鄧集，毛文奇，黎治宇，陳國平，蔣新苗

(1.湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長沙410007;2.江蘇省如高高壓電器有限公司，江蘇如皋226572)

SF6斷路器因其優(yōu)異的滅弧性能、極佳的運(yùn)行可靠性及長期免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)取代少油斷路器在電網(wǎng)中大量使用〔1〕。其中使用彈簧操動機(jī)構(gòu)作為操動機(jī)構(gòu)的高壓斷路器隨著自能式SF6斷路器的問世應(yīng)運(yùn)而生，因?yàn)閺椈刹賱訖C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)小巧，操作靈活，無漏油和漏氣之慮，可靠性高，所以采用彈簧操動機(jī)構(gòu)的斷路器占有相當(dāng)數(shù)量比例〔2〕。

彈簧操動機(jī)構(gòu)分合閘操作通過分、合閘操作彈簧來實(shí)現(xiàn)。儲能電機(jī)給合閘彈簧壓縮儲能，合閘時(shí)合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧壓縮儲能。作為彈簧操動機(jī)構(gòu)核心部件之一的操作彈簧對彈簧操動機(jī)構(gòu)的可靠動作起著重要作用。針對近年來彈簧操動機(jī)構(gòu)發(fā)生的一些故障，發(fā)現(xiàn)操作彈簧由于分合閘操作時(shí)壓縮及釋放能量，并且長期處于壓縮狀態(tài)，在運(yùn)行一定年限年后出現(xiàn)不同程度的疲勞，導(dǎo)致斷路器因操作彈簧釋放能量不足發(fā)生拒分、拒合故障，因?yàn)樵擃惞收暇哂型话l(fā)性，所以嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

從文獻(xiàn)〔3-4〕可知，許多研究者對于彈簧操動機(jī)構(gòu)的操作彈簧的可靠性進(jìn)行了一些分析計(jì)算，但缺少對實(shí)際使用的操作彈簧的試驗(yàn)研究。本文選取實(shí)際使用的典型操作彈簧為試驗(yàn)對象，按照彈簧操動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械壽命10 000次進(jìn)行機(jī)械操作，對操作彈簧的外形尺寸、壓縮負(fù)荷、分閘合閘速度和時(shí)間等特征參量進(jìn)行了測量，得出了操作彈簧特征參量與操作次數(shù)的關(guān)系曲線。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 操作彈簧材料的選擇

選擇高品質(zhì)原材料是確保操作彈簧可靠性的前提。按設(shè)計(jì)時(shí)選取工作剪切應(yīng)力的范圍，60Si2CrVA是同類材料的首選，其機(jī)械性能比應(yīng)用較為普遍的60Si2MnA要高。由于在鋼中加入了鉻和釩，使得其彈性極限、高溫強(qiáng)度極限及淬透性都相應(yīng)提高，并消除了含硅彈簧鋼的脫碳及石墨化傾向，在常溫及較高溫工作條件下機(jī)械性能都比較穩(wěn)定。

1.2 操作彈簧出廠試驗(yàn)要求

操作彈簧出廠試驗(yàn)主要是按相關(guān)國標(biāo)、圖樣及技術(shù)要求對彈簧逐一進(jìn)行幾何尺寸、壓力、硬度、垂直度等項(xiàng)目的檢測。

表1為某國內(nèi)斷路器生產(chǎn)廠家對其LW36-126型SF6斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)使用的操作彈簧的出廠試驗(yàn)要求，其中合閘彈簧為大彈簧內(nèi)部套小彈簧的雙簧結(jié)構(gòu)。彈簧示意圖見圖1。

表1 操作彈簧出廠試驗(yàn)要求

圖1 彈簧示意圖及相關(guān)測量參數(shù)

1.3 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用某國內(nèi)斷路器生產(chǎn)廠家LW36-126型SF6斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)所使用的分、合閘操作彈簧，彈簧材料為60Si2CrVA。通過數(shù)控全自動拉壓彈簧試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、高度尺等測量工具來測量彈簧的相關(guān)參數(shù)，機(jī)械操作試驗(yàn)前操作彈簧的相關(guān)測量數(shù)據(jù)見表2。數(shù)據(jù)表明，本試驗(yàn)使用的操作彈簧各測量參數(shù)符合相關(guān)技術(shù)要求。

表2 操作彈簧參數(shù)測量數(shù)據(jù)

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

將被試分、合閘彈簧裝配在配套的彈簧操動機(jī)構(gòu)上，該彈簧操動機(jī)構(gòu)與模擬試驗(yàn)裝置相連接，如圖2所示。該模擬裝置可通過改變傳動質(zhì)量來正確模擬斷路器滅弧室的工作情況，同時(shí)通過直線位移傳感器及斷路器特性測試儀來測量分、合閘速度和時(shí)間。被試彈簧操動機(jī)構(gòu)與模擬試驗(yàn)裝置總裝完成后，機(jī)械操作試驗(yàn)前分、合閘速度和時(shí)間測量值分別為:分閘速度4.77 m/s，分閘時(shí)間30.1 ms，合閘速度4.26 m/s，合閘時(shí)間68.5 ms，該測試數(shù)據(jù)均滿足廠家對斷路器的技術(shù)要求。

圖2 操動機(jī)構(gòu)與模擬裝置組裝圖

1.5 試驗(yàn)方法

在安裝前用相應(yīng)的測量工具測量并記錄彈簧的相關(guān)參數(shù)，在0～2 000次機(jī)械操作中以400次間隔測量彈簧的相關(guān)參數(shù)以及分、合閘速度和時(shí)間，在2 000～10 000次機(jī)械操作中以1 000次間隔測量彈簧相關(guān)參數(shù)、分閘與合閘速度和時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 操作彈簧的預(yù)壓縮和工作位置壓力、外徑、線徑、自由長度變化與操作次數(shù)的關(guān)系

合閘大彈簧、合閘小彈簧和分閘彈簧N次操作后的預(yù)壓縮位置壓力 (P1N)和工作位置壓力(P2N)、外徑D、線徑d、自由長度lN與操作次數(shù)0次時(shí)預(yù)壓縮位置壓力 (P10)和工作位置的壓力(P20)、外徑D、線徑d、自由長度l0的比值和分合閘操作次數(shù)的關(guān)系曲線如圖3～8所示。

圖3 合閘大彈簧壓力比值與操作次數(shù)關(guān)系

圖4 合閘小彈簧壓力比值與操作次數(shù)關(guān)系

圖5 分閘彈簧壓力比值與操作次數(shù)關(guān)系

圖3～5為分、合閘操作彈簧預(yù)壓縮位置壓力和工作位置壓力隨操作次數(shù)增加的變化曲線。如圖所示，隨操作次數(shù)的增加操作彈簧壓力起初迅速下降，經(jīng)過一定操作次數(shù)后基本穩(wěn)定，操作次數(shù)8 000次以后有回升的趨勢;預(yù)壓縮位置壓力變化明顯大于工作位置壓力變化;合閘大彈簧的壓力變化明顯小于合閘小彈簧和分閘彈簧的壓力變化。

圖6 合閘大彈簧外形尺寸比值與操作次數(shù)關(guān)系

圖7 合閘小彈簧外形尺寸比值與操作次數(shù)關(guān)系

圖8 分閘彈簧外形尺寸比值與操作次數(shù)關(guān)系

圖6～8為分、合閘操作彈簧外形尺寸隨操作次數(shù)增加的變化曲線。如圖所示，隨著操作次數(shù)增加，螺旋彈簧的自由長度均呈現(xiàn)下降趨勢，但變化量很小，而外徑、線徑略有增加，同樣變化量也很小;合閘大彈簧的外形尺寸變化明顯小于合閘小彈簧和分閘彈簧的外形尺寸變化。

2.2 分、合閘速度及時(shí)間變化與操作次數(shù)的關(guān)系

操作彈簧N次操作后測量的分閘速度V分閘N與操作次數(shù)0次時(shí)分閘速度V分閘0的比值、分閘時(shí)間t分閘N與分合閘操作次數(shù)0次時(shí)分閘速度t分閘0的比值和分合閘操作次數(shù)的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 分閘速度、分閘時(shí)間比值與操作次數(shù)關(guān)系

如圖9所示，分閘速度、分閘時(shí)間隨操作次數(shù)增加而增加，6 000次以后，分閘時(shí)間明顯增加，而分閘速度明顯下降，但8 000次以后，分閘時(shí)間略有下降，而分閘速度略有增加。操作次數(shù)6 000次以后出現(xiàn)的變化，分析認(rèn)為是由于操動機(jī)構(gòu)傳動部件磨損，傳動效率下降，導(dǎo)致分閘速度下降、分閘時(shí)間增加;而操作次數(shù)8 000次以后出現(xiàn)的變化，分析認(rèn)為是分閘彈簧工作壓力增加導(dǎo)致分閘速度上升，分閘時(shí)間減少 (參見圖5)。

操作彈簧N次操作后測量的合閘速度V合閘N與操作次數(shù)0次時(shí)合閘速度V合閘0的比值、合閘時(shí)間t合閘N與操作次數(shù)0次時(shí)合閘速度t合閘0的比值和分合閘操作次數(shù)的關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 合閘速度、合閘時(shí)間比值與操作次數(shù)關(guān)系

如圖10所示，合閘速度、合閘時(shí)間隨分合閘操作操作次數(shù)增加有所波動，但操作次數(shù)為6 000次以后，合閘時(shí)間明顯增加后又趨于穩(wěn)定，同時(shí)分閘速度也明顯下降后又趨于穩(wěn)定。針對操作次數(shù)6 000次以后出現(xiàn)的變化，分析系同樣由于操動機(jī)構(gòu)傳動部件磨損，傳動效率下降，導(dǎo)致合閘速度下降、合閘時(shí)間增加。

3 結(jié)束語

3.1 操作彈簧的預(yù)壓縮位置和工作位置壓力隨操作次數(shù)增加均有下降，預(yù)壓縮位置壓力變化大于工作位置壓力變化，合閘大彈簧壓力變化小于合閘小彈簧和分閘彈簧。

3.2 操作彈簧的自由長度隨操動次數(shù)增加均有下降，彈簧的外徑、線徑隨操動次數(shù)的增加略有增加，合閘大彈簧外形尺寸變化小于合閘小彈簧和分閘彈簧。

3.3 操作次數(shù)為6 000次以后，分、合閘速度明顯下降后又趨于穩(wěn)定，分、合閘時(shí)間均有增加，但操作次數(shù)為8 000次以后，分閘速度略有增加，分閘時(shí)間略有下降。

3.4 操作彈簧的外形尺寸、壓縮負(fù)荷、分、合閘速度和時(shí)間與操作次數(shù)關(guān)系分析對彈簧操動機(jī)構(gòu)的檢修具有一定的參考價(jià)值。

3.5 運(yùn)行中的斷路器尤其是高電壓等級的斷路器每年的分、合閘操作次數(shù)極少，分、合閘彈簧長期處于強(qiáng)壓縮狀態(tài)，因?yàn)闄C(jī)械操作壽命試驗(yàn)一般在較短時(shí)間段內(nèi)完成，這與斷路器運(yùn)行的實(shí)際工況有所不同，因此對于運(yùn)行中操作彈簧的狀態(tài)和疲勞特性還有待進(jìn)一步的研究。

〔1〕徐國政，張節(jié)容，錢家驪，等.高壓斷路器原理和應(yīng)用〔M〕.北京:清華大學(xué)出版社，2000.

〔2〕苑舜.高壓斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)〔M〕.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

〔3〕舒服化.高壓斷路器彈簧操動機(jī)構(gòu)合閘彈簧可靠性分析〔J〕.高壓電器，2007，43(5):368-370.

〔4〕周勇，周北岳，李小松.基于ANSYS的斷路器保持彈簧沖擊響應(yīng)分析〔J〕.高壓電器，2009，45(3):15-17.

〔5〕黃亞宇，王立華，董明智.基于多體動力學(xué)的彈簧操動機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性研究〔J〕.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23(2):32-36.