高压断路器的操动机构
SF6高压断路器结构及工作原理
• 由电动机8与齿轮泵 1产生的高压力油直 接推动活塞3，用来 操作速度不高、操 作功率不大的传动 轴
液压机构原理
LW 10B-252
型断路器的液压
操动方式为分相 操作，三相分别 配有相同的液压 机构，组成元件 如图所示。
液压机构的动作过程
五、液压弹簧操动机构 液压弹簧操动机构是液压与弹簧机构的组合。 工作模块 充能模块 储能模块 控制模块 检测模块
六氟化硫断路器的总体结构
1. SF6断路器的结构有瓷瓶支柱式和落地 罐式两大类。
（1）瓷瓶支柱式的总体结构和常规的瓷瓶
支柱式空气断路器与少油断路器相同，属积木
式结构。现代灭弧室容器多用电工陶瓷，布置
成“T”型、“Y”型、“I”型。
优点：耐压水平高，结构简单，运动部件 少，系列性好。 缺点：重心高，抗震能力较差，使用场合 受到一定限制。 电流互感器要单独装在自己的绝缘支柱上 ，通过空气绝缘的连接线连于断路器上。
四、液压操动机构
1、液压操动机构是用液压油作为能源来进行
操作的机构。其输出力特件与断路器的负载特性 配合较为理想，有自行制动的作用，操作平稳， 冲击震动小，操作力大，需要控制的能量小，较 小的尺寸就对获得几吨或几十吨的操作力。
除此之外，液压机构传动快、动作准确，是当
前高压和超高压断路器操动机构的主要品种。
7、缺点：
a、为使触头分开、电弧刚产生时就有较好的气 吹条件，单压式灭弧室的压气腔应该有一段预压缩 过程，使压气腔中的气压提高后，再打开喷口进行 吹弧。预压缩行程的存在会增大断路器分闸时间。 分断过程中，当操动机构带动动触头系统向下运动 时，压气腔内气体的压力将增高、并从喷口处向外 排出，产生和双压式灭弧装置类似的吹弧效应。 b、为满足压气的要求，需配置大功率的操动机 构。
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
110kV高压断路器为何多采用三相机械联动
110kV高压断路器为何多采用三相机械联动摘要：高压断路器是电力系统中的重要元件之一，在电力系统运行方式调整及对系统中故障的隔离起重要作用。
高压断路器按操动机构配置分三相机械联动操作和分相操作两类：三相机械联动断路器三相共用一台操动机构，相间通过机械连杆连接，实现三相断路器的同时分合；分相操作断路器每相配置独立操动机构，可实现分相操作，若在汇控箱中增加联动操作继电器同时用电缆将三相操动机构连接起来，可实现三相电气联动操作。
目前我国电网中110kV及以下系统均采用三相机械联动断路器；220kV及以上系统中线路单元高压断路器因考虑系统联网运行可靠性以及线路故障中单相故障占比高等因素，多采用分相操作断路器；对于母线、变压器、电抗器等不允许非全相运行的元件则需采用三相联动断路器。
三相联动断路器有三相机械联动与三相电气联动之分，220kV及以上电压等级的高压断路器极间距较长，因加工安装工艺复杂等原因三相机械联动方式可靠性稍低，现场应用的三相电气联动断路器较常见。
关键词：110kV高压断路器；三相机械联动1故障分析2016年4月，在某330kV变电站新增110kV间隔断路器安装过程中，在分相进行断路器本体吊装过程时，断路器厂家技术指导人员图安装方便，在现场工程安装负责人不知情的前提下，将断路器中相固定拐臂的螺栓私自拆除，造成断路器中相出厂拐臂位置发生变化。
在断路器组装完成后，在对断路器进行机械特性实验时，发现断路器刚分、刚合速度以及断路器分、合同期数值始终不能满足断路器要求实验数值，在对断路器本体与操动机构进行多次调整后，各项试验数值也只能满足断路器要求数值的临界值。
对此现场安装技术人员认为ll0kV断路器设备也应像220kV断路器一样选用本体与机构直接连接的三相电气联动操动机构来替代现有的三相机械联动机构。
那么在110kV电压等级断路器设备中，三相电气联动机构的故障率是否就低于三相机械联动的机构呢。
下面对ll0kV电压等级时两种机构可能出现的故障进行分析。
高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究
第28卷㊀第1期2024年1月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.28No.1Jan.2024㊀㊀㊀㊀㊀㊀高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究王奕飞,㊀林莘,㊀徐建源,㊀厉伟(沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳110870)摘㊀要:高压断路器操动机构用电机驱动提高了断路器运行的可靠性与可控性,因此设计了一套适用于126kV 真空断路器的电机操动机构㊂基于操动机构动力学分析结果确定驱动电机转矩㊁转速要求,提出一种有限转角永磁无刷电机设计方案,研制样机进行联机试验完成动作要求检验㊂在此基础上,设计分段转矩控制策略,结合驱动电机输出转矩需求将操动机构的运动过程分为4个阶段,从降低触头碰撞㊁避免预击穿现象发生㊁提高断路器工作可靠性角度对各阶段电机输出转矩进行动态调节㊂结果表明:所研制的驱动电机配合分段转矩控制策略,在保证灭弧室对操动机构动作时间㊁动作速度要求的前提下,实现了操动机构的运动过程优化和工作可靠性提高,促进了断路器智能化操作进程㊂关键词:高压断路器;操动机构;驱动电机;分段转矩控制;智能化操作;试验验证DOI :10.15938/j.emc.2024.01.010中图分类号:TM561文献标志码:A文章编号:1007-449X(2024)01-0095-10㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-06-24基金项目:国家自然科学基金(51777130)作者简介:王奕飞(1989 ),男,博士研究生,研究方向为操动机构及其控制技术;林㊀莘(1961 ),女,博士,教授,博士生导师,研究方向为高压电器及其智能化技术;徐建源(1962 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为高压电器及其智能化技术㊁电力系统分析及配电网自动化;厉㊀伟(1962 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为高电压试验及新能源并网技术㊂通信作者:王奕飞Motor design and control technology of high-voltagecircuit breaker operating deviceWANG Yifei,㊀LIN Xin,㊀XU Jianyuan,㊀LI Wei(School of Electric Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract :The motor-driven operating device of high-voltage circuit breakers improves the reliability and controllability of circuit breaker operation.A set of motor-driven operating device for 126kV vacuum cir-cuit breaker was designed.Based on the driving motor torque and speed requirements determined by the kinetic analysis of the actuator,a finite angle permanent magnet brushless motor design was proposed,and a prototype was developed for inline testing to complete the action requirement test.On this basis,the segmented torque control strategy was designed to combine the output torque requirements of the drive motor to divide the motion process of the operating device into four stages,and dynamically adjust the output torque of the motor in each stage from the perspective of reducing contact collision,avoiding pre-arcing and improving the working reliability of the circuit breaker.The results show that the developed drive motor with segmental torque control strategy can optimize the motion process and improve the relia-bility of the operating device and promote the intelligent operation of the circuit breaker,while ensuring the interrupter s requirements for the operating time and speed of the operating device.Keywords :high voltage circuit breaker;operating device;drive motor;segmental torque control;intelli-gent operation;test verification0㊀引㊀言电机操动机构采用电机直驱,传动结构简单,利用电机良好的伺服性能可实现对开断和关合过程的调节与控制,获得理想的断路器开关特性,是解决传统操动机构结构复杂㊁工作可靠性和运动可控性不佳的有效途径,符合断路器智能化操作的发展方向[1-5]㊂当前,高压断路器电机操动机构的研究重点主要集中在驱动电机设计与电机控制方法的研究上: 1)驱动电机设计㊂文献[6-7]针对驱动电机的定子结构进行了研究,分析了多槽结构和少槽结构对驱动电机性能的影响,结合仿真对比发现,多槽定子结构电机齿槽转矩脉动小,更加有利于电机的控制,为驱动电机定子结构的选取提供了依据㊂文献[8]针对电机操动机构设计了一台永磁无刷直流电机,采用多数槽定子结构,永磁体采用普通表贴埋入方式安装在转子表面,与一台40.5kV SF6断路器进行了联机试验,验证了驱动电机设计的合理性㊂文献[9]通过多次试验发现,分/合闸结束时操动机构与机械限位装置的机械碰撞会导致采用表贴埋入方式安装的永磁体出现松动㊁脱落等现象,影响断路器工作可靠性㊂为此,提出了3种不同转子结构,通过改变永磁体与转子之间的装配关系来改善此问题,并进行了对比仿真分析㊂2)电机控制方法㊂文献[10-12]针对断路器灭弧室对操动机构的动作要求,预设了电机动作目标轨迹,将现有的电机智能控制算法应用于操动机构驱动电机上,使电机完成对目标轨迹的跟踪控制㊂但是,断路器几十毫秒的分/合闸动作时间使电机始终处于启动㊁短时工作状态,电机内部的电磁关系并未稳定建立,控制参数计算所需的电机数学模型会与理论存在一定偏差,电机在毫秒级时间内保证目标轨迹的跟踪精确度,实际应用中存在一定难度㊂文献[13-14]考虑到上述问题,在550kV GIS中隔离开关和126kV SF6断路器电机操动机构的控制方法中没有采用固定轨迹跟踪的控制思路,而是结合断路器智能化操动的要求,设计分段控制策略㊂在操动机构运动的起始阶段㊁缓冲阶段有针对性地增加和减小电机输入给定量,目的是保证分/合闸速度的同时降低分/合闸结束时操动机构的机械冲击㊂这种控制思路调试简单,工程上实现相对容易㊂但是,灭弧室开距㊁超程与操动机构传动结构不同,对驱动电机的出力要求也略有不同,分段控制策略需要针对负载变化情况与操动机构的动作要求做相应调整,而现有研究并未对此进行深入分析㊂电机操动机构应用于真空断路器相比于隔离开关和SF6断路器驱动电机的负载特性与动作要求并不相同,若操动机构㊁断路器以及控制策略之间的匹配不合理,容易引起操动机构机械碰撞加剧㊁触头弹跳㊁预击穿等现象的出现,影响断路器的工作可靠性㊂基于当前研究现状,本文首先通过对126kV真空断路器电机操动机构的负载特性进行分析,确定作为操动机构驱动电机所需满足的转矩㊁转速要求㊂提出一种有限转角永磁无刷电机设计方案,研制样机与断路器进行联机试验,证明驱动电机的输出转速与出力特性均可以满足灭弧室对操动机构的动作要求㊂其次,结合分段控制思想,根据驱动电机输出转矩需求,设计分段转矩控制策略,将操动机构运动过程进一步划分为启动阶段㊁合闸阶段㊁超程阶段和缓冲阶段,分段调节电机输出转矩㊂目的是降低触头碰撞㊁避免预击穿现象发生㊁提高断路器工作可靠性㊂最后,在驱动电机-断路器-控制策略的配合试验中完成对整套电机操动机构运动过程优化以及提升工作可靠性方面的检验㊂1㊀126kV真空断路器电机操动机构126kV真空断路器电机操动机构结构如图1所示㊂位于边相的一台电机通过法兰盘直接驱动传动主轴,带动拐臂㊁传动连杆㊁绝缘拉杆构成的传动机构将电机的旋转运动转换为动触头的直线运动,实现断路器的分/合闸操作㊂图1㊀126kV真空断路器电机操动机构结构Fig.1㊀Structure of motor operating device for126kV vacuum circuit breaker断路器真空灭弧室的主要参数如表1所示,其69电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀中:平均合闸速度指操动机构从30%开距至触头闭合位置行程内的平均速度;平均分闸速度指从触头闭合位置至75%开距行程内的平均速度㊂表1㊀灭弧室机械参数对开关机械特性需求Table 1㊀Mechanical parameters and characteristic require-ments of arc-extinguishing chamber㊀㊀参数数值触头开距/mm 60超行程/mm 24额定触头压力/N 6000ʃ500触头初压力/N 4800ʃ300触头自闭力/N 180ʃ40平均合闸速度/(m /s) 1.3ʃ0.5平均分闸速度/(m /s) 3.5ʃ0.5合闸时间/ms 50~90分闸时间/ms30~602㊀操动机构动力学分析2.1㊀运动过程分析根据表1中触头开距60mm,超行程24mm 的操动机构运动要求,设计拐臂长度为109.2mm,传动连杆长度为139.9mm㊂拐臂在电机的驱动下由水平位置逆时针旋转至34ʎ时,操动机构完成开距阶段运动,继续旋转30ʎ与水平位置夹角为64ʎ时,操动机构完成超行程阶段运动,合闸过程结束㊂此时,拐臂与传动连杆成一条直线,利用电机驱动力与传动机构死点位置实现断路器的合闸保持,具体过程如图2所示㊂操动机构的分闸过程与此相反㊂图2㊀电机操动机构传动简图Fig.2㊀Motor operation device transmission diagram2.2㊀负载特性分析操动机构在动触头运动阶段,驱动电机的负载特性受灭弧室自闭力和系统重力影响;在超行程阶段,除自闭力和系统重力外,驱动电机还需克服触头压簧的弹性反力作用㊂操动机构运动过程中电机转子角位移与操动机构直线位移及驱动电机负载转矩的关系如图3所示㊂图3㊀转子角位移与操动机构直线位移及电机负载转矩关系Fig.3㊀Relationship between rotor angular displace-ment and linear displacement of the motor op-eration device and motor load torque从图3可以看出,刚合闸瞬间由于触头压簧的预紧力作用,电机负载转矩发生突变,其最大值接近1000N㊃m,此值为驱动电机峰值转矩输出要求提供了依据㊂同时结合表1中灭弧室对操动机构的动作速度要求,可以计算出满足平均分/合闸速度要求下驱动电机所需达到的平均合闸转速为132r /min,平均分闸转速为212r /min㊂3㊀操动机构驱动电机设计3.1㊀驱动电机结构设计本文研制完成了一台3相㊁4极㊁36槽圆筒形定子外壳㊁内转子结构有限转角永磁无刷电机㊂转子材料选用10号钢,永磁材料选用N40型钕铁硼永磁体,采用瓦形径向充磁结构㊂设计燕尾卡槽型转子结构改变永磁体与转子表面的装配关系,通过将永磁体外表面嵌入在燕尾卡槽内,改善操动机构在分合闸结束时与机械限位碰撞导致永磁体发生松动和脱落的问题,提高驱动电机工作可靠性㊂其结构如图4(a)所示㊂定子材料选用DW470硅钢片,采用整数槽㊁多79第1期王奕飞等:高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究槽结构设计㊂电枢绕组为单层集中整距绕组排列方式,考虑到电机仅工作在启动状态,为加快电流上升速度,增大启动转矩,采用2套独立线圈并联结构,其接线方式如图4(b)所示㊂驱动电机整体结构如图4(c)所示,详细结构参数列于表2㊂图4㊀驱动电机原理结构Fig.4㊀Principle and structure diagram of drivemotor表2㊀驱动电机主要结构参数Table 2㊀Main structure parameters of the motor㊀㊀参数数值永磁体极对数2定子槽数36每极每相槽数3每槽绕组匝数27极弧系数0.93气隙长度/mm 1绕组线径/mm 1.5每相绕组电机/Ω0.715定子外形尺寸/mm 220ˑ400最高工作电压/V500电机转子初始位置及具体换相过程如图5所示,进行合闸操作时,驱动电机逆时针旋转,导通相依次为AB -AC -BC;分闸操作与此相反,驱动电机顺时针旋转CB -CA -BA 相依次导通㊂整个分(合)闸过程,驱动电机经历两次换相,共旋转64ʎ㊂图5㊀转子旋转起止位置及换相角度Fig.5㊀Start-stop position and commutation angleof rotor3.2㊀动态仿真结果分析驱动电机动态仿真结果如图6所示,可以看出,合闸时,整个过程持续48.8ms,合闸时间为34.6ms,最大电磁转矩达到1257N㊃m,测速区间对应电机转角范围23ʎ~34ʎ,平均转速为327r /min,对应平均合闸速度3.21m /s;分闸时,整个过程持续47ms,分闸时间32.8ms,最大电磁转矩1146N㊃m,测速区间对应电机转角范围34ʎ~8ʎ,平均转速为398r /min,对应平均分闸速度4.13m /s㊂仿真结果表明,驱动电机可在规定时间内完成分/合闸操作,输出电磁转矩与测速区间内的平均转速在满足转矩特性和灭弧室要求的前提下均留有足89电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀够裕量,具备作为操动机构驱动电机的能力㊂驱动电机样机如图7所示㊂图6㊀驱动电机动态性能Fig.6㊀Dynamic performance ofmotor图7㊀驱动电机样机Fig.7㊀Prototype of the driving motor4㊀联机试验为验证电机操动机构的分/合闸性能,搭建驱动电机-断路器联机试验平台,如图8所示㊂操动机构由电容器组提供分/合闸能量,通过调压器完成对充电电压的预先调节㊂控制系统以数字信号处理器TMS320F28335为核心,经IGBT 组成的三相全桥逆变电路对驱动电机进行控制㊂试验平台中储能电容器组由6个容量为0.022F㊁额定电压为450V 的电容并联组成;驱动电机主轴上安装有角位移传感器,供电电源为DC 15V,测量范围360ʎ;灭弧室动㊁静触头的母线端子上连接有分/合闸检测电路,供电电源为DC 15V㊂图8㊀电机-断路器联机试验平台结构Fig.8㊀Motor-breaker inline test platform structure接下来分别进行了电容电压为250㊁300V 的操动机构分/合闸性能测试试验,结果如图9所示㊂试验中,电容电压为250㊁300V 时,操动机构完成整个分闸过程的时间分别为50.4㊁48.5ms,分闸时间分别为31.2㊁30.5ms,动触头从闭合位置运动至75%开距的时间为13.4㊁12.8ms,对应平均分闸速度为3.36㊁3.52m /s;完成整个合闸过程的时间分别为124.2㊁96.7ms,合闸时间分别为59.8㊁53.2ms,动触头从30%开距运动至触头闭合位置的时间为8.1㊁7.4ms,对应平均合闸速度为2.22㊁2.43m /s㊂试验结果可以看出,电机操动机构可以顺利完成分/合闸操作,电容电压的改变有效影响了操动机构的动作时间与动作速度,体现出驱动电机良好的动态性能㊂同时在分/合闸结束时操动机构在分/合闸位置上可靠保持,没有引起明显的弹跳与过冲,验证了整套电机操动机构设计的合理性㊂进一步分析试验结果可以发现,操动机构的分闸时间与分闸速度可以满足灭弧室对开关机械的特性需求;而合闸试验中,平均合闸速度高于表1中灭弧室的参数要求,较高的平均合闸速度虽然可以缩短预击穿时间,但也一定程度上加剧了触头之间的碰撞损耗㊂同时,合闸超程阶段触头压簧引起的电机负载转矩变化使角位移曲线在52ʎ附近出现了明显波动,并在合闸末期出现了上扬现象㊂合闸末期的角位移曲线上扬现象意味着电机转速的上升会加剧合闸结束时操动机构与机械限位之间的机械碰撞㊂因此,为改善操动机构的合闸性能,提高断路器的工作可靠性,有必要调整控制方式,优化合闸过程㊂99第1期王奕飞等:高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究图9㊀不同电容电压下分/合闸试验结果Fig.9㊀Test results of breaking/closing under different capacitance voltages5㊀分段转矩控制策略合闸角位移曲线之所以会出现波动是由于固定电压控制方式下,电机输出转矩无法动态调节,运动过程受负载变化影响所致㊂通过对动作曲线的预先规划,计算出满足动作要求的驱动电机输出转矩,通过分段调节逆变电路中功率管驱动信号占空比的方式,实现分段转矩控制,完成对操动机构的运动过程优化[15]㊂5.1㊀动作曲线规划采用三次多项式与直线过渡的方案从驱动电机侧进行角位移曲线规划[16]㊂拟定测速区间对应运行时间段为50~60ms,此区间内电机匀速旋转;剩余两段行程区间通过初始和末端位置的速度约束关系㊁位置约束关系可以计算出三次多项式的各项系数㊂具体函数关系建立如下:θ(t)=912500t3+71250t2,0msɤtɤ50ms;1110t-32,50ms<tɤ60ms;-14000t3+37800t2-74t+532,60msɤtɤ100ms㊂ìîíïïïïïï(1)合闸角位移规划曲线如图10所示,合闸起始位置与终止位置的电机转速为0,充分降低操动机构与机械限位装置间的机械碰撞;测速区间运行时间为10ms,对应动触头行程为18mm,平均合闸速度为1.8m/s,满足灭弧室动作要求㊂图10㊀合闸角位移规划曲线Fig.10㊀Planning displacement curve of closing operation 5.2㊀驱动电机转矩需求计算电机操动机构的传动结构是一个受约束的连杆系统㊂系统包含2个旋转关节,电机仅负责对拐臂进行驱动,如图2所示,运用欧拉-拉格朗日法对其进行动力学建模,其动力学模型如下[17]:D(q)q㊃㊃+C(q,q㊃)q㊃+G(q)+J Tϕ(q)λ=Q㊂(2)其中:q=[q1q2]T,q1为拐臂与x轴之间的夹角,q2001电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀为连杆与拐臂之间的夹角;D (q )为2ˑ2阶正定惯性矩阵;C (q ,q ㊃)为2ˑ2阶离心力和哥氏力项;G (q )为2ˑ1阶重力项;J T ϕ(q )为约束矩阵的Jaco-bian 信息;λ为拉格朗日乘子;Q 为广义力向量,各矩阵具体形式为:D (q )=p 1+p 2+2p 3cos q 2p 2+p 3cos q 2p 2+p 3cos q 2p 2éëêêùûúú;C (q ,q ㊃)=p 3sin q 2-q ㊃2-(q ㊃2+q ㊃1)q ㊃1éëêêùûúú;G (q )=p 4g cos q 1+p 5g cos(q 1+q 2)+p s1p 5g cos(q 1+q 2)+p s2éëêêùûúú㊂式中:p 1~p 5为系统动力学参数组成的表达式[17],p 1=(m 2+m v )l 21+m 1l 2c1+I 1,p 2=m v l 22+m 1l 2c2+I 2,p 3=(m v l 2+m 2l c2)l 1,p 4=(m 2+m v )l 1+m 1l c1,p 5=m v l 2+m 2l c2;m 1㊁m 2㊁l 1㊁l 2㊁l c1㊁l c2㊁I 1㊁I 2分别为拐臂和传动连杆的质量㊁长度㊁质心到端点的距离和各自绕质心的转动惯量,m v 在动触头运动阶段(q 1<34ʎ)为绝缘拉杆和灭弧室中运动部件的质量和,在超行程阶段(q 1ȡ34ʎ)为绝缘拉杆的质量;p s1㊁p s2为触头压簧引起的弹性势能变化量,其值在动触头运动阶段均为0,超行程阶段p s1=k Δx [l 1cos q 1+l 2cos(q 1+q 2)],p s2=k Δxl 2cos(q 1+q 2),k 为弹簧的劲度系数,Δx 为弹簧压缩量,其值在动触头运动阶段为定值Δx 1,用来提供预紧力,在超行程阶段压缩量逐渐变化为Δx 1+sin q 1+l 2sin(q 1+q 2)-l 2㊂由于动触头只能在竖直方向运动,因此系统的自由度为1,可通过约束条件对系统进行降阶[18]㊂取q 1为描述约束运动的变量,q 2为剩余冗余变量,由图2可知q 1和q 2的约束关系为l 1cos q 1+l 2cos(q 1+q 2)-l 1=0㊂(3)因此q 2=cos -1l 1l 2(1-cos q 1)[]-q1=ψ(q 1),(4)则有:q ㊃=q ㊃1q ㊃2éëêêùûúú=1 ψ(q 1) q 1éëêêêùûúúúq ㊃1=L (q 1)q ㊃1;(5)q ㊃㊃=L ㊃(q 1)q ㊃1+L (q 1)q ㊃㊃1㊂(6)由于J ϕ(q 1)L (q 1)=L T (q 1)J T ϕ(q 1)=0,因此式(2)通过左乘L T (q 1)可消除λ[19],并将式(4)~式(6)代入得D L (q 1)q ㊃㊃1+C L (q 1,q ㊃1)q ㊃1+G L (q 1)=L T (q 1)Q ㊂(7)式中:D L (q 1)=L T (q 1)D (q 1)L (q 1);C L (q 1,q ㊃1)=L T (q 1)[D (q 1)L ㊃(q 1)+C (q 1,q ㊃1)L (q 1)];G L (q 1)=L T (q 1)G (q 1)㊂对于式(2)中的广义力矩阵Q 可运用虚功原理求得,系统虚功可表示为δW =δq T Q =τδq 1+F Z δx ㊂(8)其中:τ为驱动电机输出转矩;F Z 为灭弧室自闭力;δx 为动触头运动方向的虚位移,其值在超程阶段为0,在动触头运动阶段为l 1sin q 1+l 2sin(q 1+q 2)-l 2,因此有Q =τ+F Z [l 1cos q 1+l 2cos(q 1+q 2)]F Z l 2cos(q 1+q 2)éëêêùûúú,q 1<34ʎ;τ[],q 1ȡ34ʎ㊂ìîíïïïïï(9)操动机构传动部分各构件质量如表3所示,并将式(9)和式(1)中规划行程曲线的q 1㊁q ㊃1㊁q ㊃㊃1信息代入式(2)即可得出满足动作要求的驱动电机输出转矩,如图11所示㊂表3㊀传动部分各构件质量Table 3㊀Mass of componentsfor transmission part㊀部件质量/kg 拐臂 3.36传动连杆 1.37绝缘拉杆11.62触头压簧组件20动触头6图11㊀驱动电机输出转矩Fig.11㊀Output torque of the drive motor101第1期王奕飞等:高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究5.3㊀控制策略设计本文将断路器的合闸过程划分为4个阶段,分别为Ⅰ:启动阶段㊁Ⅱ:合闸阶段㊁Ⅲ:超程阶段㊁Ⅳ:缓冲阶段,如图10所示㊂依据图11的驱动电机输出转矩需求,将各阶段的转矩调控策略设计如下: 1)启动阶段:设计为合闸测速起始位置之前对应的电机转角范围㊂此阶段电机负载转矩较小,电机转矩需求维持在驱动电机最大输出转矩一半附近,因此可将驱动信号占空比设计在0.5~1之间㊂同时对控制占比的适当限制可减少电容中能量消耗,保证系统有足够储能完成超程阶段运动[13-14]㊂2)合闸阶段:设计为测速区间对应的电机转角范围㊂该阶段既要保证合闸速度避免预击穿现象发生,同时又要考虑降低合闸时的触头机械碰撞[20]㊂结合此阶段明显减小的电机转矩需求,将驱动信号控制占比设计在0~0.5之间㊂3)超程阶段:设计为合闸位置至角位移曲线出现明显波动位置时的角度区间㊂此阶段由于触头压簧引起的负载转矩变化,使电机转矩需求瞬间增加,并接近转矩输出峰值,因此应将驱动信号控制占比设置为1,保证电机有足够转矩输出完成超程阶段运动㊂4)缓冲阶段:应配合逐渐减小的电机转矩需求,降低转矩输出,避免合闸末期电机转速上升现象出现㊂同时较小的输出转矩可以降低操动机构与机械限位之间的碰撞,提高断路器工作可靠性㊂驱动信号占空比应设置在0~0.5之间㊂各阶段控制占比具体数值可通过试验确定,本文在电容电压充至400V的情况下合闸,各阶段具体转角划分与相应控制占空比设置如表4所示㊂表4㊀各阶段转角范围与对应控制占空比Table4㊀Angle range of each stage and the corresponding control duty cycle㊀转角范围占空比Ⅰ:0ʎ~23ʎ0.7Ⅱ:23ʎ~34ʎ0.5Ⅲ:34ʎ~52ʎ1Ⅳ:52ʎ~64ʎ0.45.4㊀试验研究图12为分段转矩控制方式下的试验结果,合闸时间为57.5ms,平均合闸速度为2.02m/s㊂合闸阶段控制占比的降低使平均合闸速度相比于300V和250V固定电压控制方式下分别下降了0.41m/s和0.20m/s㊂虽然略高于灭弧室要求,但考虑到合闸试验是在断路器空载运行时进行的,而事实上断路器在执行合闸操作时,动触头会因预击穿现象的发生受到与运动方向相反的电动力作用,引起合闸速度下降㊂因此,空载情况下稍高的合闸速度对于保证实际运行中断路器的合闸速度满足灭弧室要求是有一定积极意义的[21-22]㊂超程阶段功率管的完全导通保证了电机转矩的有效输出,同时配合缓冲阶段较小的控制占比在保证断路器可靠合闸的前提下有效解决了角位移曲线上扬问题㊂分段转矩控制策略下整个合闸过程角位移曲线平滑无波动,有效降低了刚合速度与合闸结束速度,实现了对操动机构的运动过程优化和工作可靠性提高,体现出控制策略的有效性㊂图12㊀分段转矩控制方式下试验结果Fig.12㊀Experimental curves of torque subsection control 6㊀结㊀论本文设计了一套适用于126kV真空断路器的电机操动机构,从提高断路器工作可靠性㊁优化操动机构运动过程角度完成了驱动电机设计与控制策略研究,主要结论如下:1)完成操动机构驱动电机样机研制,设计燕尾卡槽型转子结构提高电机工作可靠性㊂联机试验下试验样机施加电压高于250V时,操动机构合闸时间小于59.8ms,平均合闸速度高于2.22m/s;分闸时间小于31.2ms,平均分闸速度高于3.36m/s㊂2)将驱动电机在0ʎ~23ʎ㊁23ʎ~34ʎ㊁34ʎ~52ʎ㊁52ʎ~64ʎ4个转角区间的控制占比设置为0.7㊁201电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀0.5㊁1㊁0.4时,操动机构的合闸时间为57.5ms,平均合闸速度为2.02m/s,相比于300㊁250V固定电压控制方式下分别下降了0.41m/s和0.20m/s㊂3)分段转矩控制策略改善了固定电压控制方式下合闸速度较高与合闸末期电机转速上升问题,提高了断路器的工作可靠性,实现了操动机构的运动过程优化㊂参考文献:[1]㊀林莘.现代高压电器技术[M].北京:机械工程出版社,2011.[2]㊀徐国政,张节容,钱家骊,等.高压断路器原理和应用[M].北京:清华大学出版社,2000.[3]㊀林莘,王德顺,徐建源,等.高压断路器直线伺服电机操动机构及其控制技术[J].中国电机工程学报,2008,28(27):137.LIN Xin,WANG Deshun,XU Jianyuan.Linear servo motor oper-ating mechanism and control technique for high-voltage circuit breaker[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(27):137.[4]㊀孙丽琼,王振兴,何塞楠,等.126kV真空断路器分离磁路式永磁操动机构[J].电工技术学报,2015,30(20):49.SUN Liqiong,WANG Zhenxing,HE Sainan,et al.A permanent magnetic actuator with separated magnetic circuit for126kV vacu-um circuit breaker[J].Transactions of China Electrotechnical So-ciety,2015,30(20):49.[5]㊀邹积岩,刘晓明,于德恩.基于智能模块的高压直流真空断路器研究[J].电工技术学报,2015,30(13):47.ZOU Jiyan,LIU Xiaoming,YU Deen.Investigations on the HVDC vacuum circuit breaker based on intelligent models[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(13):47.[6]㊀李永祥,林莘,徐建源.高压断路器有限转角永磁电机操动机构两种定子结构[J].电工技术学报,2010,25(5):61.LI Yongxiang,LIN Xin,XU Jianyuan.Two stator structures of limited angle permanent magnet motors for operating mechanism on high voltage circuit breaker[J].Transactions of China Electro-technical Society,2010,25(5):61.[7]㊀林莘,马跃乾,徐建源,等.高压断路器新型操动机构驱动电机设计分析[J].沈阳工业大学学报,2008,30(2):129.LIN Xin,MA Yueqian,XU Jianyuan,et al.Designand analysis of novel operating mechanism drive motor for high voltage circuit breaker[J].Journal of Shenyang University of Technology, 2008,30(2):129.[8]㊀芦宇峰,孟大伟,徐永明,等.SF6高压断路器智能化操动机构的研究与优化[J].电机与控制学报,2013,17(7):94.LU Yufeng,MENG Dawei,XU Yongming,et al.Research and optimization of intelligent operating mechanism for SF6high voltage circuit breaker[J].Electric Machines and Control,2013,17(7):94.[9]㊀王亮,荆澜涛,许东,等.高压真空断路器电机操动机构转子设计仿真研究[J].高压电器,2017,53(2):61.WANG Liang,JING Lantao,XU dong,et al.Improvement and simulation of the motor actuator rotor for high voltage vacuum[J].High Voltage Apparatus,2017,53(2):61.[10]㊀王亮.高压真空断路器电机操动机构及模糊控制研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2014.[11]㊀史可鉴.GIS中隔离开关电机操动机构及控制方法研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2016.[12]㊀何保营,韩国辉,耿英三,等.新型126kV电机直驱高压真空断路器伺服控制系统研究[J].高压电器,2020,56(8):92.HE Baoying,HAN Guohui,GENG Yingsan,et al.Novel servocontrol system for126kV direct-driven high-voltage vacuum cir-cuit breaker[J].High Voltage Apparatus,2020,56(8):92.[13]㊀史可鉴,林莘,徐建源.550kV GIS中隔离开关电机操动机构分段式控制方法的研究[C]//中国电机工程学会高电压专业委员会学术年会,2015年10月15日,西安,中国.2015:1-7.[14]㊀邓赟,武建文,金鑫晨,等.基于高压断路器电机操动机构的位移分段控制策略[J].电工技术学报,2018,33(15):3586.DENG Yun,WU Jianwen,JIN Xinchen,et al.Displacementsubsection control strategy based on motor operating device ofhigh voltage circuit breaker[J].Transactions of China Electro-technical Society,2018,33(15):3586.[15]㊀吕帅帅,林辉,马冬麒.基于最优占空比调制的永磁同步电机直接转矩控制[J].电工技术学报,2015,30(S1):35.LÜShuaishuai,LIN Hui,MA Donglin.Direct torque control forpermanent magnet synchronous motor with optimal duty cycle con-trol[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(S1):35.[16]㊀杨锐,刘宇,韩书谟,等.126kV真空断路器电机驱动负载需求分析与优化[J].高压电器,2020,56(8):100.YANG Rui,LIU Yu,HAN Shumo,et al.Analysis and optimiza-tion of load torque demand of126kV vacuum circuit breakerbased on motor driving[J].High Voltage Apparatus,2020,56(8):100.[17]㊀牛瑞燕,许午啸,刘金琨.欠驱动机械臂滑模控制与实验研究[J].仪器仪表学报,2016,37(2):348.NIU Ruiyan,XU Wuxiao,LIU Jinkun.Sliding mode control andexperiment study for underactuated manipulator[J].ChineseJournal of Scientific Instrument,2016,37(2):348. [18]㊀盛洋,赖旭芝,吴敏.基于模型降阶的平面三连杆欠驱动机械系统位置控制[J].自动化学报,2014,40(7):1303.SHENG Yang,LAI Xuzhi,WU Min.Position control of a planar301第1期王奕飞等:高压断路器操动机构驱动电机及其控制技术研究。
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。
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
高压断路器操动机构的自由脱扣装置分析
合 闸四连杆机构变成 了五连杆 机构 。 滚轮从 托架上 滑脱 ， 使 断
路 器分 闸 。类 似 地 ， Ｃ Ｔ ８弹簧 机 构 的合 闸 系 统 南凸 轮 和 一 组 四
连杆机构组成 ， 分 闸系统则 由扇形 板和半轴 组成 ， 合 闸四连杆
根据设计原理和结构特点对高压断路器操动机构的自由脱扣装置进行动作过程描述和动作原理分析通过阐述a由脱扣功能解析其二作特性并提出自由脱扣装置存在的问题及其解决方法
…
装备应用与研究 ◆Ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｂ ｅ ｉ ｙ ｉ ｎ ｇ ｙ ｏ ｎ ｇ ｙ ｕ Ｙ ａ ｎ ｊ ｉ ｕ
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高 压 断路 器操 动 机构 的 自由脱 扣装 置 分析
范 立新
（ 国网浙 汀省 电力公 司绍兴 供 电公 司 ， 浙江 绍 兴 ３ １ ２ ０ ０ ０ ）
摘
要： 根据设 计原 理和结 构特 点 ， 对 高压 断路器 操动 机构 的 自由脱扣装 置进 行 动作 过 程描述 和动作 原 理分 析 ， 通过 阐述 Ａ由脱 扣功
１ 自 由脱 扣 装 置 的 动 作 过 程
目前 具 备 自由脱 扣 装 置 的 常 见 机 构 有 Ｃ Ｄ１ ０ 、 Ｃ Ｄ １ ７ 、 Ｃ Ｔ ６ 、 Ｃ Ｔ ８ 、 Ｃ Ｔ Ｉ Ｏ 、 Ｃ Ｔ １ ４ 等 。下 面 以 Ｃ Ｄ Ｉ Ｏ电磁 机 构 和 Ｃ Ｔ８ 弹 簧 机 构 为例 ， 分析装置的动作过程。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
形成， 造成合闸动作无法继续进行 ， 从而实现 自由脱扣 。
第6单元 高压断路器的操动机构
第6单元第六讲高压断路器的操动机构操动机构是带动高压断路器传动机构进行合闸和分闸的机构。
一、操动机构的分类和基本要求（一）操动机构的分类根据断路器合闸时所用能量形式的不同，操动机构可分为以下几种。
（１）手动机构（CS型）。
指用人力进行合闸的操动机构。
（２）电磁机构（CD型）。
指用电磁铁合闸的操动机构。
（３）弹簧机构（CT型）。
指事先用人力或电动机使弹簧储能实现合闸的弹簧合闸操动机构。
（４）电动机机构（CJ型）。
指用电动机合闸与分闸的操动机构。
（５）液压机构（CY型）。
指用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。
（６）气动机构（CQ型）。
指用压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。
（二）操动机构的基本要求（1）具有足够的操作功率。
（2）具有维持合闸的装置。
（3）具有尽可能快的分闸速度。
（4）具有自由脱扣装置。
所谓自由脱扣，是指在断路器合闸过程中如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。
（5）具有“防跳跃”功能。
（6）具有自动复位功能。
（7）具备工作可靠、结构简单、体积小、重量轻、操作方便、价格低廉等特点。
二、操动机构的结构和动作原理（一）电磁操动机构（CD型）电磁操动机构是用电磁铁将电能变成机械能作为合闸动力。
它的优点是：结构简单，工作可靠，能用于自动重合闸和远距离操作。
缺点是：合闸线圈消耗的功率太大，机构结构笨重，合闸时间长。
CD10型是一种户内壁挂式电磁操动机构。
由自由脱扣机构、维持机构、电磁系统和缓冲系统等组成。
可以电动合闸、手动合闸、非正常手动合闸，也可以进行自动重合闸。
操动电源采用直流220V 或110V。
1. 结构原理（1）合闸电磁系统。
电磁系统在操动机构的中、下部，主要由合闸线圈、合闸铁芯、铸铁支架、内圆筒、外铁筒、缓冲法兰及复位弹簧等组成。
铸铁支架的水平部分、外铁筒和缓冲法兰的上部经铁芯组成一个闭合磁路。
为了防止铁芯吸合时粘附在磁轭上，特加一黄铜垫圈和压缩弹簧，以保证铁芯在合闸终了时迅速落下。
七、高压断路器的操动机构
七、高压断路器的操动机构一、简答题1．高压断路器的操动机构由几部分组成，它们的作用是什么？操动机构的组成和它们的作用如下：(1)能量转换机构它把执行操作的赋能变成机械能，使操动机构按规定的目的发生机械运动，这种机构如电磁铁、电动机、液压转动工作缸、压缩空气工作缸等。
当然，最简单的是人力，但随着断路器容量的加大及自动化水平的提高，依靠人力操作已不能满足运行工作的要求了。
(2)联动机构它把能量转换机构所变成的机械运动能用来促使断路器的动触头发生按操作目的的规定动作。
这种机构多由四边形连杆机构、拐臂、拉杆等组成。
(3)保持机构它使操动机构完成的操作得以保持，不因瞬时命令信息的消失而不能完成规定目标的任务，这种机构由动作灵活的机械卡销等组成。
(4)释放机构它接受操作人员和继电保护系统的命令信息，对保持机构进行反作用，即解除保持。
从而使断路器的跳闸弹簧释放能量，使断路器分闸。
它由电磁线圈推动可动铁芯，由可动铁芯打动保持卡销使保持解除，或者由电磁阀启动分闸油路或气路来实现。
2．断路器操动机构按工作能量形式的分类有几种？根据能量形式不同分以下几类（1）CS：手动操动机构（2）CD：电磁操动机构（3）CT：弹簧操动机构（4）CJ：电动操动机构（5）CQ：气动操动机构（6）CY：液压操动机构3．论述断路器各种操动机构特点？断路器的操动机构主要有电动弹簧储能机构、电磁操动机构和液压操动机构。
对于机械电动弹簧储能机构，它所暴露出来的缺点是机械结构十分复杂，零件数量多，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。
对于电磁操动机构，其结构复杂程度和工作可靠性比电动弹簧储能机构要有所改善，但其致命的问题是合闸线圈消耗功率太大，要求配置价格昂贵的蓄电池组，以及电磁机构结构笨重，动作时间较长。
液压机构致命的缺点是密封问题。
统计资料表明：设备故障中有70％－90％以上为操动机构的机械故障。
因此必须对操动机构进行改进，以提高断路器的可靠性和免维护水平，以及实现开关设备的自动化、远动化和智能化。
运行题库(一次及变配电系统)
一次及变配电系统一、填空题：（20题）1、高压断路器由导电、灭弧、绝缘和操作机构等四部分组成。
2、高压断路器按灭弧介质可分为:油断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器、真空断路器、、六氟化硫断路器、自产气断路器等。
3、断路器根据安装地点的不同可分为室内和室外。
4、上犹江电厂分别装设有真空断路器和六氟化硫断路器。
5、严禁在低油压、低气压的运行情况下跳合闸断路器。
6、隔离开关的操作应特别慎重，隔离开关的合上，须先拉开接地刀闸，接地刀闸的合上，须先拉开隔离开关，操作时注意闭锁装置到位。
7、线路停电时，应先断开断路器，然后拉开线路侧隔离开关，再拉开母线侧隔离开关，合闸送电顺序反之。
8、10.5KV系统断路器在试验或工作位置时，如不能进行合闸，应检查试验或工作位置灯是否亮，必要时重新推拉操作一次，使其辅助接点到位，并检查是否已储能。
9、所有装有防误闭锁的设备，均须按照防误闭锁程序进行，不得使用万能钥匙强行解锁，如需要必须征得值长同意。
10、运行中电流互感器严禁开路，未使用的电流互感器二次线圈应短路接地。
11、误拉隔离开关，可在弧光断开前迅速将其合上，若隔离开关已全部拉开，则不允许推上；误合隔离开关，在任何情况下不得再行拉开，若需拉开时，应先断开断路器，然后将其拉开。
12、确认电压互感器内部故障，禁止用拉开隔离开关或取下熔断器的办法断开故障电压互感器，须用断路器来断开，如着火应使用干式灭火器灭火。
13、断路器因真空破坏、压力不够等原因不允许跳闸时，各断路器必须在无负荷电流和空载电流的情况下退出运行。
14、隔离开关不能切断负荷或故障电流，其主要作用是隔离电源，具有明显的断开点。
15、变压器由铁心、绕组油箱、油枕、分接开关等部分组成。
16、变压器油的作用有绝缘、灭弧、散热作用。
17、电压互感器二次侧不得短路。
18、变压器的有功损耗有两部分组成，即铁损和铜损。
19、隔离开关的常开接点应尽可能接近隔离开关合闸终了时接通。
高压断路器中的弹簧操动机构
高压断路器中的弹簧操动机构刘唯2015.4摘要：本文讨论了断路器操动机构的功能，总结并比对了目前主流弹簧操动机构的实现方式，也介绍了各种结构的优缺点。
列举了断路器上弹簧机构的各种布局方式，从控制，安全，维护及发展的角度谈了个人看法。
关键词: 高压断路器弹簧操动机构目录0引言 (1)1操动机构的种类 (1)2弹簧操动机构的功能 (2)3断路器弹簧操动机构结构 (3)3.1储能结构的分类 (4)3.1.1储能操作的能量只用于合闸过程43.1.2储能操作的能量分别用于合闸或分闸过程4 3.2储能到位离合及状态保持结构 (5)3.3合闸驱动结构 (5)3.3.1不具备自由脱扣的结构63.3.2具备自由脱扣功能的结构6 3.4合闸状态保持结构 (6)3.4.1过冲复位保持结构63.4.2复位保持结构73.4.3就绪保持结构7 3.5储能电机的减速机构 (7)3.5.1齿轮箱结构73.5.2蜗轮蜗杆结构73.5.3棘轮结构7 3.6弹簧机构的联锁装置 (8)3.6.1硬联锁83.6.2软联锁83.6.3PF接点9 4断路器弹簧操动机构的布局 (9)5断路器的控制与保护 (10)6断路器操动机构的安全锁 (11)7断路器弹簧操动机构的维护 (11)8断路器弹簧操动机构的发展 (5)0引言笔者最近几年，接触了一些弹簧操动机构，有些认识，愿与大家分享。
文中没有计算，没有公式，略显没有深度，请高手一笑而过。
文中试图将千差万别的机械结构进行分类，会有遗漏，但终归是一次尝试。
也试图将其优缺点做一比较，必不完全，但肯定会有些说法。
有些机构，并不能完全理解其博大精深，不正之处，也还望请指正。
请到新浪微博《高压断路器中的弹簧操动机构》交流贴留言。
链接如下：/u/2437510622。
原文下载请搜百度文库。
文中涉及到一些机构名称，如ABB公司的EL弹簧操动机构，以下简称EL机构，主要用于VD4断路器；Schneider公司的P2弹簧操动机构，以下简称P2机构，主要用于Evolis断路器和Masterpact断路器；Schneider公司的RI弹簧操动机构，以下简称RI机构，主要用于Ev12S断路器上；Schneider公司的RT弹簧操动机构，以下简称RT机构，主要用于Premset 开关柜上；Schneider公司的FK2-01弹簧操动机构，以下简称FK2机构，主要用于HVX断路器上；三菱的BH2弹簧操动机构，以下简称BH2机构，主要用于VPR 断路器上；天水长城开关厂的GSL01弹簧操动机构，以下简称GSL01机构，主要用于EVH1断路器；以下断路器上用的弹簧操动机构不知道名字，只能用断路器名字称呼，VS1断路器上的弹簧操动机构，以下简称VS1机构；厦门华电开关有限公司的VEP断路器上的机构，以下简称VEP机构；Siemens公司的Sion断路器上采用的机构，以下简称Sion机构；东芝公司的VK断路器上采用的机构，以下简称VK机构。
高压开关柜与断路器及其操动机构的选择
高压开关柜与断路器及其操动机构的选择压开关柜与断路器及其操动机构选择开关柜与断路器及其操动机构选型是变配电站一次单线系统图设计的主要内容之一，应在单线系统图及说明表中表示清楚开关柜的型号、规格与一次接线编号。
1 开关柜选择1.1 开关柜有半封闭、金属封闭以及绝缘封闭式三种。
根据电压等级与环境条件来选择。
1.2 6～35kV变配电站多数选用金属封闭式，金属封闭式又分为铠装、间隔与箱式三种。
金属封闭式以空气绝缘为主，断路器安装方式分为固定式与移出式（手车柜）。
固定式结构简单、成本低，但尺寸偏大、不便于维护。
移出式（手车柜）为组装结构、外形美观、尺寸小、五防措施好、便于维护，但成本高。
环网负荷开关柜具有尺寸小、便于维护、成本低，但采用高压熔断器保护，保护功能简单，一般用于环网式供电与箱式变电站。
1.3 110kV及其以下电压等级都有成套高压开关柜，电力系统城市电网和工业与民用建筑变配电站大都为户内式。
电力系统农村电网变配电站大多数采用户外式。
1.4 高压开关柜应具备五防措施。
五防措施包括：防止带负荷拉合隔离刀闸（含手车），防止误合断路器（带接地线合闸等），防止带电挂接地线，防止带接地线合隔离刀闸（含手车），防止误入带电间隔。
移出式（手车柜）开关柜没有上下隔离刀闸，五防措施好。
将手车位置连锁触点接入合闸回路，可保证只有车车完全推倒位或处于实验位置时，才能进行合分闸。
处于合闸位置时，手车无法拉出；拉出后接地刀闸处于合位时，车车无法推入，通过机械连锁直接闭锁。
固定柜五防措施通过机械与电气闭锁来实现。
机械闭锁包括机械直接闭锁、红绿翻牌、程序锁、钥匙盒与三功能控制开关。
电气闭锁包括电磁锁、机械电磁式闭锁装置与微机防误闭锁装置。
微机防误闭锁装置主要用于电力系统变配电站。
2 断路器设计选择油断路器已经淘汰。
目前主要有真空断路器与六氟化硫断路器两种。
六氟化硫断路器用于35kV及以上电压等级的变配电站。
负荷开关加高压容断器主要用于环网柜、箱式变电站等保护要求不高的小型变电站。
操动机构简介
优点，操作平稳，性能较为可靠，因此在高压SF6断路器上使用范围逐渐扩大
永磁操动机构
永磁操动机构是在电磁操动机构基础上发展起来的。最大的改进是使用了永久电磁铁。永磁操动机构利用电磁力操动、永磁保持和电子控制。由于取消了脱、锁扣装置，而采用永久电磁铁进行终端位置的保持，动作元件和零部件数目明显
操动机构简介
操动机构
原理
应用场合
趋势
手动操动机构
靠手力分合闸的操动机构称为手动操动机构
低电压等级断路器使用过，1不需辅助设备和电源，2不能开断大电流，3不能实现自动重合闸，4不安全
淘汰
手动弹簧操动机构
靠手力合闸并同时给分闸弹簧储能，分闸靠
弹簧力的操动机构称为手动弹簧操动机构
优点：1结构较简单，2不需要辅助设备和电源
永磁操动机构必须配用电容器和电子元件，这些元件的可靠性直接影响断路器的可靠性
永磁操动机构的行程相对较短，因此，特别适合真空断路器配用，在真空断路器领域逐渐得到运用。
电机操动机构
采用数字控制技术与简单、可靠、成熟的电动机设计结合，不仅满足断路器操动机构的所有要求，还可以提供更多新的功能。
优点：1只有一个动作度变化无关；4工作条件受到直接监控，不需要额外的传感，具有先进的现场监控平台；5用串口通讯实现远程监控；6低功耗，无瞬间高负荷；7低机械压力和低噪音；8模块化计。
减少，因而可靠性大大提高。而电子控制便于实
现智能化。
：(1)弹簧操动机构由150多个零件组成，而永磁操动机构仅有60多个零件。零件数减少近60％，大大减少了库存和出现故障的可能性，维护工作量也大大降低；(2)弹簧操动机构的机械寿命1万次，而永磁操动机构的机械寿命3万次，甚至10万次：(3)新一代永磁操动机构的真空断路器配有一个指示器，进行运行监视并指明出问题的地方。
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精选课件
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对操动机构的基本要求
断路器的全部使命，归根结底是体现在触头的分、合动作 上．而分、合动作又是通过操动机构来实现的。因此，操动机 构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠 性起着极为重要的作用。
操动机构的型号：
123
45
特征数字,一般电磁、液压、
计序号例为如2：；CCDY23为为电液磁压式操操动动机机构构，，设设计 操动首机位构字用动母操S—汉机C动表手语，Y方－示动拼T式－液，音的弹压D拼－簧，音电，Z首－设磁Q位重－计，序字锤气系J号－母动列电：，顺其进带他型箱标，子志X－，操如弹保征塞字动G簧证数直机－、的字径构改手最 ；（动大气mm等合动）机闸机为构力构特以矩以征其为其数能特活
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。一般由连杆机构组 成。
精选课件
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1.操动机构
定义：独立于断路器本体以外的机械操动装置， 通过它可以对断路器进行操作。通常与断路器 分开装设。
特点：一种型号的操动机械可以配用不同型号的 断路器，同一型号的断路器也可以配装不同型 号的操动机构。
Hale Waihona Puke 精选课件13各种操动机构
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3弹簧操动机构
利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构称为 弹簧操动机构。弹簧储能通常内电动机通过减速装置来完 成。对于某些操作功不大的弹簧操动机构，为了简化结构、 降低成本，也可用手力来储能。
精选课件
14
各种操动机构
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4液压操动机构
液压操动机构利用液压油作为动力传递介质。操动方式有 两种：直接驱动式和储能式。 直接驱动式液压操动机构 由电动机与油泵产生的高压力油，直接推动活塞．用来操 作速度不高、操作功率不大的隔离开关。
精选课件
12
各种操动机构
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2电磁操动机构
靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机 构的优点是结构简单、工作可靠、制造成本较低，缺点是 合闸线圈消耗的功率太大，因而用户需配备价格昂贵的蓄 电池组。电磁操动机构的结构笨重，合闸时间长(0.2s— 0.8s)，主要用来操作126kV及以下的断路器。
提升机构
传动机构
传动元件
能源
断路器本体
缓冲器
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 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。
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。
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1结构简单，价廉2不 1不能遥控和自动合 用于12k V以下，开
需要合闸能源
闸2合闸能力小3就地 断电流小的断路器
操作，不安全
1结构简单，加工容 易2运行经验多
1需要大功率的直流 电源2耗费材料多
当前126k V及以下的 油断路器大部分采用 电磁操动机构，但不
是发展方向
1要求电源的容量小2 交、直流电源都可用 3暂时失去电源时仍
能操作一次
1结构较复杂2零部件 加工精度要求高
精选课件
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各种操动机构
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5气动操动机构
利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构称为气动操动 机构。
精选课件
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各种操动机构
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6永磁操动机构
利用钕铁硼永久性磁铁作为能源产生推力的操动机构称为 永磁操动机构。
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型式 手动 电磁 弹簧
液压 气动
主要优点
主要缺点
备注
1.具有足够的合闸功率，保证所需的合闸速度。 2.能维持断路器处在合闸位置，不产生误分闸。 3.有可靠的分闸速度和足够的合闸速度。 4.具有自由脱扣装置。 5.防跳跃 6.在控制回路中，要保证分合动作准确、连续。 7.结构简单、体积小、价格低廉。
精选课件
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精选课件
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高压断路器的操动机构
精选课件
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高压断路器的操动机构—概述
高压断路器的 操动系统
操动机构 传动系统
缓冲装置
传动元件 提升机构
传动机构 油缓冲器 弹簧缓冲器 气体缓冲器 橡皮缓冲器
精选课件
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高压断路器的操动机构
精选课件
3
2传动系统
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动触头
精选课件
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各种操动机构
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1手动操动机构
靠手力直接合闸的操动机构称为手动操动机构。它主要用 来操动电压等级低、额定开断电流很小的断路器。除工矿 企业用户外，电力部门中手动机构已很少采用。手动操动 机构结构简单，不要求配备复杂的辅助设备及操作电源， 缺点是不能自动重合闸，只能就地操作，不够安全。因 此．手动操动机构已逐渐被手力储能的弹簧操动机构所代 替。
自由脱扣：是指操动机构在合闸过程中接到分闸命
令时，机构将不再执行合闸命令而立即分闸，这样
就避免了跳跃。
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操动机构应具有的功能
5．复位：断路器分闸后，操动机构的各个部件应 能自动恢复到准备合闸的位置。
6．闭锁：为保证断路器操作的安全可靠，操动机 构还需具备的闭锁功能有：分、合闸位置闭锁； 高、低气压（液压）闭锁；弹簧操动机构中合闸 弹簧的位置闭锁。
序号为3。
精选课件
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操动机构应具有的功能
1．合闸操作：在正常情况下和有短路故障的时， 操动机构都能使断路器可靠合闸。
2．保持合闸：在合闸命令和合闸操作功消失后， 操动机构应可靠地将断路器保持在合闸位置，不 会由于外力等原因引起触头分离。
3．分闸操作：不仅能接受自动或遥控指令使断 路器快速电动分闸，而且在紧急情况下可在操动 机构上进行手动分闸。
分合闸都应并具有快速精性选课。件
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操动机构应具有的功能
4．防跳跃和自由脱扣：在关合过程中，如电路发生故 障，操动机构应使断路器自行分闸，即使合闸命令 未解除，断路器也不能再度合闸，以避免无谓地多 次分、合故障电流。
“跳跃”现象：是指断路器在关合有预伏短路故障 的线路时，继电保护装置会快速动作，指令操动机 构立即自动分闸，这时若合闸命令尚未解除，断路 器会再次合闸于故障线路，如此反复会造成断路器 多次合分短路电流。