畢業(yè)設計論文110KVSF6高壓斷路器棘爪式儲能傳動模塊設計

1、學號 1404111224畢業(yè)設計（論文） 題目： 110kv sf6 高壓斷路器棘爪式 儲能傳動模塊設計 作 者 屆 別 2008 屆 系 別 機械與電氣工程系 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化 指導教師 岳 職 稱 副教 授 完成時間 2008年5月20日 摘 要隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，sf6 斷路器以其優(yōu)越的性能，在電力系統中得到了廣泛的應用，對電力系統的安全可靠、穩(wěn)定運行起到了重要的作用。彈簧操動機構是高壓斷路器中應用最廣的一種操動機構，本設計是在詳細了解和掌握高壓斷路器以及彈簧操動機構的棘爪式儲能傳動方式的工作原理后，在它們技術要求的基礎上，對 ctb 型彈簧操動機構的棘爪式傳動部分

2、進行模塊化設計，以達到降低彈簧操動機構的制造成本，提高互換性，便于安裝調試、維修檢測的目的。關鍵詞：高壓斷路器； 彈簧操動機構； 貯能； 棘爪式； 設計abstractabstractwith 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

3、 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 requi

4、rements, 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.keykey words:words: high voltage circuit breakers； spring mechanism ； p

5、awl type； design目目 錄錄摘 要 .iabstractabstract .ii1緒論.12、高壓斷路器 .22.1 高壓斷路器的功能 .22.2 高壓斷路器的結構 .22.3 高壓斷路器的動作 .32.4 高壓斷路器的負載特性 .53 sf6 斷路器.63.1 sf6 斷路器的滅弧原理和滅弧性能.63.1.1 sf6 斷路器的滅弧原理.63.1.2 sf6 斷路器的滅弧性能.63.2 sf6 斷路器的外型分類.73.3 sf6 斷路器的發(fā)展趨勢.83.4 sf6 斷路器的特點.94 操動機構 .94.1 操動機構的基本結構：.104.2 高壓斷路器對操動機構的要求 .104.3

6、 彈簧操動機構的特點 .124.4 ctb 型彈簧操動機構的基本結構和工作原理.125.ctb 型彈簧操動機構整體設計方案.145.1 總裝配圖.145.2 各模塊的設計及功能.155.3 各模塊的結構方式與工作原理 .155.4 各模塊的連接尺寸 .196 棘爪式儲能傳動部分的設計 .196.1 棘爪式儲能傳動部分工作原理 .196.2 棘輪機構的幾何參數和設計要點 .206.3 棘爪儲能傳動部分設計方案.226.4 棘爪儲能傳動部分主要零件的強度校核：.226.4.1 儲能模塊的箱體連接螺栓強度效核.226.4.2 偏心軸兩端軸承強度校核:.246.4.3 偏心軸的強度校核 .257.結語

7、.27參考文獻 .28謝辭 .29附錄：棘爪儲能模塊裝配圖和儲能模塊箱體圖 .291緒論電給人類帶來了光明，而高壓開關則在黑暗與光明之間為人類架起了一座安全可靠的金色橋梁。電力工業(yè)的發(fā)展對推動國民經濟的發(fā)展和社會的進步起著非常重要的作用。國家歷來非常重視電力工業(yè)的發(fā)展。據1994年統計，全國發(fā)電機裝機存量己接近2億千瓦，為世界第四位，跨入了世界電力大國的行列。電力工業(yè)的發(fā)展需要大量高質量的電器設備。特別是高壓斷路器又是電力系統中最重要的控制和保護設備之一。我國電力工業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展，帶動了電網建設，為高壓開關制造業(yè)提供了極好的發(fā)展機遇。近年來,我國高壓開關制造業(yè)呈現出快速發(fā)展的勢頭，已形成相當

8、大的規(guī)模。根據對2005年高壓開關行業(yè)主要生產企業(yè)(308家)的統計資料，全年完成了工業(yè)總產值660.37億，主營業(yè)務收入584.29億元，工業(yè)增加值171.01億元，實現利潤總額49.41億元。2005年統計的308家企業(yè)中工業(yè)總產值(當年價)超過億元以上者有137家(上年只有118家)，其中工業(yè)總產值10億元以上者有14家，5億元以上者有31家。全員勞動生產率10萬元/人以上者有114家，5萬元/人以上者187家，都比往年有所提高1。高壓開關行業(yè)出現了良好的走勢，如此巨大的市場，不可避免地引發(fā)全球高壓開關制造商的同臺競爭，而且，這種競爭日益顯現出加劇趨勢。目前，我國的高壓開關設計和制造水平

9、，相比世界先進水平還有差距，只有加強技術創(chuàng)新和自主開發(fā)能力，才能趕上世界水平2。高壓斷路器是指額定電壓為3kv及以上主要用于開斷或關合電路的高壓電器。高壓斷路器在高壓設備中是一種最復雜、最重要的電器，在規(guī)定的使用條件下，可切合正常運行條件下的負荷電流；在短路故障情況下，在繼電保護裝置的作用下，自動切斷短路電流。在高壓供配電系統，切斷短路電流時，要產生強烈的電弧，所以高壓斷路器必須具有可靠的滅弧裝置。高壓斷路器是一種能夠實現控制與保護雙重作用的電器 。彈簧操動機構是高壓斷路器的重要組成部分，彈簧操動機構是利用已儲能的彈簧為動力，來實現斷路器的分合閘操作。彈簧儲能是一種可靠的儲能方式，儲能的彈簧可

10、隨時準備動作，并滿足斷路器開/合所需要的足夠能量。彈簧操動機構是高壓斷路器操動機構中最常見且使用最廣的形式之一，棘爪機構具有結構簡單，制造方便的特點。本設計是在詳細了解和掌握高壓斷路器以及彈簧操動機構的棘爪式儲能傳動方式的工作原理后，在它們的技術要求的基礎上，對 ctb 型彈簧操動機構的棘爪式儲能傳動部分進行模塊化設計，以達到降低彈簧操動機構的制造成本，提高互換性，便于安裝、維修、檢測的目的。2、高壓斷路器2.1 高壓斷路器的功能斷路器是開關電器中極為重要的一種電氣設備，是電力系統輸配電裝置中必不可少的元件，正常運行時可用它倒換運行方式，把設備或線路投入電路或退出運行，在這里斷路器對系統起控制

11、作用，當設備或線路出現故障時能快速切除以保證無故障部分正常運行，在這里斷路器對系統起保護作用，即斷路器在電力系統中肩負著控制和保護的雙重任務，從高壓斷路器所擔負的任務可見它工作的好壞直接地影響到電力系統的運行安全。斷路器必須具有的基本功能如下所述3:1關合狀態(tài)時應為良好的導體:不僅對正常電流，對于短路電流也應能承受其發(fā)熱和電動力的作用;在開斷狀態(tài)時具有良好的絕緣性，在清潔和污穢兩種狀態(tài)下，皆能承受對地及同相端子間的電壓；2. 在關合狀態(tài)的任意時刻:應能在不發(fā)生異常電壓的情況下，在盡可能短的時間內開斷額定電流及以下的電流；3. 在開斷狀態(tài)的任意時刻，應能在斷路器觸頭不產生熔焊的情況下，在短時間內

12、安全地關合處于短路狀態(tài)下的電路；4. 在電力系統發(fā)生短路故障時能將故障部分及時從電力系統中切除，盡可能縮短斷路器切除故障的時間，以減輕短路電流對電力設備的損害，提高電力系統的穩(wěn)定性；5. 能夠配合自動重合閘進行多次關合和開斷，以提高系統的穩(wěn)定性和供電的可靠性。2.2 高壓斷路器的結構 高壓斷路器的結構，原則上可以分為四個部分，即導電回路、滅弧裝置、絕緣與支撐系統和操動機構3。另外還包括傳動裝置和控制系統等部件。工作時，由彈簧操動機構帶動斷路器開關進行開/合閘操作。sf6 斷路器的滅弧裝置與其它斷路器比較有較大的差異，而其余幾個部分與其它斷路器大致相類似。sf6 高壓斷路器其基本結構如圖 2.2

13、 所示圖 2.2 sf6 斷路器高壓斷路器的基本結構2.3 高壓斷路器的動作由于斷路器是電力系統中的主要保護和控制元件，其動作的可靠性是極為重要的。如果斷路器動作不可靠，將會造成線路事故，給電路系統帶來巨大的損失。高壓斷路器是在電力系統不同工況下進行合分，以保證電力系統可靠供電和切除故障線路。斷路器除單一合閘和分閘外，還要示具有快速的重合閘、重合分和合分動作4。高壓斷路器的基本動作主要有：.分閘 分閘操作是斷路器最基本的功能。由于斷路器分閘，可開斷高壓回路，或切斷負荷電源，或隔斷高壓電源，或切斷故障電源。在接收到故障信號要求分閘時，為滿足滅弧性能要求，應具有一定的分斷速度，使分斷時間盡可能縮短

14、，以減少短路故障存在的時間。.合閘 線路的正常送電，負荷的倒換電壓的引入等都必須由斷路器的合閘動作來完成。合閘以后，斷路器本身就處于警戒狀態(tài)，在它所保護的范圍內出現任何故障，隨時可以受命跳閘。斷路器在合閘狀態(tài)下，必須保證具有足夠的長期通流能力和經受短路電流和電動力作用能力，而這些性能與機構的設計有密切的聯系。若機構設計不當，或操動系統不能制鎖，則在短路電動力作用下，斷路器觸頭會自行脫開；或因機構的輸出力矩不夠，觸頭的輕微熔焊造成斷路器不能開斷，均將釀成事故。因而合閘狀態(tài)下的可靠性亦是十分重要的。斷路器應可靠地關合電路(即使當電路發(fā)生故障時也應如此);在保持一定的合閘速度的前提下，不應出現因操作

15、力、沖擊力過大等原因引起觸頭振動，造成斷路器零部件的損壞。.合分高壓斷路器在合閘過程中可能遇到線路故障(如短路)而要求它立即跳閘的情況，因而斷路器應具有及時跳閘反應的能力，即當斷路器合到底立刻能進行無任何延遲的正常分閘。這種反應能力依賴控制系統和機構傳動系統的適應性。 斷路器合閘之后，立即進行分閘，則線路接通的時間很短。在電力系統中，希望短路合閘時斷路器以最快的動作將短路斷開，以保證系統運行的穩(wěn)定性，因而對斷路器合分時的接通時間，有一定的要求，而此時間稱為金屬短接時間。最短的金同短按時間應由下列部分組成：(1)關合超程時間 合閘過程中，從觸頭剛接觸開始到合到底停止之間的時間。 (2)停頓時間

16、從合到停止到斷路器因執(zhí)行分閘命令而觸動時止的這段時問。(3)逆超行程時間 分閘過程中，從動觸頭觸動到與靜觸頭脫離時止的這段時間。斷路器的金屬短接時間與運行中的繼電保護時間有相互交叉的關系，因而在合分仟務中要確定電力系統承受短路的時間需對設備和保護作詳細的分析才能獲知而且設備的調控必須得當。 4.重合和重合閘在高壓電力系統中常要求斷路器在事故跳閘后進行快速重合閘，以獲得高的系統穩(wěn)定性。這種重合閘往往能排除系統中的一段偶然性的短路事故而獲得成功。但當重合后短路仍末消除時，斷路器在繼電保護裝置的作用下又可立即跳問，這時的操作任務為重合閘，即分閘以后再一個合分，如需再次強送電，則可再沒置一個合分，即為

17、分合分合分，后一個合分前的時延要長些，由具體的系統保護確定。2.4 高壓斷路器的負載特性高壓斷路的負載特性即是斷路器在動作時，壓氣室內氣體對觸頭的壓力隨動觸頭運動行程距離的變化而變化。我們把氣體對觸頭的壓力稱之為負載力，故負載特性可用負載力與行程距離來表示。如圖2.4所示高壓斷路器負載力在斷路器由合閘進入分閘的瞬間,有一個躍變,負載力會突然增大,這是負載特性的主要特點13。 圖2.4 高壓斷路器負載特性曲線3 sf6 斷路器高壓斷路器按斷路器滅弧原理來劃分，有油斷路器(多油和少油)、壓縮空氣斷路器、六氟化硫斷路器、真空斷路器、磁吹斷路器和(固體)產氣斷路器。sf6 氣體具有良好的絕緣性能和滅弧

18、性能，sf6 斷路器是利用 sf6 氣體作為絕緣和滅弧介質，它的應用使高壓斷路器具有尺寸小、重量輕、容量大、成套速裝、維修量少等優(yōu)點，傳統的油斷路器與它無法相比。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，sf6 斷路器作為新技術、新產品以其優(yōu)越的性能，在電力系統中得到廣泛的應用，對電力系統的滿發(fā)多供、安全可靠、穩(wěn)定運行起到了重要作用5。3.1 sf6 斷路器的滅弧原理和滅弧性能3.1.1 sf6 斷路器的滅弧原理sf6 斷路器滅弧原理是當觸頭斷開時,在觸頭間形成高壓氣流,吹滅電弧, 該壓力約為 1mpa1.5mpa。正常時 sf6 氣體作為絕緣介質,其壓力較低,約為 0 . 3mpa0.5 mpa。sf6 氣體

19、在封閉系統中循環(huán)使用, sf6 斷路器配有專用的傳動機構。斷路器分閘時,觸頭帶動活塞壓氣形成高壓 sf6 氣流吹弧;分閘完畢,壓氣停止、恢復低壓。此種結構簡單可靠,使用廣泛。3.1.2 sf6 斷路器的滅弧性能sf6 斷路器的滅弧性能好, 斷口絕緣強度高, 同級電壓所串斷口比少油斷路器或空氣斷路器少。sf6 分解后可復合, 不分解含碳等的有害絕緣物質, 在嚴格控制水分的情況下, 生成物無腐蝕性。sf6 氣體絕緣不下降, 故允許 sf6多次開斷, 檢修周期長。無論開斷大小電流,sf6 滅弧效果均好。s f 6 熱導率高, 允許通過電流大。從表面上看, sf6 斷路器和油斷路器一樣, s f 6

20、氣體也有氣吹的作用, 但其滅弧原理實質上是完全不同的。sf6 滅弧原理是靠等離子體空間提供盡可能多的新鮮 sf6 氣體分子,促進 sf6 分子與電弧的接觸反應。由于電弧引起的電離而產生的導電電子以及被 sf6 和電壓分解而產生的鹵族分子和原子強烈的吸附, 使帶電粒子的移動性顯著降低, 同時還存在復合過程, 使電弧空間導電過程消失得非常迅速。因此, 電弧經過交流電流的零值附近時, 空間電導率變化得非?？臁?這個特性加上 sf6 特異的化學特性, 使 sf6 的電弧芯細而且亮, 電流幾乎都從弧芯通過, 以致在 sf6 中不會因截流而出現操作過電壓。以上兩種特性相輔相成, 使 sf6 具有非常強大的

21、滅弧能力。sf6 氣體因具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能, 20 世紀被成功地應用于高壓電器中,從而引起高壓電器設備的一場大革新6。3.2 sf6 斷路器的外型分類sf6 斷路器從外型結構上可分為瓷柱式 sf6 斷路器和罐式 sf6 斷路器、瓷柱式 sf6 斷路器瓷柱式 sf6 斷路器又稱支持瓷套式 sf6 斷路器。斷路器的外形與壓宿空氣斷路器或少油斷路器極為相似（見圖 3.2 a） 。帶電部分和接地部分的絕緣由支持瓷套承擔。滅弧室安裝在支持瓷套的上部，亦裝在瓷套內，一般每個瓷套內裝一個斷口，隨著額定電壓的提高，支持瓷套的高度以及串聯滅弧室的個數也增加。支持瓷套的下端與操動機構相連。通過支持瓷套內的絕

22、緣拉桿帶動觸頭完成斷路器的分合閘操作。瓷柱式斷路器的特點是裝配成標準的斷口單元后，通過積木式搭配可組裝成各不同電壓等級的斷路器，產品的系列性好，具有單斷口電壓高、開斷電流大、運行可靠性高和檢修維護工作量小等優(yōu)點，是目前使用較多的一種斷路器，但其抗震性能不如罐式斷路器。、罐式 sf6 斷路器罐式 sf6 氣體斷路器又稱為落地箱式 sf6 斷路器，其外形與多油斷路器相似，（見圖 3.2 b） 。滅弧室安放在金屬箱內，箱體是接地的。帶電部分與箱體之間的絕緣由 sf6 氣體承擔。隨著斷路器的額定電壓提高，滅弧室的斷口也隨之增多，為了均壓，每個滅弧室并接了電容器。每個箱體上裝設了兩個引線套管，一般都裝設

23、套管式電流互感器，引線套管內腔亦充 sf6 氣體。罐式斷路器是在瓷柱式的基礎上發(fā)展起來的，它具有瓷柱式 sf6 斷路器的所有優(yōu)點，產品整體高度低，抗震能力相對提高，但造價比較昂貴5。圖 3.2 a 瓷柱式 sf6 斷路器 圖 3.2 b 罐式 sf6 斷路器3.3 sf6 斷路器的發(fā)展趨勢sf6 斷路器的發(fā)展經歷了雙壓式、單壓(壓氣)式、自能(熱膨脹)式幾個階段。 1 單壓式斷路器早期的雙壓式已經淘汰, 而單壓式在國內外已形成 72.5kv800k v 系列產品。單壓式斷路器發(fā)展趨勢是減少斷口數量、 提高經濟效益。目前主流產品是: 2 52kv 以下為單斷口; 550kv 為雙斷口。我國西安高

24、壓開關廠(西開) 和平頂山高壓開關廠 (平高) 已開發(fā)了 550kv 雙斷口產品, 根據三峽等工程的需要開發(fā)了 550k v 單斷口、額定短路開斷電流 6 3ka 等級產品。從單斷口大電流看, 日本 (三菱、 日立、 東芝公司) 等走在了前面,1993 年已開發(fā)出 550 kv , 6 3 ka 單斷口 sf6 斷路器,代表了當前的最高水平。2. sf6 自能 (熱膨脹) 式斷路器單壓式斷路器依靠滅弧室中的壓氣活塞快速壓縮 sf6 氣體形成壓差進行吹弧,因而需要強大的操動機構,不得不采用液壓或氣動機構。然而, 液壓與氣動機構結構復雜, 制造工藝要求高,運行故障率較高, 根據國際大電網會議的調查

25、, 操動機構故障占斷路器故障的 44 %。2 0 世紀八九十年代人們利用電弧燃燒時產生的高溫氣體壓力進行吹弧, 縮小了壓氣缸直徑, 降低了操作功, 從而可以采用彈簧儲能機構提高斷路器可靠性,目前已在 72.5 kv245kv 電壓范圍取得成果。但其彈簧機構能量較小, 斷路器燃弧時間和開斷時間應延長, 所以向高電壓、大容量發(fā)展尚有一定困難。世界各大公司都推出了自己品牌的自能式斷路器, 我國也推出了國產化的新型斷路器。在 12kv4 0 .5kv 中壓領域里,sf6斷路器也從壓氣式向自能式發(fā)展。如上海華通開關廠 (華通) 引進的戶內式 bai 型開關柜 (10kv35kv ) 中用的 hb 型斷路

26、器和西安高壓電器研究所開發(fā)的戶外式 l w8 3 5 型等。與真空斷路器相比, sf6 斷路器具有很低的開斷過電壓。3.4 sf6 斷路器的特點 sf6 斷路器的所以能夠得到廣泛的應用，主要是因為它具有以下特點：（1） 、sf6 氣體的良好絕緣性能，使 sf6 斷路器結構設計更為緊湊，電氣距離小，單斷口的電壓可以做得很高，與少油和空氣斷路器比較，在相同額定電壓等級下，sf6 斷路器所用的串聯單元少，節(jié)省占地，而且操作功率小，噪音小。（2） 、sf6 氣體的良好滅弧特性，使 sf6 斷路器觸頭間燃弧時間短，開斷電流能力大，觸頭的燒損腐蝕小，觸頭可以在較高的溫度下運行而不損壞。（3） 、sf6 氣

27、體介質恢復速度特別快，因此開斷近區(qū)故障的性能特別好，通常不加并聯電阻能夠可靠地切斷各種故障而不產生過電壓。 、（4） 、sf6 斷路器的帶電部位及斷口均被密封在金屬容器內，金屬外部接地，能更好地防止意外接觸帶電部位和防止外部物體侵入設備內部，設備可靠。（5） 、sf6 氣體在低壓下使用時，能夠保證電流在過零附近切斷，電流截斷趨勢減至最小，避免截流而產生的操作過電壓，降低了設備絕緣水平的要求，并在開斷電容電流時不產生重燃。（6） 、sf6 氣體是不可燃的惰性氣體，這可避免 sf6 斷路器爆炸和燃燒，使變電所的安全可靠性提高。（7）sf6 氣體分子中不存在碳，燃弧后，使 sf6 斷路器內沒有碳的沉

28、淀物，所以可以消除碳痕，使其允許開斷的次數多，檢修周期長4 操動機構在斷路器本體以外的機械操動裝置稱為操動機構。彈簧操動機構是目前國產高壓斷路器配用機構的重要品種之一，也是影響斷路器運行可靠性的重要機構之一。彈簧儲能的操作也簡單，只要在斷路器每次合閘操作后啟動一次合閘電機即可。合閘彈簧直接驅動斷路器的操作桿而不經任何的傳動部件或連接部件。目前比較常用的操動機構有手動操動機構（cs）、彈簧操動機構（ct）、電磁操動機構（cd）、電動機操動機構（cj）、液壓操動機構（cy）、氣動操動機構（cq）以及現在較流行的液壓彈簧操動機構。4.1 操動機構的基本結構：操動機構從功能上可分為下面五個部分：（1）

29、合閘機構。即能量轉換部分，對于電磁操動機構，它是指合閘電磁鐵及相應部件；對于彈簧操動機構，它是指儲能彈簧和相應的儲能機構以及合閘脫扣裝置等元件；對于液壓操動機構，它是指油泵、儲壓筒、合閘閥及合閘電磁鐵等部件。（2）保持機構。對于機械傳動式操動機構，它是指維持支架或其它維持裝置；對于液壓機構，它是指保持閥及相應的高壓油補充回路。（3）分閘機構。它是使斷路器能快速脫扣分閘的機構。對于機械式操動機構，它是指分閘脫扣裝置及相應的連桿系統；對于液壓或氣動機構，它是指分閘閥及相應的閥系統。（4）輸出裝置。它是指電磁、彈簧操動機構的主軸或液壓或氣動機構的活塞桿等。（5）輔助設備。它主要是指輔助開關、中間繼電

30、器、接觸器等輔助元件組成的信號和保護回路。4.2 高壓斷路器對操動機構的要求 高壓斷路器對操動機構的要求很嚴格。作為電網主要保護和控制元件的高壓斷路器，其動作可靠性是極為重要的。斷路器該動時不動，不該動時亂動，都會造成線路事故，給電力系統帶來巨大的損失。在電力設備中，斷路器及其操動機構的機械故障比之其它設備要多。這主要是:(1) 操動機構的潤滑系統差,動作環(huán)節(jié)多.故出現故障的可能性就大.(2) 高壓斷路器工作條件比較惡劣.(3) 斷路器工作狀態(tài)是非連續(xù)性的，有時甚至一年也動不了幾次,這樣,隱患不易及時發(fā)現.(4) 斷路器及其操動機構類型多,結構差異大,因此,在制造和維修方面積累經驗比較困難.因

31、此，在設計高壓斷路器的操動機構時，還必須特別注意下述幾個動作的性能及可靠性。(1)合閘在電網正常工作時,用操動機構使斷路器關合,這時電路中流過的是工作電流,關合是比較容易的,但在電網事故情況下,如斷路器關合到有預伏短路故障的電路上時,電路中出現短路電流,斷路器導電回路將受到較大電動力的作用，電動力 f 可用下式表示：72max1.02 10fci式中 c回路系數，數值在幾十至幾百之間； 短路電流最大值(a)。maxi 由式可見，當電流在幾千安以下時，斷路器導體間的電動力通常可以maxi略而不計。而在短路故障時，電流可達幾萬安以上，此時，電動力的數值就很可觀了，有時可達幾千牛頓以上。另一方面，從

32、斷路器導電回路的布置以及觸頭的結構來看，電動力的方向又常常是妨礙斷路器關合的。因此在關合有預伏短路故障的電器時，由于電動力過大，斷路器有可能出現不能可靠關合，如觸頭合不到底，則會引起觸頭嚴重燒傷，甚至斷路器爆炸等嚴重事故。因此，操動機構必須能夠克服短路電動力的阻礙，也就是具有關合短路故障的能力。同時要具備手動儲能，即手動合閘的功能(2)保持合閘：由于在合閘的過程中，合閘命令的持續(xù)時間很短，而且操動機構的操作功也只在短時間內提供，因此操動機構中必須有保持合閘狀態(tài)的裝置，以保證在合閘命令及操作功消失后仍然能使斷路器保持在合閘位置，且不因外界的干擾因素產生誤分閘。斷路器常采用機械保持的方式。(3)分

33、閘：操動機構要能進行電動和手動合閘，在接受到故障信號要求分閘時，為滿足滅弧性能要求，操動機構應具有一定的分斷速度，使分斷時間盡可能縮短，以減少短路故障存在的時間。(4)自由脫扣與防跳躍：在合閘過程中如操動機構又接受到分閘命令則操動機構不應該繼續(xù)執(zhí)行合閘命令而應該立即分閘，稱為自由脫扣。當斷路器關合有預伏短路故障的電流時，若操動機構沒有自由脫扣能力，則必須等到斷路器的觸頭關合到底后才能分閘，這樣有可能使斷路器連續(xù)多次合、分短路電流。這一現象被成為“跳躍” ，出現跳躍現象時，會造成觸頭嚴重燒傷乃至爆炸事故，對具有脫扣裝置的機構，則不管觸頭關合到什么位置，也不管合閘命令是否解除，只要接到分閘命令，斷

34、路器觸頭即執(zhí)行分閘動作，所以，操動機構中必須要有自由脫扣裝置。(5)復位：當斷路器分閘后，操動機構中各個部件應能自動地回復到準確合閘位置下一合閘。 4.3 彈簧操動機構的特點彈簧操動機構是采用事先儲存在彈簧內的勢能作為驅動斷路器的能量。主要特點有：1） 不需要大功率的儲能源，緊急情況下也可手動儲能，所以其獨立性和適應性強，可在各種場合使用。2） 根據需要可構成不同合閘功的操動機構，這樣可以配用于10220kv各電壓等級的斷路器中。3） 動作時間比電磁機構的快，因此可以縮短斷路器的合閘時間。4) 可靠性好，能保證所儲的能量不損失，也不需要對它的儲能進行專門的檢測。5）維護工作量少。彈簧機構克服了

35、液壓機構和氣動機構體積大、零部件多、滲漏幾率高的缺點，提高了動作的可靠性。但彈簧機構中彈簧本身的質量控制還需經過時間和運行的考驗。目前國內 110kv 級 sf6 斷路器配彈簧操動機構已取得了良好的運行。6） 缺點是結構比較復雜，機械加工工藝要求比較高，其合閘力輸出特性為下降曲線，與斷路器所需要的呈上升的合閘力特性不易配合好，合閘操作時沖擊力較大要求14。4.4 ctb型彈簧操動機構的基本結構和工作原理ctb 型彈簧操動機構主要由儲能機構、傳動調節(jié)機構（凸輪機構） 、合分閘鎖扣與脫扣機構構成。通常，除了電器控制部分外，儲能機構就是給合閘彈簧賦予能量的機構；傳動機構（主要是由彈簧向觸頭）傳遞運動

36、和動力的機構；控制機構則是控制分、合閘動作和緩沖作用的機構。各種彈簧操動機構的工作原理基本類似，其基本動作主要由彈簧儲能、合閘操作、分閘操作構成，圖 4.4 為彈簧操動機構的原理框圖： 圖 4.4 彈簧操動機構的原理框圖現在已 ctb 型彈簧操動機構為例，分析其工作過程中的基本動作和工作原理。1.彈簧儲能 儲能既可以電動儲能也可以手動儲能，儲能電機為交直流兩用電機。電動儲能時，儲能電機經過內部減速器減速后通過一對錐齒輪傳動到偏心軸，偏心軸上裝有兩個棘爪，偏心軸旋轉時使兩棘爪輪流推動棘輪轉動，從而帶動裝在棘輪上的拉桿，使與拉桿相連的儲能彈簧壓縮儲能。當棘輪轉到合閘彈簧壓縮到最短時，它就在合閘彈簧

37、的帶動下自行“過中” （指合閘彈簧在儲能軸上產生的力矩改變方向） ，同時通過行程開關切斷電機電源。2.合閘操作機構接到合閘信號后，合閘電磁鐵的動鐵芯推動合閘摯子，使合閘保持摯子維持解脫，合閘彈簧釋放能量進行合閘操作，合閘的同時使分閘彈簧儲能，為分閘做好準備。3.分閘操作分閘可以手動也可以電動，采用電動分閘時，當機構接到分閘指令時，分閘電磁鐵的鐵芯推動分閘摯子，使分閘保持摯子維持解脫，分閘彈簧釋放能量進行分閘操作。4.自動重合閘機構在合閘儲能狀態(tài)時給出分閘指令，分閘彈簧驅使斷路器分閘，0.3 秒后，已儲能的合閘彈簧驅動斷路器合閘。合閘完成后，同時分閘彈簧被壓縮儲能，再次給出分閘指令，斷路器立刻分

38、閘。整個自動重合閘完成。5.ctb 型彈簧操動機構整體設計方案5.1 總裝配圖 根據 ctb 的設計尺寸，對 ctb 進行模塊化設計如圖 5.1 所示 圖 5.15.2 各模塊的設計及功能在高壓斷路器 ctb 的基礎上進行模塊化設計，把高壓斷路器的開閘、合閘、儲能都進行模塊化設計。在高壓斷路器進行模塊化設計時，每個模塊是獨立的，在組裝候把所有模塊按照要求把模塊組合起來。在設計時可以分成以下這幾個模塊：棘爪儲能部分模塊、合閘部分模塊、分閘部分模塊、組合式箱體部分模塊、彈簧儲能模塊。1） 棘爪儲能部分模塊：在設計時采用箱體式結構，并采用鉸制螺栓連接到組合式箱體上。所有棘爪儲能部分的零件都按照原 c

39、tb 上的位置關系安裝到棘爪儲能箱體上。因為鉸制螺栓的精度較高所以連接到組合式箱體上發(fā)生的誤差很小，不會影響到彈簧機構運動關系。主要負責把電能轉化為機械能，并把機械能通過棘爪傳給棘輪。2） 合閘部分模塊：在設計時采用箱體式結構，并采用鉸制螺栓連接到組合式箱體上。所有合閘部分模塊零件都按照原 ctb 上的相對位置關系安裝在合閘模塊箱體上。因為鉸制螺栓的精度較高所以連接到組合式箱體上發(fā)生的誤差很小，不會影響到彈簧機構運動關系。主要負責棘輪的鎖定與釋放。通過棘輪的鎖定和釋放來完成合閘動作。3） 分閘部分模塊：在設計時采用箱體式結構，并采用鉸制螺栓連接到組合式箱體上。所有合閘部分模塊零件都按照原 ct

40、b 上的相對位置關系安裝在合閘模塊箱體上。因為鉸制螺栓的精度較高所以連接到組合式箱體上發(fā)生的誤差很小，不會影響到彈簧機構運動關系。主要負責拐臂的鎖定和釋放。通過對拐臂的鎖定和釋放來完成分閘動作。 4）組合式箱體部分模塊：主要由儲能軸、輸出軸、液壓緩沖系統及箱體組成，負責輸入、輸出的能量傳遞、緩沖及限位。5）彈簧儲能模塊：主要由合閘彈簧、分閘彈簧組成。負責彈簧的儲能與釋放能量。5.3 各模塊的結構方式與工作原理1）棘爪儲能部分模塊如下圖 5.3.1 所示由電動機、大小傘齒輪、偏心軸、棘爪、壓板、扭簧、扭簧軸、軸承及墊圈組成。工作原理：電動機帶動小傘齒輪，經大傘齒輪減速后帶動偏心軸轉動。偏心軸的轉

41、動驅動棘爪往復運動。棘爪的往復運動推動棘輪轉動經行合閘儲能。 圖 5.3.1 棘爪儲能部分模塊2)合閘部分模塊由合閘電磁鐵部分、合閘掣子、合閘掣子軸、分閘掣子、分閘掣子軸、扭簧、限位桿、安全插銷、合閘保持掣子滾輪、合閘模塊箱體及墊圈組成。工作原理：當合閘電磁鐵線圈得電。合閘掣子鎖桿推動推動合閘掣子，合閘掣子與合閘保持掣子滾輪發(fā)生運動。當合閘掣子向下運動時，合閘保持掣子失去限位不能鎖定棘輪。棘輪開始轉動，開始合閘。當棘輪運動到最低點時完成合閘。3）分閘部分模塊如圖 5.3.2 所示由分閘電磁鐵、分閘掣子、分閘掣子軸、分閘保持掣子、分閘保持掣子軸、分閘保持掣子滾輪、彈性鋼絲、安全插銷、軸承及墊圈組

42、成。工作原理：分閘電磁鐵得電。頂桿撞擊分閘掣子，分閘掣子與分閘保持掣子滾輪發(fā)生運動。當分閘掣子向下運動，分閘保持掣子失去限位不能鎖定拐臂向下運動，開始分閘。當拐臂到達被液壓緩沖筒的限制的下限位是完成分閘。 圖 5.3.2 分閘部分模塊4）組合式箱體部分模塊如圖 5.3.3 所示由組合箱體、軸承、儲能軸、輸出軸、凸輪、棘輪及墊圈組成。工作原理：當合閘時，棘輪帶動凸輪。凸輪在轉過一定角度時會撞擊并推動拐臂，拐臂繞著輸出軸開始轉動，并帶動撥叉繞輸出軸順時針轉動開始合閘。當凸輪繼續(xù)轉過一定角度時會與拐臂分開，此時拐臂旋轉到最高位置，撥叉旋轉到最低位置完成合閘。當分閘時，拐臂位于最高位置，拐臂和撥叉開始

43、逆時針旋轉開始分閘。當拐臂旋轉到最低位置時撥叉到達最高位置，完成分閘。 圖 5.3.3 組合式箱體部分模塊 5）彈簧儲能部分模塊由分閘儲能彈簧、分閘儲能彈簧桶、合閘儲能彈簧、合閘儲能彈簧桶、連接螺釘及墊圈組成。 工作原理：彈簧儲能部分模塊分有合閘彈簧儲能和分閘彈簧儲能。在合閘彈簧儲能時，由拉桿拉動儲能彈簧端蓋是儲能彈簧被壓縮進行彈簧儲能。5.4 各模塊的連接尺寸在對 ctb 的整體模塊方案設計時除了要要考慮到模塊的安裝位置的同時還要考慮到連接空的位置及連接空的精度要求。在連接時連接空不能與任何模塊發(fā)生干涉且連接空與連接螺栓之間的配合公差要達到較高的精度標準。根據各模塊的設計尺寸，把各模塊進行組

44、裝在一起。得到各模塊的連接尺寸見圖 5.4。 圖 5.4 各模塊的連接尺寸圖6 棘爪式儲能傳動部分的設計6.1 棘爪式儲能傳動部分工作原理棘爪式儲能傳動部分的結構原理如圖 6.1 所示，它主要由棘輪、棘爪、壓板、扭簧等部分組成。棘輪機構是一種間歇運動機構，具有結構簡單制造方便的優(yōu)點。工作時由電動機上的小傘齒輪帶動偏心軸上的大傘齒輪做旋轉運動，偏心軸的中間裝有兩個棘爪，偏心軸旋轉時，兩個棘爪的偏心方向剛好相反，使兩棘爪輪流推動棘輪做逆時針方向運動，棘輪的運動使拉桿拉緊合閘彈簧儲能。為了保證棘輪和棘爪的接觸，常用彈簧力和壓板將棘爪壓在棘輪上。并且使棘爪對棘輪的作用力方向與棘輪的接觸點處的切線方向形

45、成一個向外的夾角，從而形成一個分力使棘爪與棘輪充分接觸，不至于棘爪在工作時滑出齒槽。圖 6.1 棘爪式儲能傳動部分的結構原理6.2 棘輪機構的幾何參數和設計要點（1）棘輪的齒形。棘輪常用的齒形有不對稱梯形齒和三角形齒，如圖 6.2所示，不對稱梯形齒用于負荷較大時，三角形齒用于負荷較小時。圖 6.2a)不對稱梯形齒 圖 6.2b) 三角形齒（）棘輪的齒數和模數。通常，棘輪的齒數是由整個機器的運動要求確定。在負荷較大時，為了避免機構尺寸過大，同別又要保證齒的強度，齒數不宜過多，常取 830；在受力小時，齒救也可以多達百多個齒。棘輪的周節(jié)和模數都是從齒頂圓度量的，故周節(jié)0d0adzpm或模數 0dp

46、mz當棘輪的上述參數決定后，就可從機械設計手冊中查得棘輪機構的有關尺寸。(3)輪齒工作面傾角和棘爪的軸心位置。棘爪在推動棘輪時，為確保工作可靠，必須使棘爪能自動滑向齒槽底部，而不滑出齒槽，此稱為“自動嚙緊” 。應該指出，彈簧力的作用只是在空載時能使棘爪落人棘輪槽中，至于“自動嚙緊”條件則必須在受力分析的基礎上選擇適當的幾何參數來保證。如合理選擇輪齒工作面傾角和棘爪的軸心位置等。現以圖 6.2 所示不對稱梯形齒的棘輪機構為例說明，若不考慮棘爪自重、轉動副摩擦和彈簧力影響并沒棘爪端部和棘齒頂部接觸，為保證自動嚙緊，則應使棘爪上受到的順時針方向力矩，大于阻止棘爪滑向齒槽底部的力矩。即 110sina

47、o anificos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tanfnfn式中 、分別為摩擦角和摩擦系數：f由上式可得自動嚙緊條件為 tantan換句話說，自動嚙緊條件為：棘爪工作面所受全反力的作用線應在之12oo間通過8。 圖 6.26.3 棘爪儲能傳動部分設計方案原 ctb 型彈簧操動機構的箱體是一個整體，機構的各個組成部分都固定在整個箱體上，現在經過模塊化設計后，使棘爪儲能傳動部分，合閘部分，分閘部分都單獨作為一個模塊設計，這樣可以達到降低彈簧操動機構的制造成本，提高互換性，便于安裝調試、維修檢測的目的，各個模塊設計好后，再與箱體主板連接到一起，各個模塊在確定連接位置

48、和連接方法時，即要考慮到機構的相對位置精度，又要保證連接強度，同時連接位置不能與機構的零部件相互干涉。在設計棘爪儲能傳動部分時，為了連接空間位置的需要，適當的增大了箱體的尺寸，為了加工方便和節(jié)約成本的目的，棘爪儲能傳動部分的箱體采用焊接板連接制造，材料選擇 q235 鋼板。為了保證連接的位置精度，本設計采用四顆的鉸制孔螺栓連接，孔和螺栓的精度都取 7 級，可以保證連接的位置16精度需要。6.4 棘爪儲能傳動部分主要零件的強度校核：6.4.1 儲能模塊的箱體連接螺栓強度效核對儲能部分進行分析可知，儲能時，分閘彈簧力的傳遞過程為：分閘彈簧拉桿棘輪棘爪偏心軸箱體見圖 6.4.1a 為儲能彈簧的特性，

49、在機構裝配時已將儲能彈簧壓宿了 140mm的距離，獲得了 28557n 的彈力，在儲能時，隨著棘輪的轉動，彈簧逐漸伸長，所儲能量逐漸增大，但是彈簧對棘輪的力臂也隨之減少。受力分析如圖圖6.4.1b所示。 圖 6.4.1a 儲能彈簧負載特性 圖 6.4.1a 儲能部分受力分析圖 由彈簧的負載特性曲線（見圖 6.4.1b）可計算出彈簧的剛度為9：mmnmmnk/20424048960 因拉桿相對棘輪的受力半徑較長，設棘輪受到轉距最大時，拉桿超出棘輪中心的水平距離為 x，因拉桿相對棘輪受力半徑較長，可忽略彈簧受到的側向力，棘輪受到的轉距大小為22150)2045020428557(xxlfm2250

50、)20438757(xx對函數進行求導計算，最后可求得：x=11.71mm 時，棘輪受到的力矩最大，最大力矩為 m=2000076n.mm彈簧對棘爪的力矩與棘爪對棘輪的力矩是一對平衡力矩，為了使棘爪與棘輪充分接觸，棘爪對棘輪的推力方向與棘輪接觸點的切線有一個夾角，如圖所示，測得這個夾角的角度為。由力矩平衡可以算得棘爪作用力的大小。22列力矩平衡方程為：mmnf.2000076)22cos14mm.8722cos(2（）計算得nf266992由以上分析可知,儲能模塊的箱體連接螺栓主要受到來自棘爪的橫向剪切力以及與孔壁的擠壓應力，選擇螺栓材料為中碳鋼，性能等級為 8.8 級的螺栓，由機械設計手冊查

51、得材料屈服極限， 安全系數取, mpas6404ts=1.5，螺栓材料的許用切應力為: ; 許用擠壓應psmpampass1604640力為: mpampaspsp4265 . 1640 每個螺栓受到的橫向工作剪力為 nnzff75.6674426699每個螺栓橫截面上的切應力為 mpamnaf2 .33)1016(475.667423螺栓桿與孔壁的擠壓切應力為 1 .261015101675.667433min0ppmpammmmnldf可知該螺栓滿足強度條件。6.4.2 偏心軸兩端軸承強度校核:對偏心軸進行受力分析如圖 6.4.2 所示: 圖 6.4.2 偏心軸受力分析圖a 端所裝軸承型號

52、為 nav4905/ya1, d 端所裝軸承型號為 rna4904,f1 和 f4分別為兩軸承對軸的承載力。b、c 分別為兩棘爪受力中心，儲能時，兩棘爪輪流推動棘輪旋轉，所以，f2 和 f3 交替出現，軸承承受的載荷為動載荷。 先計算 d 處軸承rna4904 的載荷，當 f3 達到最大受力 26699n 時，d 處軸襯所受載荷最大，以 a 點為研究對象，列力矩平衡方程為： , 0)(fma034acfadf 代入數據解得 f3=2089.7n 查得軸承 rna4904 的基本額定動載荷為 23300n，大于實際載荷，軸承rna4904 滿足強度要求。 再計算 a 處軸承rna4904 的載荷

53、，當 f2 達到最大受力 26699n 時，a 處軸襯所受載荷最大，以 d 點為研究對象，列力矩平衡方程為10： , 0)(fmd012adfbdf 代入數據解得 f2=1848.4n 查得軸承 nav4905/ya1 的基本額定動載荷為 29200n，大于實際載荷，軸承nav4905/ya1 滿足強度要求。 6.4.3 偏心軸的強度校核 偏心軸通過旋轉運動，使兩棘爪交替推動棘輪運動，偏心軸即受到彎曲應力又受到扭轉應力，對偏心軸的運動和受力情況進行分析可知，所受彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，扭轉應力為脈動循環(huán)變應力，為了考慮兩種循環(huán)特性不同的影響，取折合系數進行強度校核9 ，偏心軸材料為 40cr，查得對稱6 . 0循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力為。mpa701取 f2 作用時對偏心軸進行強度校核，根據彎矩的計算方法和符號規(guī)則,可計算出 ab 段內的彎矩方程為: xadbdfxm2)()0(abx bd 段內的彎距方程為 )()(2xadadabfxm)(adxab根據彎矩方程畫出彎矩圖如圖 6.4.2 所示,由彎矩圖可知,偏心軸在 b 處所受彎矩最大,最大彎矩為11: mmnmmmmmmnadabbd