弹簧操动机构在真空断路器应用

随着真空断路器的迅速发展,对配套用的操动机构提出了更高的要求。最早用的电磁操动机构，因合闸电源功率大，投资大，断路器合分速度偏低，逐渐被合闸电源功率小，输出特性与真空断路器相匹配，机械寿命长的弹簧操动机构所代替。
最早设计的CT8弹簧操动机构专门为少油断路器而设计。经完善改进的CT10、CT12机构，原理上与CT8相同，结构相似，仍然存在着与真空断路器不相匹配的缺点。
为了满足真空断路器的需要，提高运行可靠性，根据真空断路器的机械特性要求，相应研制开发了CT17、CT19类型的弹簧操动机构。CT17和CT19储能原理相同，驱动和脱扣系统相近，只是结构布置两样。现以CT17为例，对真空断路器应用中出现的问题进行分析，提出解决方案。
二 CT17与CT10弹操机构在真空断路器应用中性能的比较。
CT10是最早期经完善改进用于35kV真空断路器的弹簧操动机构。由于它储能方式为棘轮结构，运转时承受冲击负荷，这样要求机械强度高，运行噪声大，使用寿命短。CT17机构吸收了CT10的优点，再储能原理上实现了突破。采用了机械传动系统中最简捷，性能可靠的齿轮传动方式，已根本上改变了原有的不足。使其传动平稳、噪声低、寿命长、输出特性与真空断路器相匹配。现将二者性能列序比较如下：
1 合闸功
CT10为400J；CT17-35为350~500J，连续可调，能满足不同的断路器对输出功的要求。
2 机械寿命
CT10为2000次；CT17-35为10000次
3 安装方式
CT10合分电磁铁可自动复位，机械输出轴偏后，机构可以朝任意方向安装。常用的有正装、倒装，适应不同断路器的要求，方便灵活。
4 储能系统
CT10储能系统为棘轮棘爪形式，储能时棘轮棘爪受冲击负荷，振动大，噪声大，易打齿，易磨损。系统效率低，要求功率大，一般为600W。经常储不上能，容易烧损电机。
CT17-35采用齿轮传动，性能平稳，效应提高。储能可靠，噪声低。使用由机动率小，为200W。
5 驱动系统
CT10的驱动系统为单边铰链，受力不对称，不均匀；CT17-35采用对称铰链，受力均匀，效果好，磨损小。
6 脱扣系统
CT10分闸脱扣系统采用半轴搭扣解锁形式。而合闸脱扣系统为圆弧B锁门，合闸脱扣系统环节多，需用的合闸电磁铁能量大，合闸电流不小于9A。合闸控制必须采用接触器。运行用拒合、误合现象时又发生。
CT17-35合分脱扣系统全部采用半轴搭扣解锁形式，合分闸所需功率低，合分闸电磁铁能量小，电流小。合分脱扣系统直接用辅助开关实现，不必另加接触器。合分扣结牢靠，解锁方便，不易发生拒动或误动。
7 辅助开关
CT10输

出轴转角大，辅助开关连杆接近死区，有时出现反转，运行中易发生拒分据合现象。
CT17-35输出轴转角较小，辅助开关连杆运行在力角度范围，不易发生上述问题，CT17-35的辅助开关转角连续可调，易调列最佳状态。
8 行程开关
CT10采用常规LX型行程开关。加上电机电流大，开关结点容易烧坏。
CT17-35采用特殊结构的LXW型行程开关，节点容量大，还配有直流灭弧装置，灭弧效果很好。运行可靠性高。
9 负载性能
CT10机构专为少油断路器设计。用于真空断路器时，负载匹配不好，有时合闸不到位。
CT17-35机构专为35kV真空断路器设计，负载匹配好，合分速度偏高还省力。加上CT17-35机构合闸弹簧连续可调，输出功在350~500J之间，适用范围广。即可用于户内亦可用于户外。
10 欠压脱扣方式
CT10欠压脱扣组合系统为机械式的，安装调试不方便。
CT17-35欠压脱扣组合为电器式，结构简单，安装调试方便。性能优越，运行可靠。具有明显的特点，深受用户欢迎。
三 弹簧操动机构的安装使用
文献中已经明确给出了CT17弹簧操动机构的安装要求，方法和调整顺序。指出CT17-35安装就位后，一定要在储能分闸状态下，用连杆将机构输出轴上的拐臂与断路器转轴拐臂连接起来，呈垂直自由状态。即左右前后上下都有一点活动空隙。用手轻微点动，感到灵活自如。但用户因不了解弹簧操动机构的性能，也不详细阅读使用说明书，怕储能后弹操机构释能，造成人身设备意外损伤，就在未储能状态机械人为地分闸，将连杆连接起来，这样连杆长度不一定合适，分闸也不一定到位。在储能合闸中，容易发生“空合”。用户误以为是机构工作不可靠，实质是断路器没有调好，机构工作状态不对引起的。应重新调整。这种问题后面专题叙述。
实际使用中也出现过安装基面不平稳，引起机构夹板扭曲变形，致使合闸挚子轴或分闸半轴转动不灵活，发生弹簧储存能量保持不住的问题。断路器合分运转中，机构输出拐臂与断路器拐臂上接点运动轨迹为圆弧,之间距离不是一个常数。因此连杆运动不再一个平面内。除要求连杆承受弯曲应力外，还要在两端装关节轴承，解决空间传动问题。有些用户仅用销轴连接，必然引起传动不平稳，中间卡滞，断路器特性变化。
机构安装好后一定先手动合分，待正常运转后再通电试验。防止出现问题，带来不必要的损失。
四 机构实际使用中问题的分析
在真空断路器中，无论是10kV或35kV电压等级，其操动部件是不可缺少的部件。它的特性直接影响着断路器的可靠性和机械特性。一般人只注重断路器的合与

分状态，不注重于操动机构的配合特性，往往造成“大马拉小车”，这是不合理的，也是不科学的。
文献中给出了弹操机构与断路器之间的匹配要求和方式。操动机购是断路器的主动部件，真空灭弧式及传动件是被动部件。操动机构的合分要与断路器从合到分的行程相协调。过大过小均为匹配不合理，这在断路器设计中要彻底解决。
下面对安装和维护使用中用户碰到的几个问题给与分析。
1 “ 空合”与“合空”现象
这在设备调试中，经常遇到的情况。“空合”就是弹操机构与断路器本体连接后，当储能合闸时，弹簧能量释放，本应转化为断路器的合闸功，但由于断路器上传动部件没有移动，实为虚过程。把这种现象称为“空合”。
下图给出机构正装时，传动部件的单线示意图。这种安装，机构从分到合，连杆AB始终受到拉力作用。我们将连杆受压力作用的安装方式，称为反装。A图为不正确连接。因AB过长，迫使弹操机构运行角度小于它设计要求的最小限度40°。与B的连接空间的连杆CDEF中C点不能到位。从机构正面看，扇形板藏匿在分闸的半轴内，习惯上称作复位不彻底。当储能合闸时，尽管弹簧收缩，能量释放，合闸凸轮不能使C点位移，与CDEF相连的G点尚未转动，AB杆未受力作用，而发生断路器大轴H没转动的“空合”。
在B图中，AB杆缩短以后，在分闸状态下，C点后移到位，空间的连杆CDEF的F点，使扇形板能离开分闸半轴S距离。S大小与机构的机械零件尺寸和装配有关，一般在2~5mm范围。储能合闸时，合闸凸轮驱动空间的连杆CDEF中C点后移，将扇形板死死的锁扣在分闸半轴上，保持断路器的合闸状态，完成了整个从分到合的过程。
解决这个问题的办法很简单，调节连杆AB的长短，使C点到位，进入合闸凸轮K的凹槽内。在储能分闸状态下，AB长度适合，扇形板离开分闸半径M有-S距离。此时AB杆不受力，呈自由状态。这里需要指出的是，用户将AB杆连好后，调断路器参数压程的大小，改变AB长短来完成。这不仅合理，难免出现机构工作状态不对，断路器发生“空合”与“合空”实质上不一样。空合是连接不当造成的，机构本体没问题。合空是机构本身的问题，是指弹操机构在合分储能时，输出轴及其拐臂超过连杆，带动了断路器动的运动，合闸到位,由于某种原因,在合闸时没有保持住。瞬间完成了分闸操作。整个过程为合分操作。
这里要指出的是，机构在储能过程中，能量保持不住，这与合空又不是一回事。
造成合空的原因较多，如在机构合闸过程中，因合闸凸轮与轴上部见的旋转碰撞了分闸半轴或者扭簧，储能

弹簧收缩摆动，碰撞了顶板，都会造成锁扣解除。
解决合空问题要详细观察合闸过程运动状况，当用手轻轻触摸分闸半轴时，在合空过程中，就有转动感觉。检查后予以排除。
储能保持不住是合闸挚子上的偏心圆由于装配或热处理硬度不够，其偏心距减小，导致其工作不正常。
例如：挚子轴生锈，或者安装面不平。紧固后使侧板扭曲造成转动不灵活。检查挚子轴转动灵活否，不能储能，机构处于自由脱扣状态，用手旋转挚子轴，看是否复位。如果挚子轴转动不灵活，要将侧板紧固件松动，留有间隙，就解决问题。
2 断器开距与压程的调整
弹簧操作机构中储存的能量，在合闸过程中，一部分为断路器的合闸功，另一部分用于克服传动部件的摩擦力，将储头簧予压，分闸弹簧拉伸，为分闸做准备。
图中这种连接方式，单纯用调节连杆改变断路器的开程和压程大小不能达到最好的配合。必须使弹操机构合分正常，再改变油缓冲器的位置和断路器绝缘拉杆长短，调节最佳机械特性参数。
图中连接方式，拉杆放短，迫使机构合闸角度变大，从而使断路器压程变大。如机构倒装，拉杆放长，压程变大。
用户实际调试中，多用改变连杆长短满足压程要求。这在一定范围内起作用。超出这个范围，有可能压程过大，机构合闸功不够，或者发生另外的问题。机构运行角度过小，工作状态不对，带来空合。如果机构工作状态不对，断路器也无法运行。断路器如果合分不到位或特性调不出，不等于机构有问题。当机构空合或合闸不到位时，首先检查断路器有无卡滞。或者没有调号参数。千万别鲁莽从事，造成不必要的麻烦。
3 合闸速度的调整
无论是户内户外断路器，都将分闸弹簧装在断路器的输出转轴上，分闸过程无论电动或手动，都使机构上的分闸半轴解扣。靠分闸弹簧的收缩力，将断路器动触头从静触头上分离开来。分闸速度主要取决于分闸弹簧的力量大小。当然，传动部件对它也有影响，但不是主要的影响。
分闸速度过高，分闸弹簧特性过硬，也就是在拉伸后力量过大，应更换特性软些的弹簧，也可松动分闸簧，使它的拉力变小。在分闸速度调不好，要调和闸速度是徒劳的，因为它相互影响。
分合速度调好后，合闸速度的高低，取决于合闸功的大小。合闸功大，合闸速度高。
合闸速度与分闸速度的调整要反复多次进行。在其他参数不变的情况下，分闸速度提高，合闸速度自然降低。
这里要指出的，上述方法是速度的微调。要改变合闸速度的数量级，主要是改变弹操机构合闸凸轮的曲面形状。如果合

闸速度偏高，单纯减小合闸功，有时会合闸不到位。这就要与机构制造厂协商。合闸不到位，测量的合闸速度毫无意义。
在机构制造时，已考虑到不同断路器的工艺装配差别，将合闸弹簧做成可调的。调整好后，将螺母锁紧，特性参数就固定了。
合闸不到位，启动电机进行储能，因为在负载下通电，有损于电机。机构设计中，考虑到空载下启动，并在二次回路中加以保护。
4 合分闸时间的调整
断路器固有分闸时间是直接到分闸指令瞬间到所有极的触头分离瞬间的时间。
标准中给出固有分闸时间和合闸时间是“断路器及其操动机购在额定操作电压或者压力下的机械特性”。
固有分闸时间是与机构执行命令的分闸脱扣器及其传动系统有关。分闸脱扣器的动作时间由电磁铁特性决定，而且是主要的。机构的分闸半轴扣接量大小，复位扭簧和断路器的传动部件，都对分闸时间有影响。单一从脱扣器上调试这个参数，很难达到满意的效果。
一般机构在出厂试验中综合调试，达到技术条件的要求。机构出厂后，与断路器相连接，由于断路器本体的分散性，必须重新调整。现场调试多采用改变分闸半轴扣接量的大小来进行。这里要指出的是，半轴扣接量小，固有分闸时间短，但可靠性相对降低，分闸半轴的机械损伤变大。技术要求，扣接量不能小于2mm。
如果调节分闸半轴搭扣量大小，还满足不了固有分闸时间的要求，就要进一步改变电磁铁动顶杆到分闸顶板的距离（也就是动铁芯开始运动的空程）。距离小，时间长。注意这种方法同时影响到低电压的分闸特性。
当然改变断路器本体的传动特性，也影响分闸时间的大小，详见有关资料。
断路器合闸时间的调节，与固有分闸时间雷同，只是在合闸半轴及其相关部件上进行。
5 弹跳与反弹
断路器在合闸完成后，由于动静触头的冲击碰撞，传动触头在反力作用下发生弹跳。弹跳加速触头烧毁，由不利于断路器灭弧。为此，在技术条件中作了严格的规定。
合闸功过大，必然动静触头接触冲击力大。调整弹操机构的合闸弹簧拉伸大小，自然对弹跳由影响。但要保证合闸到位。
为了吸收断路器合闸后触头上的传动能，保持对接式触头的良好导电性，在断路器动杆设计中增加了触头压力簧，使动触头可靠接触，防止弹跳时瞬间短路电流引起触头的熔焊。触头压力簧又能增加触头磨损后的接触可靠性，进一步提高触头寿命。这里要说明一点，单靠增加压力簧压力，不一定解决弹跳大小，有时调整一个静触点的固紧螺丝，也能起到预期的效果。因为接触与许多因

素有关。
断路器在合闸时引起弹跳，在分闸后也带来反弹。反弹时值取决于分闸力量。油缓冲器及橡皮垫块的特性，严格的调试和装配工艺都会使反弹达到最小。
6 合分闸电磁铁线圈及储能用电机烧损问题的分析
合分闸电磁铁线圈及储能用电机烧损多发生在设备安装调试阶段，究其原因，本体质量是一方面的原因，更重要的是使用不当引起的。
合分闸电磁铁线圈设计裕度大，经过了严格的工艺过程和试验，其特性符合技术要求，并在多台一万次型式试验中，经受过考验。然而在断路器的安装调试中，经常碰到。查其原因，有诸多方面情况：
弹簧操动机构靠储存的弹簧能量进行断路器的合闸。当没有预先储存能量进行合闸电动操作时，机构组合开关不能合分转换，合闸线圈长期带电，必然烧坏。因为合闸电磁铁设计是短时工作制。这种操作实质上属于错误的过程，在规章中绝对不允许。
在二次操作电路中，通常加有储能连锁接点，保证误操作时，合闸线路不通，也不能烧损合闸线圈。但在实际使用中，由于中间继电器接点容量不够，粘结在一起，起不到断开的作用而烧毁。有的二次线路中不设置这一对接点，自然发生烧毁事故。
二次线路中有时一点接错，没有查出，再通电运行中，必然引起烧毁。为什么在调试现场，经常发生烧毁，投入运行时就很少发生，原因自然清楚。线圈烧毁时，一定要查清原因，进行分析，在处理更换，否则换一只，烧一只。
储能电机的烧损，我们也进行了事故解剖。发现部分引线接点绝缘烧坏，或者离对壳距离不够带来的。电机本身已经改进，特性提高。但还有很大部分是由于匝间击穿，输出功不够，运行发热导致的。尽管电机采用高强度漆包线烧制，经过严格的工艺处理，但在实际使用中还发生这种事故，经测试分析，发现二次线路的电源切换过电压对电机危害很大。特别是蓄电池供电的直流电源。建议在二次电路中，给电机电源入口增加过电压吸收装置，效果很好。
过电压吸收装置常用三种。一种是反向二极管并接电机两端（要注意方向性）；第二种是串线性电阻或压敏电阻；第三种是RC吸收装置。哪种效果好，取决于实际调试。
用户还反映，有的行程开关，切断电源不彻底。这种情况只要将行程开关两端接线头调试方向，重新接入就能解决。原因是行程开关内装熄弧瓷片，具有极性效应。如果接反，熄弧效果差。