一种充气柜用真空断路器的设计

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图1 真空断路器结构

１—绝缘筒装配 2—波纹管组件 3—密封门 4—操动机构

中

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一种充气柜用真空断路器的设计

针对 GZX 系列 C-GIS 产品在充气环境应用的实际情况，列出具体的设计过程，提出关键结构的设 计结果，阐述可供参考的设计方案。

压断路器按绝缘介质可分为真空和 SF 6

两 大类， 而在C-GIS 充气柜中使用的断路器要

求开断能力强、电寿命长、可靠性高，灭弧室部分免维 护，体积小等，综合考虑前述要求，选择开断部分真空 曾大生 陈敏 / 广东省顺德开关厂有限公司

表2 机械特性 灭弧，用 SF 气体作为外绝缘的结构形式。

1 主要技术参数

以40.5 kV/1250 A/25 kA 典型方案为例，电气参数 如表 1 所示，机械特性如表 2 所示。

表1 电气参数

2 结构设计及工作原理

真空断路器采用模块化设计，复合一体式结构，一 次部分置于密封气室内，以低压力的 SF 气体作为绝缘

介质，以达到小型化的目的。真空灭弧室组装在绝缘筒 内，三相水平卧式排列，方便与隔离开关的组合布置。 密封门作为安装基础，利用 O 形密封圈完成与气室的静 密封配合。操动机构外挂在密封门上，通过波纹管组件 实现分合闸运动的传递和动密封。断路器在合闸位置时 主回路电流路径按 I 箭头方向，如图 1 所示。

2.1 绝缘筒装配

断路器的灭弧室借用国内最新设计的一种小型化产 品（用 SF 气体代替原设计的固体外绝缘），分 A 、B 、C

相单独装入绝缘筒内，静端通过后出线座固定在绝缘筒 上，动端采用锥面接触形式通过导电夹、软连接和下支 架连到下出线座上。下支架一端依靠绝缘筒内壁中的沉 孔实现定位。灭弧室动端导电夹通过绝缘拉杆与波纹管 组件一端连接，最终借助机构的前后动作实现正常的分 合闸。

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图2 绝缘筒装配

图3 波纹管组件

图4 操动机构

2.2 波纹管组件

如图 3 所示，经过多方调研，决定采用国际新流行 的金属波纹管设计结构。应用密封焊接技术，把传递直 线运动的中间杆通过不锈钢薄壁波纹管与安装法兰焊接 为整体，从而将运动密封转变为法兰面与不锈钢充气箱 体之间的端面静密封，普通的 O 形密封圈结构就可以实 现。因为结构上的类似，它的运行可靠性来源于国内真 空灭弧室专业生产厂家成熟的焊接技术，寿命情况与灭 弧室也完全匹配。 2.3 操动机构

操动机构如图 4 所示。 2.3.1 总则

弹簧储能型操动机构，借用了市场上大面积使用的 12 kV VS1 型真空断路器的设计原理，在相间距、拐臂 输出形式、分合闸结构和输出功大小等方面做了相应的 调整和优化，零部件通用化程度高，可靠性有保证，制 造成本低。

整个机构分为机械传动、弹簧储能、闭合脱扣、断 开脱扣、电器控制及机械联锁等部分。各部分的零部件 直接安装在机构框架的隔板上，合理分布，对维修、调 整和保养十分有利。

2.3.2 机械传动

为凸轮驱动的双四连杆机构，储能弹簧瞬间释放所 产生的能量经过滚轮撞击拐臂（第一个连杆机构）传递 到主轴上，固定在主轴上的三相输出拐臂的旋转运动通

过第二个连杆机构转化为带动灭弧室动触头作水平方向 的前后运动。

2.3.3 弹簧储能

采用蜗轮蜗杆及链轮传动，手动和电动操作之间的 配合和转换利用单向离合器（单向轴承），可靠性高，安 装调整方便，并设有储能状态指示牌和反映储能状态的 辅助开关。 2.3.4 闭合脱扣

具有手动和电动操作功能，脱扣功小，利用脱扣装 置的动作，接触对储能弹簧的约束，以达到快速闭合的 目的。还具有闭合后再合闸、防跳跃（配置必要的继电 器）和低压闭锁等功能。 2.3.5 断开脱扣

具有手动和电动操作功能，经过优化设计后的二次 脱扣系统，脱扣功非常小，还可以安装 1 ～3 只过电流 脱扣器（可选件）。 2.3.6 机械联锁

除满足正常的断路器内部操作联锁要求外还增加了 与三工位开关间的联锁功能。

1）当三工位开关操作手柄插入时，不能手动或电 动闭合断路器。

2）只有当三工位开关在某个确定的位置（即“合 闸”、“隔离”、和“接地”）时，才能进行断路器合闸操

s

L 2′

2

L 2

2

α

O 2

L 3

3

2 D

α1 L 1

1

D 1 O 1

为断开状态 为闭合状态

图5 四连杆机构

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作。

3）只有断路器处于分闸状态时，才能手动或电动 操作三工位开关。

4）只有断路器处于分闸状态时，才能插入三工位 开关操作手柄。

静密封全部采用 O 形圈结构， 螺纹不通孔作螺栓联 接用。

3.5 操动机构中的四连杆机构

3.5.1 设计基本要求 输出行程（水平方向）

s ＝ 22 mm 。

输出行程极限 s max

＝ 24 mm 。 3 主要零部件设计

3.1 绝缘拉杆

考虑沿面爬距，总长度取 140 mm ，超程弹簧应满 足触头合闸接触压力的要求，选用碟形弹簧 31.5 mm × 16.3 mm × 1.75 mm 。最小壁厚 10 mm ，为防止局部应 力集中，表面的最小过渡圆角为 R 5。中间加强肋设计为 十字交叉型，厚度取 8 mm 。 3.2 绝缘筒

环氧树脂浇注而成，为减少模具的重复投入，绝 缘筒设计成与西门子公司 V S G 36031 型同类真空灭 弧室的通用安装尺寸。不通孔型结构，最小内径 144 mm ，壁厚 8 mm 。灭弧室静端与绝缘筒尾端的金属 嵌件（长度方向尺寸有两种规格）螺纹连接。中、后 部各有一个凸台，作为断路器出线和三位置开关安 装之用。 凸台中间位置及对应面上开设有散热槽， 形成内部的热对流通道。 靠近安装基准的上方有一 个 50 mm × 50 mm 的四方孔，是预留给绝缘拉杆 和波纹管螺纹联接用的扳手空间。 产品浇注工艺要 严格控制，制件内部不允许有缩孔、裂纹以及应力集 中等缺陷，抗拉强度≥55 MPa ，抗弯强度≥100 MPa ，SF 气

体环境下的局放≤ 5 pC 。而在绝缘结构方面主要考虑 了以下两方面。

1）在灭弧室动端对应的内壁表面布置一层金属网， 对该部分的复杂电场进行适当的屏蔽。

2）绝缘筒尾端设计成“半屋檐”结构，以增大灭 弧室静端出线与三位置开关 L 形安装板之间的沿面爬距 （断路器分闸状态下相当于多了一个隔离断口）。 3.3 波纹管组件

借用真空灭弧室内波纹管材料（0.1 mm 不锈钢 1Cr18Ni9），长度方向 24 圈，波距 3.8 mm ，压缩行程＞ 24 mm ，动作寿命 2 万次，法兰端面上开有 O 形密封槽。 3.4 密封门

为减轻重量，材料选超硬铝 7A04 ，板厚 22 mm ，

为降低分闸能量，合闸位置时主动臂应接近但不能 达到“死点”。

3.5.2 设计结果（如图5所示）

其中，连杆长度：L 1 ＝ 65 mm ，L 2 ＝ 100 mm ，L 3 ＝ 114 mm ，L 2 ＇＝ 90 mm 。

轴销 O 1 、O 2 间的距离：D 1 ＝ 100 mm ，D 2 ＝ 160 mm 。

输入角度α 1 ＝ 33.5°。 输出角度α 2 ＝ 14.1°。 3.6 分闸弹簧

采用螺旋压缩弹簧结构，每相由两个旋向相反 的大、小簧嵌套布置，按 2 级标准设计， 两端并紧 磨平。

3.6.1 小分闸弹簧（如图6所示） 有效

圈数 n ＝ 15；