扭簧弹开式断路器绝缘自动保护解决方案

孙 浩，贲 飞，侯培红

（1.国网上海市电力公司 物资公司，上海 200235；2．上海电机学院 机械学院，上海 200245）

0 引言

设计断路器是解决保护配电网开断电力系统中负荷电流，关合过载及短路电流等问题的需要，主要针对10kV 系统。要求设计的断路器适用于城网或农网作为分段开关或者联络开关，亦可用于农网配电系统户外变电站作为出线开关，可与FTU/智能控制器配合使用，作为环网线路分段、分支出线故障的自动检测、隔离和报警，监控线路的运行，具有自动恢复非故障段供电功能。断路器配置测量、保护、控制和通讯模块后，可满足配网自动化要求，适用于变电站及工矿企业对配电系统中进行保护和控制，同时也适用于城市电网、农村电网及频繁操作的场所[1～3]。

1 断路器的基本设计思路

该种断路器主要用于室外，需固定安装在距离地面五米以上的电杆上使用，且要求便于从地面观察确认是否开合。因此作为用于10kV 系统的该型断路器拟采用三相固封极柱式结构，真空灭弧室采用纵向磁场熄弧技术，使用硅橡胶/环氧树脂固体绝缘，采用弹簧操作机构和永磁机构的组合，使其具有体积小、重量轻等优点，既可用控制器远程分合闸，也可就地或控制器无电时，紧急手动分合闸。

该型断路器拟设计为智能型户外柱上高压交流真空断路器，其永磁机构采用直线传输方式，可有效避免传统弹簧操作机构易卡滞、易锈蚀的设计缺陷，使得机构可靠性大幅提升。而且由于其用于室外，悬于距地面五米以上的高空，所以还需要考虑由于飞禽撞击或着落等导致短路的情况出现，即考虑增加隔离开关[1～3]。

2 一般断路器的设计

根据上述设计思路，该型断路器可分为不带隔离开关和带隔离开关两种类型。对于带隔离开关的安装方式，其所附带的隔离开关结构如图1 所示。

图1 一般断路器隔离开关结构示意图（ZW32E-12 型断路器）Fig.1 Schematic diagram of the circuit breaker isolating switch structure (ZW32E-12 type breaker)

由图1 可见，隔离开关可分为动触头段（俗称上闸）1 和静触头段（俗称下闸）2，其中动触头段的末端与隔离开关的出线端4 连接，其动触头段的中段经随动杆7 与设置在操作手柄3 的转杆5 上的摆杆6 连接，当操作人员转动操作手柄时，其转杆带动摆杆同步转动，通过带动随动杆进而使动触头段的首端发生升或降。

当隔离开关进行“分闸”操作时，在操作手柄之转杆的驱动下，动触头段的首端（即常说的动触头）被随动杆推动向上抬起，脱离与静触头2-1 的接触，实现“断开”功能，在电路上形成一个明显的断开点；当隔离开关进行“合闸”操作时，动触头段的首端在操作手柄的带动下，向下降落，与静触头进行接触，实现在电路的“连接”功能，以便其后接的高压交流真空断路器进行相应的“合闸”操作。

由于该型断路器为户外柱上式（即该开关是安装在室外露天的，具体安装形式为安装在电杆上的，故业内简称为“户外柱上”式），则其附属的隔离开关也是户外安装的。由于其中的静触头是朝上裸露在户外的，极易积存雨水或空气中的粉尘颗粒，形成污渍并对静触头形成侵蚀，增大其表面接触电阻，影响其接触效果，当所在的输电线路运行电流较大时，还会因为该处接触电阻的增大和接触效果的恶化，导致发热量剧增，严重时，会因为静、动触头之间温升过高而发生熔融、粘连，影响整个开关的正常工作甚至发生设备事故，导致正常供电的中断，影响送电回路或输电线路的正常运行。

现有隔离开关的静触头，需要定期进行清洁和防氧化处理，一方面增大了供电设备的日常维护工作量，另一方面，随着静触头与动触头接触部位（接触面）的不断被侵蚀，亦会增大动、静触头之间的接触电阻，给设备的安全运行带来隐患。

3 改进型断路器设计

3.1 结构分析

针对上述断路器存在的问题，在原设计图1 的基础上增加了一种断路器绝缘保护装置即扭簧弹开式断路器绝缘自动保护装置，其二维投影图和三维立体图分别如图2（a）、（b）所示。其在裸露的静触头上设置了一个可随开关“开”/“闭”操作动作协调一致的自动解除保护和自动实施保护的自动保护装置，也便于人们在地面观察，提供了断路器绝缘保护的有效、可行的方法，达到了断路器保护技术效果。

图2 绝缘自动保护装置（改进型）示意图Fig.2 An automatic protection device (improved) diagram

由图2 可见，改进型断路器在图1 所示原设计基础上又增加了如下结构特征：在隔离开关主体支架的静触头端，设置一下支架；在下支架上设置一前支架；在前支架的下部，设置一个导索下定滑轮轮，导索下定滑轮经过一个下定滑轮支架与前支架对应固接；在前支架的上部，设置一个导索上定滑轮，导索上定滑轮经过一个上定滑轮支架与前支架对应固接；在前支架的上部，设置一上支撑板；在前支架的上端，设置一保护套杆，保护套杆与上支撑板经过一个铰链铰接为一体；在铰链上套装有一个扭弹簧；在保护套杆首端与静触头位置对应处，设置有一静触头保护套；在操作手柄的转杆上设置一绳索固定环；在主体支架以及上支撑板上，与绳索固定环的纵向轴线位置对应处，设置第一和第三导绳孔；设置一绳索，绳索的首端与保护套杆的中端固接，绳索依次穿过导索上定滑轮、上支撑板上的第三导绳孔、导索下定滑轮和主体支架上的第一导绳孔设置；绳索的末端缠绕固接在绳索固定环上。

其导索下定滑轮经一个下定滑轮轴销固定在下定滑轮支架上，导索上定滑轮经一个上定滑轮轴销固定在上定滑轮支架上，其分别位于隔离开关主体支架以及上支撑板上的第一和第三导绳孔。上、下定滑轮的纵向轴线，位于同一个纵向平面中，与绳索固定环所在的纵向平面相重合。其静触头保护套、静触头以及动触头段首端的纵向轴线，位于同一个纵向平面中。其动触头段、静触头、静触头保护套、保护套杆、前支架、上支撑板、绳索、上定滑轮、下定滑轮以及绳索固定环，设置在同一纵向平面中。

3.2 工作原理

当操作手柄及其转杆绕转轴顺时针转动时，摆杆随转杆一起顺时针转动，并带动随动杆向下移，动触头段逆时针转动向下移动，此时固定在绳索固定环上的绳索在转轴上释放松开，保护套杆在扭弹簧复位力的作用下，将保护套杆向上抬起，保护套杆绕铰链顺时针转动，离开静触头，之后动触头段下移到位，与静触头契合。

当操作手柄绕转轴逆时针转动，摆杆随转杆一起逆时针转动，并带动随动杆向上移，动触头段顺时针转动向上移动，脱离与静触头的接触，此时固定在绳索固定环上的绳索在转轴上一同随转杆逆时针缠绕收紧，保护套杆在绳索拉力的作用下将保护套杆向下拉，保护套杆绕铰链顺时针转动，正好覆盖套在在对应的静触头上，对静触头进行绝缘保护，以防止静触头直接裸露在露天环境中，避免其被侵蚀或被污染。可见，绝缘自动保护装置是通过操作手柄及其转杆的转动，驱动绳索带动保护套杆及首端的静触头保护套动作，为断路器触头提供自动的绝缘保护功能。

4 结论

方案采用了“保护套撤离，开关合闸”和“开关分闸，保护套覆盖”的动作步骤，提供了与断路器“开”/“合”动作协调一致，自动解除保护和自动实施保护的绝缘自动保护装置，克服了以往对静触头的保护不便观察、不便操作的问题，也便于人们在地面观察，提供了户外式断路器绝缘保护的有效、可行的方法，达到了断路器自动保护的技术效果。

[1]董锐睿.低压断路器应用研究[J].机电信息，2010，24.

[2]黄铠，张策.塑料外壳式断路器选用的一般原则[J].电气制造，2010，1.

[3]王少龙，胡云芳.35kV 开关绝缘隐患引发主变停运事故分析[J].电世界，2015，2.