真空断路器操动机构与真空灭弧室传动装置参数设计方法

技术领域

本发明涉及真空断路器操动机构与真空灭弧室连接的传动装置，尤其涉及一种真空断路器操动机构与真空灭弧室连接的传动装置模拟运动的参数设计方法。

背景技术

真空断路器是发电厂、变电所及电力系统中最重要的控制和保护设备，它的作用是能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(如短路条件)下的电流。

1.分闸(开断电流)：对断路器的机构而言，当操动机构的分闸线圈通电，分闸铁芯被吸合，使操动机构的锁口释放，在触头弹簧、分闸弹簧的作用下使真空灭弧室的动触头迅速动作，动、静触头迅速分开，达到分断电流的目的，断路器分闸。对真空灭弧室而言，当动、静触头在操作机构的作用下分闸时，触头间产生电弧，由于高真空度的高绝缘强度和在极其稀薄的气体中触头间电弧生成的带电粒子迅速扩散，由于触头设计为特殊形状，在电流通过时产生一磁场(横向磁场或纵向磁场)，电弧在此磁场作用下沿触头表面切线方向高速旋转，避免触头过热，电弧燃烧过程中的金属蒸气和带电粒子在强烈的扩散中被屏蔽罩所吸附而冷凝，降低了触头的温度，减轻了触头的烧损，电弧在电流自然过零时就熄灭了，触头间的介质强度迅速恢复，完成真空断路器的分闸动作，切断电流。

2.合闸(关合电流)：对断路器机构而言，当操动机构的合闸线圈通电，合闸铁芯被吸合，在储能(合闸)弹簧的作用下，通过拐臂及连杆使真空灭弧室的动触头迅速动作，动、静触头迅速接触，达到关合电流的目的，将断路器合闸。对真空灭弧室而言，当动、静触头在操作机构的作用下合闸时，动触头快速移动，缩短动、静触头的距离，当触头动、静触头间缩短到一定距离，触头间的电气间隙被击穿，触头间产生电弧，当动触头碰上静触头之后触头就不能再前进了，此时触头间的电弧可能熄灭(一般指很小的电流)，在触头压缩弹簧的作用下，动、静触头的接触压力越来越大，直至达到设计值，完成合闸动作，合上电流。另外的情况是：当动触头尚未碰到静触头而发生预击穿，触头间产生电弧，动触头有相当力量抵抗电动力(一般指很大的电流，如：关合短路电流)，而不致于向后退缩；当触头碰接瞬间，在触头压缩弹簧的作用下，接触压力陡然跃增至预压力数值，防止合闸弹跳，抵抗电动斥力，此时触头间的电弧熄灭，并使接触初始就有良好状态；随着接触行程增加，触头间的接触压力逐步增大，接触行程终结时，接触压力达到设计值，完成合闸动作，合上电流。如合闸速度太低，则预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘接，降低灭弧室的电寿命。但速度太高，容易产生合闸弹跳，操动机构输出功也要增大，对灭弧室和整机机械冲击大，影响产品的使用可靠性与机械寿命。

真空断路器的设计极其复杂，其操动机构与真空灭弧室连接的传动装置的设计，是满足触头开距、接触行程、触头接触压力的基础，如果该部分的设计参数不能满足要求，就会造成操作机构与真空灭弧室的传动不匹配；真空断路器的机械特性参数不满足要求，会引发一系列问题，最终导致真空断路器的电气性能不满足要求，造成真空断路器的合、分闸失败，那么，真空断路器作为发电厂、变电所及电力系统中最重要的控制和保护设备就会失去作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空断路器操动机构与真空灭弧室传动装置参数设计方法，能够满足触头开距、接触行程、触头接触压力要求，使得操作机构与真空灭弧室的传动相匹配、真空断路器的电气性能满足要求，实现真空断路器的合、分闸正常动作。

本发明的目的通过以下的技术措施来实现：一种真空断路器操动机构与真空灭弧室传动装置参数设计方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、将真空断路器操动机构和真空灭弧室之间的传动装置绘制成机构运动简图并进行运动分析；

S2、确定真空断路器操动机构的安装位置、机构输出拐臂旋转的圆心位置和机构输出拐臂旋转的起始位置和旋转角度；

S3、确定真空灭弧室的安装位置、触头开距及其连接杆件的位置参数；

S4、在上述已知的条件下，绘制设计图：

⑴确定真空灭弧室连接导杆的长度，即是从真空灭弧室动触头连接端到连接导杆铰链中心的距离，并在图上画出固定铰链点、连接导杆的位置及直线导向装置；

⑵在图上画出曲柄固定铰链点的位置，确定曲柄滑块连杆直线机构曲柄的旋转半径、旋转连杆的旋转半径和旋转连杆两端的铰链中心长度；

⑶初步确认断路器传动主轴的位置及其传动拐臂的长度，并确定横向传动连杆的铰链中心总长度，在图上画出直线导向装置的位置，确认双向传动拐臂的旋转圆心位置；

⑷横向传动连杆由中间铰接的可变长度部分及不变长度部分组成，确定不变长度部分的长度，并确定合闸或分闸时可变长度部分中心长度；断路器的触头接触行程需满足最大接触行程，并确定合闸扣接时弹簧进一步压缩的余量；

⑸确定双向传动拐臂围绕断路器机构传动主轴的旋转角度α，并在穿过旋转中心的垂直线左右对称各旋转α/2；

⑹真空断路器操动机构的机构输出拐臂与断路器机构传动主轴上的双向传动拐臂组成平面四杆机构，已知机构输出拐臂旋转角度、双向传动拐臂旋转角度和双向传动拐臂铰链中心长度，得到连杆的铰链中心长度和机构输出拐臂铰链中心长度，即完成传动装置参数设计。

本发明能够满足触头开距、接触行程、触头接触压力要求，使得操作机构与真空灭弧室的传动相匹配、真空断路器的电气性能满足要求，实现真空断路器的合、分闸正常动作。本发明可以有效地解决真空断路器操动机构与真空灭弧室的连接，使之满足：真空断路器的开距、接触行程在一定范围内并可进行调整，同时结合触头接触压力的要求，增减真空断路器操动机构的输出功及其他结构参数的改动进而满足平均合闸速度、平均分闸速度、合闸弹跳时间、合、分闸不同期性、合、分闸时间、主回路直流电阻、动静触头累积允许磨损厚度等断路器的机械特性参数要求。而且，本发明有利于进行真空断路器的运动分析和力学计算，为产品零部件设计提供了理论设计基础，为样机试制及装配调试指出明确的方向，同时提高了设计人员水平和设计效率，加快新产品的研发速度，易实现不同电压等级及不同电流等级及不同短路开断电流级别的系列化。

在上述基础上，本发明可以进行微调，当断路器的触头开距、接触行程、触头接触压力不能满足设计需求时，首先可以通过改变与真空灭弧室连接导杆的长度来改变触头开距，同时接触行程、触头接触压力和触头压力也会随之改变，数据变化的大小与触头开距的大小有关，要求数据在设计的公差范围内。

本发明在所述步骤S4⑷中，理论设计时考虑触头接触行程≥4mm，满足最大接触行程，并考虑合闸扣接时弹簧进一步压缩的余量，理论设计余量1～2mm为宜。

本发明在所述步骤S4⑷中，具体参数的符合性在样机调试中通过微调开距、接触行程来确认。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明能够满足触头开距、接触行程、触头接触压力要求，使得操作机构与真空灭弧室的传动相匹配、真空断路器的电气性能满足要求，实现真空断路器的合、分闸正常动作。

⑵本发明可以有效地解决真空断路器操动机构与真空灭弧室的连接，使之满足：真空断路器的开距、接触行程在一定范围内并可进行调整，同时结合触头接触压力的要求，增减真空断路器操动机构的输出功及其他结构参数的改动进而满足平均合闸速度、平均分闸速度、合闸弹跳时间、合、分闸不同期性、合、分闸时间、主回路直流电阻、动静触头累积允许磨损厚度等断路器的机械特性参数要求。

⑶本发明有利于进行真空断路器的运动分析和力学计算，为产品零部件设计提供了理论设计基础，为样机试制及装配调试指出明确的方向，同时提高了设计人员水平和设计效率，加快新产品的研发速度，易实现不同电压等级及不同电流等级及不同短路开断电流级别的系列化。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1的10kV真空断路器操动机构的结构示意图；

图2是本发明实施例1的真空灭弧室安装结构示意图；

图3是本发明实施例1的10kV真空断路器结构示意图；

图4是本发明实施例1的真空断路器操动机构与真空灭弧室的传动装置合、分闸模拟运动示意图；

图5是本发明实施例1的真空断路器操动机构与真空灭弧的传动装置合闸模拟运动示意图；

图6是本发明实施例1的真空断路器操动机构与真空灭弧室的传动装置分闸模拟运动示意图；

图7是本发明实施例2的24kV真空断路器操动机构与真空灭弧室的传动装置合、分闸模拟运动示意图；

图8是本发明实施例3的40.5kV真空断路器操动机构与真空灭弧室的传动装置合、分闸模拟运动示意图。

图中：1-真空断路器操动机构，2、h-机构输出拐臂，3-连杆，4-机构传动主轴，5、e-可变杆(可变长度部分)，6-触头弹簧，7-安装支架，8-导向连杆(不变长度部分)，9-支架，10、b-曲柄，11、c-旋转连杆，12-导杆，13-动触头，14-静触头，15-真空灭弧室；a-连接导杆，d-第一连杆，f-双向传动拐臂，f1-下端拐臂，f2-上端拐臂，g-第二连杆，O、P、Q-固定铰链点，M、N-直线导向装置。

具体实施方式

实施例1

如图3所示，10kV真空断路器处于合闸状态，真空断路器操动机构1，通过机构输出拐臂2旋转，输出合闸功，带动整个杆件传动机构运动。机构输出拐臂2、连杆3、机构传动主轴4上的旋转拐臂组成平面四杆机构。机构输出拐臂2为主动杆，带动平面四杆机构运动，即带动机构传动主轴4转动30度，即：机构传动主轴4下端的拐臂转动30°，拐臂旋转角度为30°；在其垂直线方向对称旋转15°角，将拐臂旋转的弧线通过可变杆5、导向连杆8转换为近似的直线运动，带动由曲柄10，旋转连杆11(一端个与导向连杆8绞链连接、另一端与导杆12绞链连接)、支架9组成的曲柄滑块连杆直线机构运动，将近似的水平直线运动转换为垂直方向上的直线运动，即导杆12做垂直方向上的直线运动，导杆12与动触头13为固定连接，即动触头13做垂直方向上的直线运动，动触头13向上运动与静触头14接触，断路器合闸。反之，动触头13向下运动与静触头脱离，当断路器真空断路器触头开距达到规定的数值，断路器分闸。触头弹簧6设计成即使处于分闸位置，也有相当的预压缩量，有预压力，实际结构中，触头弹簧6为使合闸过程中，当动触头13尚未碰到静触头14而发生预击穿时，动触头有相当力量抵抗电动力，而不致于向后退缩；当触头碰接瞬间，接触压力陡然跃增至预压力数值，防止合闸弹跳，足以抵抗电动斥力，并使接触初始就有良好状态；随着接触行程的前进，触头间的接触压力逐步增大，接触行程终结时，接触压力达到设计值。接触行程不包括合闸弹簧的预压缩量程，它实际上是合闸弹簧的第二次受压行程。安装支架7为断路器操动机构及真空灭弧室安装结构的支撑连接，并设置有导向套，对导向连杆8有导向作用。

如图1所示，真空断路器操动机构为已知的模块设计，其输出拐臂的输出旋转角度为32°，拐臂的铰链中心长度按实际设计确认。

如图2所示，断路器合闸时真空灭弧室15内部的静触头14与动触头13处于接触状态，分闸时静触头14与动触头13之间需要拉开一段距离，称之为触头开距。10kV真空断路器触头开距为8～10mm之间，即：9±1mm。

如图4～6所示，本发明一种真空断路器操动机构与真空灭弧室传动装置参数设计方法，包括以下步骤：

S1、将真空断路器操动机构和真空灭弧室之间的传动装置绘制成机构运动简图，长度单位为mm，进行运动分析；

S2、确定真空断路器操动机构的安装位置、机构输出拐臂h旋转的圆心位置(固定铰链点O)、机构输出拐臂旋转的起始位置和旋转角度，机构输出拐臂h的旋转角度约为32°；

S3、确定真空灭弧室的安装位置、触头开距及其连接杆件的位置参数，触头开距为9mm；

S4、在上述已知的条件下，通过制图软件或在纸面上绘制设计图：

⑴按结构设计的需要，确定真空灭弧室连接导杆a的长度，即是从真空灭弧室动触头连接端到连接导杆铰接中心的距离为108mm，并在图上画出固定铰链点O、连接导杆a的位置及直线导向装置M。导向装置M限制连接导杆a只能进行上下的直线运动。

⑵按结构设计的需要，真空灭弧室动触头为上下的直线运动，要保证动触头直线运动，采用曲柄滑块连杆直线机构的运动原理符合设计需求，曲柄滑块连杆直线机构的固定铰链点Q位于真空灭弧室连接导杆的延长线上；画出曲柄固定铰接点Q的位置，为确保直线运动曲柄b与转连杆c的旋转半径相等，确定曲柄滑块连杆直线机构曲柄b的旋转半径(铰链中心长度)为44mm，旋转连杆c的旋转半径(铰链中心长度)为44mm，旋转连杆c两端的铰链中心长度为88mm。

⑶按结构设计的需要，横向传动连杆为左右的直线运动，可以大致确认断路器传动主轴的大致位置及其传动拐臂的大致长度，并确定横向传动连杆的铰链中心总长度为379mm，画出直线导向装置N的位置，由此可以确认双向传动拐臂f的旋转圆心位置，即：固定铰链点P；

⑷按结构设计的需要，横向传动连杆可以拆分为可变长度部分(可变杆e)及不变长度部分(第一连杆d)，中间以铰链连接，第一连杆d按照曲柄滑块连杆直线机构的运动轨迹做往复的直线运动，其长度为255mm，可变杆e铰链中心长度合闸时约为124、分闸时约为129.6mm；断路器的接触行程及触头的接触压力设计在可变长度部分上；横向传动连杆按结构在其上设置铰链连接，可减小横向传动连杆往复的直线运动变形的影响，减小横向传动连杆的摩擦力，需要说明的是：理论设计时考虑触头接触行程≥4mm，满足最大接触行程，并考虑合闸扣接时(与真空断路器操动机构1的扣接量有关)弹簧进一步压缩的余量，理论设计余量1～2mm为宜，可进行简单计算，如：129.6-124＝5.6mm≥3.5±0.5mm，具体参数的符合性可在样机调试中通过微调开距、接触行程来解决，微调真空灭弧室动触头连接端到导杆铰链中心距离也可以进一步解决断路器参数的符合性。

⑸双向传动拐臂f环绕固定铰链点P旋转，确定双向传动拐臂f与可变杆e连接端的旋转角度α＝30°，下端拐臂f1旋转拐臂中心长度为40mm，并在固定铰链点P下方的垂直线左右对称旋转α/2，即15°，其旋转的弧线的左右落点与固定铰链点O及直线导向装置N的中心线在一条近似的直线上，可保证断路器合、分闸时，所需的合、分闸功最小，有利于断路器合闸满足触头接触压力及分闸及满足开距的要求，实现整个杆件系统运动所受的侧向分力最小，杆件运动的摩擦力最小；对于导向装置N而言，真空断路器要么处在分闸位置，要么处在合闸位置，机构运动的时间很短，即：导向装置N四周受力均匀的时间是常态。对于一般的场所，导向装置N四周受力均匀有利于断路器合、分闸时机构瞬时启动而摩擦力最小，传动链卡滞的概率最低，对于特定的场所(如：密封的导向机构，可保证密封机构的密封圈在长期工作中受力是均匀的)其密封是最可靠的。

⑹真空断路器操动机构的机构输出拐臂与断路器机构传动主轴上的双向传动拐臂组成平面四杆机构，即双向传动拐臂f(f1-下端拐臂、f2-上端拐臂)、第二连杆g、机构输出拐臂h、固定铰链点O、固定铰链点P组成平面四杆机构，已知机构输出拐臂h旋转角度为32°，双向传动拐臂f旋转角度为30°，双向传动拐臂f铰链中心长度40mm，得到连杆的铰链中心长度为62.7mm，机构输出拐臂h铰链中心长度为44mm。双向传动拐臂f的上端拐臂f2铰链中心长度为40mm；合闸时，第二连杆g与上端拐臂f2的夹角接近90°(实测87°)，可保证合闸时机构的输出功转化为最大扭矩，作用于真空断路器的触头上；分闸时，第二连杆g与上端拐臂f2的夹角接近为146°。上端拐臂f2为主动件，第二连杆Ⅱg与上端拐臂f2的夹角越大，真空断路器操动机构分闸复位就越快，分闸速度就越快。

通过真空断路器操动机构的机构输出拐臂的输出角旋转32°，应用四杆机构和曲柄滑块连杆直线机构来实现真空灭弧室的触头开距的要求；即首先满足触头开距和接触行程，在此基础之上，结合触头接触压力的要求，通过增减真空断路器操动机构的输出功及其他结构参数的配合进而满足平均合闸速度、平均分闸速度、合闸弹跳时间、合、分闸不同期性、合、分闸时间、主回路直流电阻、动静触头累积允许磨损厚度的要求，完成真空断路器操动机构与真空灭弧室连接的参数设计，满足真空断路器关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(如短路条件)下的电流的需求。

曲柄滑块连杆直线机构的参数设计：使真空灭弧室动触头上下直线运动，真空灭弧室获得可靠关合和开断所需要的开距；使横向传动连杆做往复的直线运动，并将横向传动连杆拆分为可变长度部分及不变长度部分，中间以铰链连接，使近似的往复的直线运动变为横向传动连杆往复的直线运动，抵消了传动杆变形的影响；减小传动连杆的侧向摩擦力；断路器的接触行程及触头的接触压力设计在可变长度部分上，节省设计空间；横向传动连杆部分与断路器机构传动主轴拐臂实现铰链连接，平面四杆机构将真空断路器操动机构输出拐臂输出的旋转角度进一步转换为真空断路器所需的运动；传动拐臂旋转角度为30°；在其垂直线方向对称旋转15°角，可保证断路器合、分闸时，所需的合、分闸功最小，有利于断路器合闸满足触头接触压力及分闸及满足开距的要求，实现整个杆件系统运动所受的侧向分力最小，杆件运动的摩擦力最小，且导向装置四周受力均匀的时间是常态，是最可靠的导向设计。

实施例2

本发明容易实现不同电压等级及不同电流等级及不同短路开断电流级别的系列化。如图7所示，是24kV真空断路器操动机构与真空灭弧室连接的传动装置合、分闸模拟运动示意图，在实施例1的基础上，通过改变真空灭弧室连接导杆a的长度，即可实现24kV真空断路器触头开距为12～14mm之间，即：13±1mm；其他连接杆件的长度及位置均不需要变化，仅触头弹簧的设计压力按需要进行调整。

实施例3

如图8所示，是40.5kV真空断路器操动机构与真空灭弧室连接的传动装置合、分闸模拟运动示意图，在实施例1的基础上，真空断路器操动机构输出条件不变，将运动曲柄b与旋转连杆c的旋转半径改为47mm，双向传动拐臂f(上端拐臂f2不变，下端拐臂f1旋转中心距离改为50mm，其与尺寸符合图示要求，即可实现40.5kV真空断路器触头开距为20～22mm之间，即：21±1mm；所以该杆件运动机构，从运动实现看易实现不同电压等级的系列化。适时改变触头弹簧6的设计压力可实现不同电流等级及不同短路开断电流级别的系列化。即：根据本发明参数设计方法，通过改变各杆件机构的参数，可以实现真空断路器操动机构与真空灭弧室连接的设计，并可以确认不同的设计方案，达到不同的设计目标。