摘要：本文簡要介紹了法國AREVA公司生產的第三代FK3-4型高壓斷路器彈簧操作機構，闡述了該型彈簧操作機構的基本組成結構及工作原理，并對其工作性能進行了簡單分析，文章結尾對該型彈簧操作機構的推廣使用提出了展望。

關鍵詞：斷路器;彈簧操作機構;工作原理;性能;

1? 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的開關設備之一，由于其具有相當完善的滅弧結構和足夠的斷流能力，所以，它不僅可以切斷或閉合高壓電路中的空載和負荷電流，而且能在系統(tǒng)發(fā)生故障時通過與繼電保護裝置的配合，切斷過載電流和短路電流，對電力設備及系統(tǒng)起到重要的保護作用。而操作機構作為高壓斷路器分合閘操作的重要附屬部件，其動作的可靠性和運行穩(wěn)定性愈顯得至關重要。

高壓斷路器的操作機構根據工作原理一般可分為電磁機構、氣動機構、液壓機構、液壓彈簧機構和彈簧機構等。國際大電網協(xié)會關于《CIGRE1994：13-201194第二次高壓斷路器工作故障和缺陷國際調查正式報告 （WG13-06）》的概括性結論認為：高壓斷路器44%的主要故障及39.4%的輕微故障都與操作結構有關。彈簧操作機構在工作中的故障率僅為0.4%，而液壓機構的輕微故障率是彈簧機構的7倍，氣動操作機構的故障率是彈簧機構的2倍，由此可見，彈簧機構是高壓斷路器最為理想的操作機構。國內外的彈簧操作機構基本上可以分為夾板式結構和整體鑄鋁殼體式結構兩類。目前，夾板式CT系列彈簧機構和AREVA公司生產的整體鑄鋁殼體式FK系列彈簧機構是各類高壓斷路器中應用最多的兩種彈簧操作機構，由于FK系列彈簧機構具有優(yōu)越的設計理念和良好的工作性能，本文就AREVA公司的第三代FK3-4型彈簧操作機構的結構及性能特點進行相應論述。

2? FK3-4型彈簧操作機構的結構及工作原理

法國AREVA公司生產的FK系列型彈簧操作機構是目前世界上最先進的高壓斷路器彈簧操作機構，F(xiàn)K3-4型彈簧機構屬于AREVA的第三代彈簧機構產品，該機構采用兩根螺旋壓縮彈簧儲存的能量分別實現(xiàn)斷路器的分合閘操作。FK3-4型彈簧操作機構主要由儲能系統(tǒng)、合分閘系統(tǒng)及輔助部件三部分構成，各部分的具體組成結構見圖2-1：

圖2-1? FK3-4型彈簧操作機構的基本結構

2.1? 儲能系統(tǒng)結構及工作原理

FK3-4型彈簧操作機構配有一個合閘彈簧和一個分閘彈簧，合閘彈簧的儲能可由儲能電機和人工手動儲能兩種方式實現(xiàn)。儲能電機和手動儲能曲柄只給合閘彈簧儲能，而分閘彈簧則利用斷路器合閘時合閘彈簧釋放的部分能量實現(xiàn)儲能。儲能系統(tǒng)機構見圖2-1，其主要包括直流儲能電機（12）、減速齒輪組（13）、手動儲能曲柄（21）、鏈條（15）、齒輪（35）、合閘彈簧（9）、慣性飛輪（8）、飛輪軸柱（16）、自由輪（19）、合閘插銷（14）等部件。機構正常工作時，儲能電機上電，電機轉子順時針旋轉并帶動減速齒輪組轉動。減速齒輪組帶動慣性飛輪逆時針轉動180°，固定在慣性飛輪上的軸柱通過鏈條和齒輪（35）壓縮合閘彈簧儲能。合閘彈簧儲能到位后，通過合閘彈簧的行程開關常閉輔助觸點切斷儲能電機工作電源，電機停轉，而慣性飛輪則通過固定在其輪面上的軸柱輕靠在合閘插銷上，自由輪停靠在慣性飛輪的無齒段上，整個儲能過程結束，被壓縮的合閘彈簧作用在慣性飛輪上的轉動扭矩由飛輪軸柱和合閘插銷平衡。若儲能電機失電或者設備調試試驗，可將手動儲能曲柄嵌套在減速齒輪組的第一個齒輪軸上，通過逆時針手動搖動曲柄實現(xiàn)合閘彈簧的儲能。

2.2合分閘系統(tǒng)結構及工作原理

FK3-4型彈簧操作機構對高壓斷路器的分合閘操作分別通過合閘彈簧和分閘彈簧儲存的能量實現(xiàn)，合閘彈簧由1個合閘線圈釋放，而分閘彈簧則由兩個相同卻相互獨立的分閘線圈釋放。合分閘系統(tǒng)主要組成部分見圖2-2：

圖2-2? FK3-4型彈簧機構合分閘系統(tǒng)結構

如圖2-2所示，合分閘系統(tǒng)主要包括合閘軸（7）、傳動軸（1）、慣性飛輪（8）、飛輪軸柱（16）、合閘彈簧（9）、鏈條（15）、合閘插銷（14）、凸輪（26）、合閘凸輪（10）、聯(lián)動杠桿（11）、合閘線圈（22）、手動合閘杠桿（24）、分閘彈簧（3）、鏈條（34）、拐臂（33）、拐臂（5）、分閘插銷（6）、分閘線圈（27）、手動分閘杠桿（28）、拐臂（32）、阻尼器（4）、拐臂（2）及輸出拐臂等部件。在合閘彈簧儲能以后，慣性飛輪通過飛輪軸柱停靠在合閘插銷上，彈簧始終保持壓縮狀態(tài)。

當外部合閘指令接通合閘線圈電源回路，線圈勵磁產生電磁吸力釋放合閘插銷，或者在操作機構檢修試驗時手動按壓手動合閘杠桿使得合閘插銷脫扣，此時已經儲能的合閘彈簧便釋放能量，通過鏈條和齒輪帶動慣性飛輪和合閘軸順時針旋轉180°。由于合閘凸輪齒合帶滾子的聯(lián)動桿杠，慣性飛輪通過合閘軸帶動合閘凸輪順時針轉動的同時，合閘凸輪使得聯(lián)動杠桿帶動傳動軸逆時針轉動60°，傳動軸上的拐臂（2）通過輸出拐臂和連桿帶動斷路器動觸頭直線運動，實現(xiàn)斷路器觸頭快速合閘，同時拐臂（32）帶動阻尼器向上運動，阻尼器吸收合閘彈簧過剩的能量轉換為重力勢能，減小斷路器觸頭的合閘沖擊力。

斷路器合閘過程中，由于傳動軸帶動拐臂（33）逆時針轉動了60°，此拐臂轉動時通過鏈條和齒輪壓縮分閘彈簧儲能，分閘彈簧儲能到位的瞬間，拐臂（5）剛好?？吭诜珠l插銷（6）上。由于斷路器合閘完成后合閘彈簧釋能，儲能電機會立即接通電源運轉，通過減速齒輪為合閘彈簧再次儲能。

當外部操作裝置或繼電保護系統(tǒng)發(fā)出斷路器分閘指令后，分閘線圈電源回路接通，分閘線圈勵磁產生電磁吸力釋放分閘插銷，或者在機構檢修調試時人工手動按壓分閘杠桿（28）使得分閘插銷脫扣，此時分閘彈簧釋放能量，通過鏈條和齒輪帶動傳動軸順時針旋轉60°，傳動軸上的拐臂（2）通過輸出拐臂和連桿帶動斷路器動觸頭反向運動，實現(xiàn)斷路器分閘操作，而傳動軸上的阻尼器由于儲存了重力勢能，所以在分閘過程中用以輔助帶動斷路器動觸頭反向運動，實現(xiàn)斷路器平穩(wěn)分閘。分閘結束后，聯(lián)動杠桿通過滾子?？吭诤祥l凸輪上，為斷路器的再次合閘做好準備。

2.3輔助部件

FK3-4型彈簧操作機構的輔助部件主要有彈簧儲能行程開關（17）、凸輪（26）、拐臂（31）、斷路器輔助觸點（30）、彈簧儲能指示器（23）、斷路器狀態(tài)指示器（29）等，主要用作斷路器本體操作回路及預留給自動化控制、電氣閉鎖及遠方操作等二次回路的功能拓展，同時輔助部件便于觀察機構彈簧及斷路器分合閘狀態(tài)。斷路器輔助觸點由連桿和拐臂（31）觸動，彈簧儲能行程開關由裝在合閘軸上的凸輪（26）觸動。

3? FK3-4型彈簧操作機構的性能分析

3.1? 機構的合閘性能簡要分析

結合AREVA公司廠家資料，該操作機構合閘線圈可在80%～110%的額定操作電壓下正常工作，額定電壓為DC220V。選取80%UN、100% UN和110% UN三個點分別進行斷路器合閘性能現(xiàn)場試驗，分別測量三相觸頭合閘時間，所得試驗數(shù)據如表3.1：

根據表3.1試驗數(shù)據可求得在80%的額定操作電壓（176.0V）下，斷路器三相觸頭的平均合閘時間為104.8ms，三相不同期時間為1.6ms; 在100%的額定操作電壓（220.0V）下，斷路器三相觸頭的平均合閘時間為104.1ms， 三相不同期時間為0.1ms; 在110%的額定操作電壓（243.0V）下，斷路器三相觸頭的平均合閘時間為104.1ms，三相不同期時間為1.7ms;同時在本次試驗中測得三種電壓等級下斷路器的平均合閘速度分別為：2.83m/s、2.85 m/s、2.85 m/s。因此，可看出該機構在80%～110%的額定電壓下均具有良好的合閘性能，合閘電壓大幅度變化的時候，合閘時間基本相等，尤其在額定電壓下合閘不同期時間僅為0.1ms，對電氣設備及系統(tǒng)的沖擊甚小，并且在不同工作電壓下合閘速度保持穩(wěn)定，適應工作電壓范圍較廣。

3.2 機構的分閘性能簡要分析

由于AREVA公司廠家資料給出該操作機構分閘線圈工作電壓范圍為65%～120%的額定電壓，額定電壓為DC220V?，F(xiàn)場選取65% UN、100% UN和120% UN三個點分別進行斷路器分閘性能試驗，與合閘性能試驗一樣，分別測試三相觸頭的分閘時間。由于斷路器設有兩個獨立的分閘回路，所以現(xiàn)場對分閘回路1和分閘回路2分別加電進行試驗，所得試驗數(shù)據如表3.2和表3.3：

根據表3.2（分閘回路1試驗數(shù)據）可求得在65%的額定操作電壓（143.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時間為34.3ms， 三相不同期時間為0.2ms; 在100%的額定操作電壓（220.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時間為32.1ms，三相不同期時間為0.1ms; 在120%的額定操作電壓（265.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時間為31.6ms，三相不同期時間為0.3ms; 試驗中測得三種電壓等級下的平均分閘速度分別為：3.57m/s、3.62m/s、3.64 m/s。由表3.3（分閘回路2試驗數(shù)據）可求得在65%的額定操作電壓（143.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時間為32.9ms， 三相不同期時間為0.4ms; 在100%的額定操作電壓（220.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時間為31.8ms，三相不同期時間為0.2ms; 在120%的額定操作電壓（265.0V）下，斷路器三相觸頭的平均分閘時間為31.6ms，三相不同期時間為0.3ms; 試驗中測得三種電壓等級下的平均分閘速度分別為：3.58m/s、3.64m/s、3.63 m/s。

兩個分閘回路分別測試過程中，現(xiàn)場測得合閘彈簧首次儲能時間為10～12s，儲能電機電流為7.1～7.2A;斷路器進行連續(xù)合分閘操作過程中，彈簧再儲能平均時間為5.3～5.5s，電機電流平均為7.1～7.2A。結合以上數(shù)據可知此種螺旋壓縮彈簧具有良好的力學性能，可以承受頻繁壓縮和釋放操作，同時螺旋彈簧能儲存較多能量和承受較大載荷，電機再儲能時間較短，儲能電流小，所以此類彈簧操作機構更能適應水輪發(fā)電機出口斷路器的快速分合閘及頻繁操作的要求。

4. 結束語

FK3-4型彈簧操作機構應用螺旋壓縮彈簧，零部件不易老化，具有免維護性，不存在機構漏油、泄漏等問題，同時具有低噪音和使用壽命長等諸多優(yōu)點。由于機械彈簧一旦儲能，操作機構可以長久保持其能量不損失，并且儲能時間較短，工作性能不受環(huán)境溫度的影響，所以最適合用于年平均開斷次數(shù)多、操作頻繁的發(fā)電機出口斷路器上。同時，由于此型彈簧操作機構采用先進的設計理念，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性，分合閘速度快，適應工作電壓范圍廣，是當今全世界范圍內開關設備操作機構技術發(fā)展的趨勢，未來將被更廣泛地應用于操作發(fā)電機出口斷路器、GIS罐式斷路器以及高壓磁柱式斷路器等開關設備上。

參? 考? 文? 獻

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作者簡介：冶鵬飛（1989.5-），男，甘肅宕昌人，大學本科，助理工程師，主要從事水電站電氣設備的運維工作。