弹簧机构在真空断路器中的应用

弹簧机构在真空断路器中的应用

摘要：近年来，弹簧机构在高压断路器中的应用越来越广泛，主要应用于10kV～220kV电压等级。本文中主要介绍了弹簧机构的组成、特点和分类，以及弹簧机构在高压真空断路器中的应用。

关键词：弹簧机构；高压断路器；电压等级

1 弹簧机构的组成

弹簧机构是指利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。主要由储能机构、电气系统和机械系统三部分组成[1]。

储能机构包括储能电动机、传动机构、合闸弹簧和连锁装置等，在传动轮的轴上可以套装储能的手柄和储能指示器。全套储能机构用钢板外罩保护或装配在同一铁箱里。

电气系统包括合闸线圈、分闸线圈、辅助开关、连锁开关合接线板等。机械系统包括合、分闸机构和输出轴（拐臂）等。

2 弹簧机构的特点

弹簧机构的优点[2]：（1）速度快，能快速自动重合闸，可以缩短断路器的合闸时间；（2）操作电源容量小且交直流都可使用，暂时失去电源仍可操作一次；（3）根据需要可构成不同合闸功的操动机构，可以配用于10μ～220KV各电压等级的断路器；（4）不需要大功率的储能源，紧急情况下也可手动储能。所以独立性和适应性强。（5）成套性强，不需要配置其他附属设备，不受环境温度的影响；

弹簧机构的缺点：结构较为复杂，强度要求高，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。

3 弹簧机构的分类

3.1 弹簧机构的经典类型

图1A为分合闸弹簧同时储能的弹簧机构示意图，分闸弹簧一端为固定端，另一端与合闸弹簧一同固定在储能杆上，合闸弹簧另一端与断路器运动元件相连，储能时分合闸弹簧同时储能。合闸操作时合闸掣子打开，合闸弹簧释放能量；分闸操作时分闸掣子打开，分闸弹簧释放能量。此结构弹簧机构由于合闸弹簧释能后，不能立刻储能，所以不能进行重合闸操作。这类弹簧机构应用于早期柱上开关。

图1B为分合闸弹簧分别固定的弹簧机构示意图，合闸与分闸弹簧分开为两体，合闸掣子打开后断路器合闸，同时给分闸弹簧储能，合闸弹簧释能后立刻再次储能，预备下次合闸，该类弹簧机构可实现重合闸操作，是目前应用最广的一种弹簧机构。

3.2 按储能弹簧形式分类

弹簧机构的储能弹簧主要有三种形式：

（1）压簧。是利用动力压缩而产生，通过机械力释放被压缩的能量；压簧在缠绕时，各圈之间应预留一定间隙，工作时主要受压力。弹簧两端的几圈叫支承圈或叫死圈。如：LW25-125（合闸）等型号。

1）涡轮蜗杆式操动机构[3]：是利用电动机动力使涡轮与连杆转动压缩弹簧，从而实现储能；多用于GIS设备隔离开关。

2）液压-弹簧操动机构：它是利用碟簧替代氮气，通过液压油传递将蝶形弹簧压缩储存能量；如：LW10B-252/CYT、ZF11-252（L）等型号。

（2）拉簧。拉簧采用密绕而成，各圈之间不留间隙。弹簧两端一般采取加工成挂钩或采用螺纹拧入式接头，当采用拧入式接头时，凡是接头拧入的圈数都叫作死圈。死圈一般不得少于3圈。如：LW8-40.5（分、合）、ZN28-12（合）、ZN65-12（合）等型号。

（3）扭簧。要制造储存能量大的扭簧，加工比较困难，材质要求比较高，所以目前国产弹簧操动机构还未采用过这种形式，国外已经大量采用。如：ABB 设备。

4 弹簧机构在真空断路器中的应用

4.1 真空断路器合闸的反力特性

反力特性是指合闸过程中，从断路器的驱动端看进去，需要克服的各种阻力（包括弹簧的反作用力、磨擦力、电动力和惯性力等，如图2，真空断路器合闸的反力特性[4]。

纵坐标表示力F，横坐标表示触头的移动距离。A点表示刚合点，OA表示开距，AB则为触头合闸弹簧的接触行程。abc直线为断路器分闸拉簧的拉力特性，Oa为该簧的预拉力。合闸时，前一段仅有分闸拉簧的反力ac。当触头距离运动到A‵点，因高电压作用产生预击穿，出现预击穿电流，产生电动斥力，c 点突升到d点。触头继续运动，de线段是电动斥力与拉簧反力之和，de平行于acb。动触头到达刚合点A后，触头合闸弹簧的预压力突然起作用，使e点突升至f点，随后接触行程继续行进，f点移向g点，fg线为分闸拉簧反力与合闸压

簧反力之和。到达B点，合闸过程即告结束。

折线acdefg即为合闸全过程的反力特性，它与横坐标之间的面积，即为断路器所需的合闸功。操动机构需提供大于此值的功，断路器方能完成合闸动作。

4.2 弹簧机构的出力特性

弹簧机构的出力特性基本上就是贮能弹簧释能的下降特性，见图3。它不能匹配真空断路器的反力特性。为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性变换，有的还故意加入重块零件利用惯性来改善特性，使下降特性更趋平坦（曲线b）甚至上翘（曲线c）。不管如何总不能改善到与电磁机构输出相仿的地步。合闸初始阶段的富余能量将用于加速，这将造成合闸的冲击和震动。

5 总结

由于弹簧机构符合电力无油化作业的要求，随着弹簧制作工艺的提高，以及高压断路器设备的结构设计更加合理，弹簧机构在高压断路器设备中的应用越来越广泛，弹簧机构的正确合理维护对于高压断路器的正常运行具有非常重要的作用。

参考文献

[1] 上海超高压输变电公司编.变电设备检修.北京：中国电力出版社，2008.2.

[2] 国家电网公司人力资源部组编.变电检修（上、下册）.北京：中国电力出版社，2010.12.

[3] 郭贤珊编.高压开关设备生产运行实用技术.北京：中国电力出版社，2006.

[4] 河北省电力公司组编.变电检修现场技术问答.北京：中国电力出版社，2013.