張永剛

（江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211100）

新型三工位隔離/接地開關(guān)的設(shè)計

張永剛

（江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，南京 211100）

為提高共箱式三工位隔離/接地開關(guān)的可靠性，針對某結(jié)構(gòu)形式的共箱式三工位隔離/接地開關(guān)，提出了中間導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和運動優(yōu)化的設(shè)計方案及實現(xiàn)方法。通過實踐證明，新的設(shè)計方法簡單可行，零部件數(shù)量少、易裝配、可靠性高，滿足了GIS開關(guān)設(shè)備的小型化要求。

三工位隔離/接地開關(guān)；三相共箱式GIS；優(yōu)化設(shè)計

隨著國家電網(wǎng)的不斷發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）在電網(wǎng)中應(yīng)用越來越廣泛。為滿足用戶對GIS開關(guān)設(shè)備的高可靠性、免維護(hù)（少維護(hù)）等方面的要求，特別是伴隨著GIS開關(guān)設(shè)備的小型化進(jìn)程，各大GIS開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)單位都陸續(xù)研發(fā)并使用了三工位隔離/接地開關(guān)[1]，它將隔離開關(guān)和接地開關(guān)組合成一個整體，公用一個動觸頭和一臺操作結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)合閘—隔離—接地三個工況位置，簡化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；同時共用的動觸頭只能有一個位置狀態(tài)，實現(xiàn)了隔離開關(guān)和接地開關(guān)的機械聯(lián)鎖，避免了誤操作，提高了運行可靠性。

本文在分析現(xiàn)有某結(jié)構(gòu)形式126kV三工位隔離/接地開關(guān)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需實現(xiàn)的功能，在其實現(xiàn)方式和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行整體的優(yōu)化設(shè)計，減少了零部件數(shù)量、降低安裝難度、提高裝配的可靠性。

1 現(xiàn)有三工位隔離/接地開關(guān)分析

目前市場上使用的 126kV三工位隔離/接地開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有殼體、盆式絕緣子、接地絕緣子、接地導(dǎo)體、接地觸頭、隔離開關(guān)靜觸頭、中間觸頭、安裝導(dǎo)體、傳動軸及操動機構(gòu)等部件組成。中間觸頭裝在安裝導(dǎo)體上，內(nèi)裝有齒輪齒條等觸頭傳動機構(gòu)、隔離/接地開關(guān)動觸頭等部件。

圖1 傳統(tǒng)三工位隔離/接地開關(guān)示意圖

該類型的隔離/接地開關(guān)的優(yōu)點主要有：它將隔離開關(guān)和接地開關(guān)的動觸頭組合成一個整體，公用一臺操動機構(gòu)，可實現(xiàn)合閘/隔離/接地 3個工況狀態(tài)，使得結(jié)構(gòu)簡化、尺寸縮小并減少一臺操動機構(gòu)；它省去接地開關(guān)和隔離開關(guān)的電氣連鎖，避免誤操作，提高了運行可靠性；應(yīng)用在母線側(cè)的三工位隔離/接地開關(guān)，可取代老式GIS開關(guān)設(shè)備的母線模塊，進(jìn)一步縮小了GIS開關(guān)設(shè)備的整體尺寸，降低了產(chǎn)品成本。

如圖1所示，該型三工位隔離/接地開關(guān)裝配時，先將中間觸頭、安裝導(dǎo)體、盆式絕緣子組裝成盆子裝配部件，再將盆子裝配部件與已安裝有接地導(dǎo)體、接地絕緣子、接地觸頭的殼體連接，并通過工裝旋轉(zhuǎn)傳動軸調(diào)整接地觸頭的對中性。若接地觸頭對中出現(xiàn)較大偏差，需將盆子裝配部件取出，根據(jù)對中情況調(diào)整接地觸頭、接地導(dǎo)體、接地絕緣子等，常出現(xiàn)多次反復(fù)拆裝；同理在接地觸頭對中調(diào)整結(jié)束后，安裝隔離側(cè)觸頭調(diào)整過程中也會出現(xiàn)類似的多次調(diào)整問題，更為嚴(yán)重的是，為保證接地觸頭、隔離開關(guān)觸頭等同時滿足對中性要求，有可能出現(xiàn)已完成接地開關(guān)觸頭對中性調(diào)整卻無法將隔離開關(guān)觸頭調(diào)整到合適的對中位置，需要重新拆下盆式裝配部件并調(diào)整各裝配環(huán)節(jié)，直至觸頭對中性、三相同期性滿足要求后方可進(jìn)行其他裝配。

由上述裝配調(diào)整過程不難發(fā)現(xiàn)，該機構(gòu)形式的三工位隔離/接地開關(guān)雖有諸多優(yōu)點，但也存在裝配工藝性差的缺點，主要表現(xiàn)為：①殼體、接地絕緣子、接地導(dǎo)體、接地觸頭、安裝導(dǎo)體、盆子絕緣子、中間觸頭、隔離開關(guān)觸頭等都是通過螺栓聯(lián)接，裝配環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)效率低、裝配質(zhì)量不易保證；②裝配調(diào)整難度大，特別隔離及接地觸頭對中性調(diào)整、三個中間觸頭的同軸性及同期性調(diào)整耗時、耗力，影響整機裝配效率；③裝配精度不易滿足要求，影響整體性能。

2 新型三工位隔離/接地開關(guān)的設(shè)計

2.1 設(shè)計構(gòu)思與實現(xiàn)

在平面曲柄連桿機構(gòu)的設(shè)計中，常有曲柄上連接多個連桿，在曲柄做旋轉(zhuǎn)運動時，不同連桿可實現(xiàn)方向不同的運動。該形式的機構(gòu)在高壓電器設(shè)備上應(yīng)用也十分廣泛，如 SW4-110型斷路器的 CT6型彈簧操動機構(gòu)中就有多個應(yīng)用單曲柄雙連桿機構(gòu)[2]。

在國外，某些三工位隔離/接地開關(guān)中，也常有類似的機構(gòu)出現(xiàn)，如西門子落地罐式緊湊型高壓開關(guān)設(shè)備中三工位隔離/接地開關(guān)就是采用該原理，但該形式的三工位隔離/接地開關(guān)為分箱機構(gòu)，不滿足國內(nèi)三相共箱的要求。

因此，可根據(jù)平面曲柄連桿機構(gòu)的原理及現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備上應(yīng)用模型，設(shè)計新型的曲柄滑塊機構(gòu)，通過曲柄驅(qū)動使二滑塊（隔離開關(guān)動觸頭、接地開關(guān)動觸頭）按預(yù)設(shè)計的幾何關(guān)系方向運動，實現(xiàn)三工位隔離/接地開關(guān)的功能。在此設(shè)計思路下，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型計算曲柄半徑、連桿長度，對傳統(tǒng)的三相共箱式三工位隔離/接地開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，減少了零部件數(shù)量、降低了安裝難度、提高了裝配的可靠性，新設(shè)計的三相共箱式的三工位隔離/接地開關(guān)結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示。

圖2 新型三工位隔離/接地開關(guān)剖視圖

圖3 新型三工位隔離/接地開關(guān)整體透視圖

新型三工位隔離/接地開關(guān)將原公用的動觸頭分成隔離觸頭和接地觸頭，采用曲柄滑塊結(jié)構(gòu)同時驅(qū)動隔離開關(guān)動觸頭和接地開關(guān)動觸頭，使隔離開關(guān)動觸頭、接地開關(guān)動觸頭各自沿其軸線方向做直線運動，隔離開關(guān)動靜觸頭、接地開關(guān)動靜觸頭的相對運動方式與改進(jìn)前三工位隔離/接地開關(guān)一致。

在拐臂連桿設(shè)計時，限定整個運動過程中拐臂與觸頭軸線的夾角，在保證動力傳遞效率的同時也不存在死點位置，避免了卡死的情況；同時在隔離開關(guān)動觸頭、接地開關(guān)動觸頭與安裝導(dǎo)體之間設(shè)置有導(dǎo)向環(huán)（四氟乙烯添加石墨填料），既保證動觸頭運動的直線線，又避免了動觸頭在運動過程中出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

該新型三工位隔離/接地開關(guān)有以下優(yōu)點：①將傳統(tǒng)的安裝導(dǎo)體與中間觸頭合成一體，將接地絕緣子、接地導(dǎo)體、接地觸頭合成為一接地開關(guān)觸頭，減少了中間裝配環(huán)節(jié)，三相中間安裝導(dǎo)體的主軸孔位對中性可通過嚴(yán)格控制加工工藝過程獲取，因而具有比較高的準(zhǔn)確度，安裝簡單化；②同期性調(diào)整方面，拐臂式結(jié)構(gòu)可通過控制拐臂、連桿等部件上軸心距的一致性保證，克服了齒輪齒條來回調(diào)整配合齒數(shù)的問題，節(jié)省了大量同期性調(diào)整工作；③隔離側(cè)、接地側(cè)的觸頭對中性調(diào)整方便，其實現(xiàn)過程簡單，可在中間安裝導(dǎo)體安裝到位后，旋轉(zhuǎn)操作軸使接地開關(guān)合閘后緊定接地開關(guān)觸頭，從而有效保證接地開關(guān)對中性，同樣，反向旋轉(zhuǎn)使隔離開關(guān)合閘后緊定隔離觸頭而保證隔離開關(guān)觸頭的對中性，該裝配方式有效克服了傳統(tǒng)三工位隔離/接地開關(guān)對中性調(diào)整過程中的反復(fù)拆裝問題，降低了勞動強度，提高了勞動效率；④新型三工位隔離/接地開關(guān)的零部件數(shù)量大為減少，數(shù)量縮減為原來的3/4，減少了大量的裝配環(huán)節(jié)，在有效保證裝配質(zhì)量的同時，減少了材料使用，降低了生產(chǎn)成本，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2.2 新型三工位隔離/接地開關(guān)的設(shè)計計算

三工位隔離/接地開關(guān)設(shè)計中，DS及ES斷口開距設(shè)計、DS斷口觸頭屏蔽設(shè)計、DS分合閘速度設(shè)計、FES開關(guān)設(shè)計及各種觸頭參數(shù)的設(shè)計計算詳見參考資料[1]，在此重點介紹新型三工位隔離/接地開關(guān)中的傳動模型的建立與計算、關(guān)鍵件強度分析、三工位隔離/接地開關(guān)的電場分析等。

1）拐臂長度的優(yōu)化算法[4-6]

將三工位隔離/接地開關(guān)傳動機構(gòu)簡化為如圖 4所示的曲柄滑塊機構(gòu)，初始位置為OAB，OA為異形曲柄，兩個方向的長分別為l1、l2，AB為長l3的連桿，旋轉(zhuǎn)軸距滑塊中心線的距離為l0。當(dāng)接到隔離合閘信號后，曲柄OA逆時針旋轉(zhuǎn)，隔離觸頭從B點沿直線BB′運動至B′，接地觸頭從C點沿直線CC′運動至C′；當(dāng)接到隔離開關(guān)分閘信號后，主觸頭從B/點沿直線B B/回到B位置，接地觸頭同樣從C′點沿直線CC′運動至C點。由于接地側(cè)結(jié)構(gòu)與隔離側(cè)對稱分布，故只需研究單側(cè)機構(gòu)的運動特性即可。

圖4 傳動機構(gòu)簡圖

（1）滑塊（觸頭）行程計算

由于連桿AB在運動過程中繞B點擺動，A點在繞O點以O(shè)A為直徑的圓弧上運動，若初始位置時，點A在滑塊中心線上方，則有

若初始位置點在滑塊中心線下方，則有

由幾何關(guān)系只式（1）、式（2）中β0=θ0

由式（1）知：

由式（2）知：

考慮三工位拐臂在運動過程中，擺動角比較小，因此綜合，上述兩種情況可歸納為

滑塊的初始位置為

同理可計算得出滑塊末端位置為

由式（6）和式（7）可得觸頭行程，即

（2）拐臂優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及計算

在對三工位隔離/接地開關(guān)傳動件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，要求在滿足觸頭行程的前提下，拐臂及連桿總長盡量小且在運動過程中拐臂OA推動連桿AB及觸頭的動力越小越好，即γ0、γ1越小越好。同時根據(jù)異型曲柄、連桿及觸頭的實際布置，要求異型曲柄上A點不能偏離觸頭中心線過大，即OA?l0≤Δ，（OA為A點到O點的垂直距離，Δ為給定的最大偏移量）。于是建立優(yōu)化模型如下：

根據(jù)所選機構(gòu)的安裝位置及輸出角度可知，圖5中θ0=π/4，θ1=π/12；考慮到拐臂、連桿的安裝空間，取Δ=5mm；根據(jù)建立上述優(yōu)化計算模型及上述各設(shè)定值，利用Matlab對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得出l0、l1、l2、l3可供選擇的系列解，并繪制如圖5所示偏好解的等高線圖。

圖5l3相對l1、l2的等高線分布圖2

對該三工位隔離/接地開關(guān)傳動機構(gòu)而言，偏好解的選擇原則為：①拐臂及連桿總長盡量小，減小空間尺寸；②不能用一個目標(biāo)函數(shù)值的較大變劣代價換取其他目標(biāo)函數(shù)微小的變優(yōu)調(diào)整；③保證在制造及裝配過程出現(xiàn)微小偏差的情況下系統(tǒng)性能基本不變。根據(jù)以上原則，從所計算的系列數(shù)據(jù)中選取表1所示的數(shù)據(jù)作為偏好解，既得曲柄連桿機構(gòu)的幾個主要尺寸。

表1 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

2）中間安裝導(dǎo)體強度分析[7]

圖4中三工位隔離/接地開關(guān)內(nèi)的中間安裝導(dǎo)體為鋁鑄件，從運動關(guān)系分析：①該中間安裝導(dǎo)體一端固定于盆式絕緣子上，驅(qū)動軸貫穿并由其支撐傳遞操動機構(gòu)的輸入動力，承受較大的支撐力；②隔離開關(guān)動觸頭和接地開關(guān)動觸頭與該導(dǎo)體有相對的滑動連接關(guān)系，承受動觸頭運動過程中滑動摩擦力，且在隔離開關(guān)、接地開關(guān)合閘瞬間，承受動靜觸頭嚙合時的軸向反作用力；③隔離開關(guān)分合閘及接地開關(guān)分合閘過程中，該部件都要承受相關(guān)的操作沖擊力，承受變化作用力的頻度最高。因此從受力大小、受力頻度考慮，中間安裝導(dǎo)體綜合受力都是最為嚴(yán)重，因此在做應(yīng)力分析時，以此部件作為應(yīng)力分析的主要元件。另外，中間安裝導(dǎo)體的變形也直接關(guān)系到三工位隔離/接地開關(guān)的關(guān)合可靠性，也必須對其進(jìn)行強度分析。

三工位隔離/接地開關(guān)作慢速運動，沖擊較小，可將整個機構(gòu)簡化為靜力結(jié)構(gòu)分析問題；根據(jù)安裝形式，在固定于盆式絕緣子的面施加固定副、在傳動軸安裝孔處施以彈性支撐、屏蔽罩及中間觸頭安裝位置施加相應(yīng)重力、動觸頭處施加生摩擦力及觸頭嚙合時的軸向作用力，建立有限元模型并進(jìn)行仿真計算，得出如圖6所示應(yīng)力云圖。

圖6 應(yīng)力云圖

從分析計算結(jié)果可以看出，導(dǎo)體在正常工況下，應(yīng)力和形變較小，如破壞應(yīng)力最大值為4.9MPa，遠(yuǎn)小于鑄鋁件的破壞應(yīng)力值，完全能滿足實際需求。

3）電場強度分析[8-9]

三工位隔離/接地開關(guān)在因體積小，合理的絕緣設(shè)計就顯的尤為重要，因此在完成機械結(jié)構(gòu)圖紙繪制后，導(dǎo)入Maxwell等電磁場分析軟件，對新設(shè)計方案進(jìn)行了電場分析計算。

考慮到三工位隔離/接地開關(guān)機構(gòu)復(fù)雜性，應(yīng)用網(wǎng)格劃分控制工具的參數(shù)設(shè)置和疏密格等分網(wǎng)方式對導(dǎo)入的實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并按照實體模型的邊界線和邊界面的曲率排布設(shè)置了中間節(jié)點，并結(jié)合局部細(xì)化、重新分網(wǎng)等方法提高網(wǎng)格的質(zhì)量，以提高計算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分后，按照雷電沖擊電壓下的試驗條件，在隔離開關(guān)動觸頭側(cè)的導(dǎo)體上施加550kV電壓、隔離開關(guān)靜觸頭側(cè)施加?103kV電壓、接地開關(guān)靜觸頭及技術(shù)外殼施加0電壓作為激勵源，由軟件根據(jù)三工位隔離/接地開關(guān)的外形自行設(shè)置求解區(qū)域，域內(nèi)根據(jù) SF6氣體壓力設(shè)置介電常數(shù)。設(shè)定完成后，對模型進(jìn)行仿真計算，得出如圖7所示的電場云圖。

圖7 開關(guān)設(shè)備電場云圖

對三工位隔離/接地開關(guān)的電場強度分析結(jié)果進(jìn)行整理，并與參考資料[1]提供絕緣件場強參考設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比見表2，可以看出導(dǎo)體表面、絕緣件表面、SF6氣體內(nèi)、支撐絕緣件的殼體表面等部位的場強值均不超過參考值，并且具有足夠的設(shè)計裕度，新設(shè)計方案符合絕緣設(shè)計要求。

表2 電場強度分析結(jié)果

3 樣機制作與試驗

在完成各項設(shè)計后，進(jìn)行了樣機試制。在試制過程中，設(shè)計檢驗工裝對進(jìn)廠的三工位隔離/接地開關(guān)的拐臂、連桿的進(jìn)行檢驗，保證了安裝孔距的一致性，并采用三坐標(biāo)儀對外協(xié)加工的中間安裝導(dǎo)體進(jìn)行了關(guān)鍵尺寸檢驗；組裝過程中，先完成中間安裝導(dǎo)體的定位、安裝，再按設(shè)計方案完成隔離靜觸頭、接地接觸頭的裝配，整個裝配過程的快速而定位準(zhǔn)確。

樣機制作完成后，按制定的三工位隔離/接地開關(guān)的出廠檢驗要求進(jìn)行廠內(nèi)試驗。工頻試驗?zāi)蛪簼M足試驗要求、同期性滿足設(shè)計的技術(shù)文件，三工位主軸操作扭矩滿足設(shè)計計算，樣機的整機試驗結(jié)果與設(shè)計要求一致，試驗結(jié)果令人滿意。目前，已委托第三方試驗機構(gòu)按相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10-12]進(jìn)行型式試驗。

通過樣機試制證明，該新型的共箱式三工位隔離/接地開關(guān)完全可滿足各項預(yù)期設(shè)想，具有非常高的易裝配性和可靠性，且機構(gòu)更加緊湊，完全適應(yīng)了GIS小型化的需求并可在型式試驗完成后投入市場使用。

4 結(jié)論

通過分析某結(jié)構(gòu)形式的126kV三相共箱式三工位隔離/接地開關(guān)安裝調(diào)試過程的難點，結(jié)合國外分箱式隔離開關(guān)的優(yōu)點，提出了一種新的共箱式三工位隔離/接地開關(guān)機構(gòu)設(shè)計，并通過模擬計算完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用該新型結(jié)構(gòu)，克服了現(xiàn)有產(chǎn)品安裝調(diào)整難度大、裝配效率低的缺點，并有效減少了零部件數(shù)量；在保證產(chǎn)品整體裝配精度的情況下，提高了勞動生產(chǎn)率并降低了產(chǎn)品成本，取得良好的效果。

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[12]GB 1985—2014.高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)[S].

張永剛（1977-），碩士研究生，高級工程師，研究方向為智能化電氣設(shè)備。

The Design of New Three-position Disconnector/Ground Switches

Zhang Yonggang
(Jiangsu Nari Power Electrric Co.,Ltd,Nanjing 211100)

In order to improve the performance of three-position disconnector/ground switches in 126kV three-phase-in-one-tank type GIS,we put forward a new design and introduce the realization method on the basis of analysis the inadequacy of the traditional scheme.Practice shows that the new design method is simple,less number of component parts,easy to assemble and high reliability.It is entirely able to meet the expected requirements of the optimized &miniaturization GIS.

three-position disconnector/ground switches;three-phase-in-one-tank type GIS;optimization design