开关操作机构设计常见问题分析及对策措施

李小平

【摘 要】三工位开关是一种同时具有接地和隔离作用的装置， 具有可靠性高、体积小、质量轻及免维护等方面的要求，因此在柜式气体绝缘金属封闭开关设备中应用较为广泛。文章主要针对三工位开关操作机构设计中常见问题进行了分析。

【关键词】开关操作机构；常见问题；对策

随着开关技术的不断发展，三工位开关在开关柜中的应用越来越多。在中高压电力系统中，由于三工位隔离开关的操作力矩较大，为了实现由外部保护装置控制，必须采用电动机操纵。三工位开关使得GIS设备整体结构简化，尺寸减小，因减少一台操动机构，降低了成本。最重要的是实现了隔离开关和接地开关的机械联锁，省去了两者的电气联锁，避免了误操作，从而大大提高了GIS运行的可靠性；由于缺乏设计与运行经验，同样也遇到了很多难题。如何解决这些问题，是开关操作机构在开发过程中值得关注的。

1.结构简介

三工位开关结构如图1所示，主要有以下几部分组成：壳体、主母线、隔离静触头、动触头、导体、接地静触头、盘式绝缘子、小绝缘子、传动轴以及操动机构。此图中动触头处于隔离位置。电动操动机构通过连接板与本体相连，机构内齿轮和本体齿轮相啮合。相间通过传动轴和小绝缘子相连。当操动机构接收到DS闭合指令时，操动机构内电动机旋转，通过机构内与本体传动部分的一系列齿轮齿条传动，实现DS闭合。同样道理， 当给出DS 断开指令时，操动机构带动本体实现DS分断操作。ES的通断亦相同。也就是说，操动机构可以带动本体实现DS闭合一DS断开一ES闭合一ES断开一DS闭合的循环动作，在每一个闭合或分断结束后，均可通过操动机构限位，不会出现动触头运动不到位或行程过大等问题。

为了满足空间结构要求，三工位隔离开关主导体采用了异形结构铸铝件， 并在传动部分结构处采用三相导整体加工工艺，从而保证了三相同期性的要求，减少了相间传动间隙，增加了机械可靠性。

1-壳体 2-主母线 3-隔离静触头 4-动触头 5-导体制

6-接地静触头 7-盘式绝缘子

2.三工开关操作机构设计中的常见问题

2.1五防联锁

（1）三工位开关操作手柄插人至手动操作轴时，不能手动或电动对断路器进行合闸操作。

（2）只有当三工位开关在某个特定（指合闸、分闸、接地三个工位）的位置时，才能进行断路器的合闸操作。

（3）只有当断路器处于分闸位置或状态时，三工位开关的操作手柄才能插入手动操作轴并进行操作。

2.2手动操作力矩超标

三工位开关的操作一般采用电动或手动，但是，若手动操作时操作轴和驱动电机之间存在运动牵连，其操作力将会增大且存在电机逆向发电的情况，严重的会缩短使用寿命且容易引起二次线故障。一般，需要在手动操作和电动操作之间增加离合器装置来解决以上问题。

2.3直流电机运动惯性引起的运动过位

在电动操作过程中，直流电机在切断电源的瞬间，由于惯性的存在，电机不可能马上停下来，往往会继续旋转一定的角度，并带动操作机构的传动与控制部分的运动部件随之运动，造成过位现象，严重的会使电气控制部分（超出行程开关的有效行程范围）失灵。常规的解决方法是增加机械制动（刹车）装置。但该方法因为结构比较复杂，一般不作为首选方案。本文将要描述的是在直流电机的驱动回路中改变接线方式，使其达到制动效果

3.对策措施

3.1五防联锁的设计

联锁功能主要通过图2所示的几个功能部件实现。其简要过程如下：

（1）当三工位开关不在某个特定位置时（指合闸、分闸、接地三个工位），凸轮3上的位置凹槽与拐臂2上的半圆型凸台不能吻合，联锁板1将被拐臂2下方的凸台限位，活门5无法关闭，传动件7后续连接的行程开关与联锁装置不能获得有效的工作行程，运动无法启动，因而断路器不能进行手动或者电动合闸。

（2）当断路器处于合闸位置时，联锁销6将处于图2所示位置，活门5被可靠限位，无法打开，操作手柄不能插入至手动操作轴。

注：1一联锁板；2一拐臂；3一凸轮；4一拉簧5一活门；6一联锁销；7一传动件

（3）当断路器处于分闸位置或分闸状态时，联锁销6将向图示下方运动给定的位移（确保活门5可自由开启），此时活门5可以被灵活地开启，进行相关的操作。

3.2离合器的设计

在进行手动操作时，由操作手柄启动离合器装置，从而在操作过程中脱掉和电机相连的链轮；在进行电动操作时，该链轮位置自动恢复。图3是该装置的工作原理简介。

注：1一联锁轴；2一从动旋转轴；3一主动旋转轴4一链条；5一直流电机；6一从动旋转轴；7一复位弹簧；8一传动销；9一联锁链轮

手动操作时：操作手柄插入手动操作轴，同时联锁轴1将被向下压入一定距离，传动销8与联锁链轮9（通过光孔空套在主动旋转轴3上）完全脱开（图3所示1状态）；这时旋转操作手柄，联锁链轮9打滑，与之通过链条相连直流电机5将不能获得转动功率，手动操作力矩将大大减小，可轻松操作。

电动操作时：直流电机5通过链条4将功率传递给联锁链轮9，联锁链轮9旋转；当运动到其上自带的凹槽与传动销8吻合的位置时，联锁轴1连同传动销8在复位簧7的作用下，向图3所示上方运动，传动销卡人凹槽，与联锁链轮9啮合，将会带动主动旋转轴3转动；随之将运动传递给与其有运动关联的部件，以实现其操作功能。

3.3短接制动方案设计

本设计方案在直流电机驱动回路中，并联了另一支路，并在该支路中将控制直流电机正或反转的质量接触器Z1、Z2的常闭触点（其中S8为手动或电动操作切换用行程开关）串联接入。其工作原理简要介绍如下。

按下正转回路按钮TA，直流接触器Z1线圈得电，Z1常开触点（包含控制回路与电机驱动回路）得电吸合，直流电机正转，控制、驱动回路都接通，电机正转。当运动至合闸位置时，位置开关S4闭合，与之串联的继电器K4线圈得电，其串联在正转控制回路中的常闭触点K4释放，正转控制回路被切断。直流接触器z1线圈失电，Z1常开触点再次断开（包含控制回路与电机驱动回路），7，1常闭触点吸合。此时直流电机的正负极被短接，并与线圈z1、Z2、行程开关s8的常闭触点形成一个闭合回路。由于断开电源后转子尚有剩余磁场，而且转子依靠自己的惯性仍在转动，形成旋转磁场，转子的旋转磁场使定子绕组内产生感应电流；该电流将在电机内部产生一个与惯性旋转方向相反的旋转磁场，使电机内部产生很大的阻尼磁场，直流电机将会快速制动。反转回路制动的控制原理同上。

4.结束语

根据以上组成结构与试验结果可以看出， 该设计结构新颖， 技术参数高。试验结果表明，该操作机构手动操作轻松省力，电动操作动作准确可靠，防误功能强，满足现场使用要求。该操作机构现已配套应用于新开发的12.0～40.5kV气体绝缘中压开关柜（C-GIS）中，并在多个工程中成功应用，取得了良好的经济效益。

【参考文献】

[1]独田娃，王存富.三工位开关操作机构用离合器的设计[J].煤矿机械，2010，（11）.

[2]吕梅蕾，沈建位，汪家养.基于MSP430的三工位隔离开关控制器的研制[J].电力自动化设备，2008，（06）.