 储能部分受力分析图 由弹簧的负载特性曲线（见图 6.4.1b）可计算出弹簧的刚度为 9： mmNmmNk /2042404 8 9 6 0 因拉杆相对棘轮的受力半径较长，设棘轮受到转距最大时，拉杆超出棘轮中心的水平距离为 X，因拉杆相对棘轮受力半径较长，可忽略弹簧受到的侧向力，棘轮受到的转距大小为 221 50)204502042 8 5 5 7( xxLFM 2250)2043 8 7 5 7( xx 对函数进行求导计算，最后可求得： x=11.71mm 时，棘轮受到的力矩最大，最 大力矩为 M=2000076N.mm 弹簧对棘爪的力矩与棘爪对棘轮的力矩是一对平衡力矩，为了使棘爪与棘轮充分接触，棘爪对棘轮的推力方向与棘轮接触点的切线有一个夹角，如图所示，测得这个夹角的角度为 22 。由力矩平衡可以算得棘爪作用力的大小。 列力矩平衡方程为： mmNF .2000076)22co s1 4 m m.8722co s( 2 （） 计算得 NF 266992 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 24 由以上分析可知 ,储能模块的箱体连接螺栓主要受到来自棘爪的横向剪切力以及与孔壁的挤压应力， 选择螺栓材 料为中碳钢，性能等级为 8.8 级的螺栓，由机械设计手册查得材料屈服极限 MPaS 640， 安全系数取 4tS, PS=1.5，螺栓材料的许用切应力为 : M P aM P aS s 1604640 ； 许用挤压应力为 : M P aM P aSPsP 4265.1640 每个螺栓受到的横向工作剪力为 NNZFF 75.6674426699 每个螺栓横截面上的切应力为 M P amNAF 2.33)1016(475.6 6 7 423 螺栓杆与孔壁的挤压切应力为 1.2610151016 75.6674 33m i n0 pp M P ammmm NLd F 可知该螺栓满足强度条件。 6.4.2 偏心轴两端轴承强度校核 : 对偏心轴进行受力分析如图 6.4.2 所示 : 图 6.4.2 偏心轴受力分析图 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 25 A 端所装轴承型号为 NAV4905/YA1, D 端所装轴承型号为 RNA4904,F1 和 F4分别为两轴承对轴的承载力。 B、 C 分别为两棘爪受力中心，储能时，两棘爪轮流推动棘轮旋转，所以， F2 和 F3 交替出现，轴承承受的载荷为动载荷 。 先计算 D 处轴承 RNA4904 的载荷，当 F3达到最大受力 26699N 时， D 处轴衬所受载荷最大，以 A点为研究对象，列力矩平衡方程为： ,0)( FM A 034 ACFADF 代入数据解得 F3=2089.7N 查得轴承 RNA4904的基本额定动载荷为 23300N，大于实际载荷， 轴承 RNA4904满足强度要求。 再计算 A 处轴承 RNA4904 的载荷，当 F2达到最大受力 26699N 时， A 处轴衬所受载荷最大，以 D点为研究对象，列力矩平衡方程为 10： ,0)( FM D 012 ADFBDF 代入数据解得 F2=1848.4N 查得轴承 NAV4905/YA1 的基本额定动载荷 为 29200N，大于实际载荷， 轴承NAV4905/YA1 满足强度要求。 6.4.3 偏心轴的强度校核 偏心轴通过旋转运动，使两棘爪交替推动棘轮运动，偏心轴即受到弯曲应力又受到扭转应力，对偏心轴的运动和受力情况进行分析可知，所受弯曲应力为对称循环变应力，扭转应力为脉动循环变应力，为了考虑两种循环特性不同的影响，取折合系数 6.0 进行强度校核 9 ，偏心轴材料为 40Cr，查得对称循环变应力时轴的许用弯曲应力为 MPa70 1 。 取 F2 作用时对偏心轴进行强度校核，根据弯矩的计算方法和符号规则 ,可计算出 AB 段内的弯矩方程为 : xADBDFxM 2)( )0( ABx BD段内的弯距方程为 )()( 2 xADAD ABFxM )( ADxAB 湖南理工学院 毕 业设计（论文） 26 根据弯矩方程画出弯矩图如图 6.4.2所示 ,由弯矩图可知 ,偏心轴在 B处所受弯矩最大 ,最大弯矩为 11: mmNmm mmmmNAD AB