10kV压气式负荷开关优化设计

陈勇皓

（浙江力升弹簧股份有限公司，浙江乐清 325600）

0 引言

FKN12-12 系列户内交流负荷开关，适用于三相交流50 Hz、12 kV 的供电网络，用于开断负荷电流及关合短路电流。开关可配接地刀，也可配高压限流式熔断器，组成FKRN12-12D/T125-31.5负荷开关—熔断器组合电器。它可以靠高压熔断器（XRNT-12）开断短路电流，在配电中用于变压器前端，保护变压器。FN12 系列压气式负荷开关自进入市场以来，经过多年的推广，由于性能稳定，逐步代替了FN5、FN7 等系列高压负荷开关，且用量逐步增加。虽然产品在几十年内的发展中不断改进、升级，但是随着时代的发展，产品仍然需要继续改进，以适应当前市场及性能的要求。

1 FKN12-12 系列开关

FKN12-12 系列压气式负荷开关主要由安装机架、绝缘件、动静触头部件组件、机构罩组装、操作机构、接地轴组件、主刀轴组装、脱扣轴组装等部件组成。开关的三个静触头位于隔离钟罩之中，隔离钟罩依次安装安装机架上，三相动触头通过主轴带动实现分、合动作。主轴由装在安装机架上的操作机构驱动，通过操作手柄或电机带动主轴转动。转动过程使机构上的合闸弹簧储能，当主轴转动到一定角度，合闸掣子与合闸半轴分离，弹簧释放能量推动管状动触头，使之与静触头紧密结合，实现合闸，同时让分闸弹簧储能。分闸时，反向转动主轴，打开储能机构上的分闸半轴，释放分闸弹簧的能量，实现分闸。

2 存在的问题

2.1 动触头部件存在的问题

10 kV 开关的总体发展趋势是朝着智能化、小型化、模块化的方向发展。FKN12-12 系列负荷开关面市以来，一直都有良好的口碑，但是由于体积较大，动触头部件结构复杂，给装配与调试带来很多麻烦，也不符合技术发展的趋势。FKRN12-12 系列负荷开关由于体积大、重量大、结构复杂、零部件多，很难实现自动化，成本也比较高。

2.2 联锁功能存在的问题

接地和负荷之间的联锁，要求接地合上时，负荷开关不能合；负荷合上时，接地不能合。原来开关在这方面设计有联锁，但是由于用户蛮力操作，经常会破坏联锁。双重及多重联锁已在同类开关中推广使用，FKN12-12 系列开关也需要适应市场需求，作好开关双重或多重联锁，增加一道联锁，以防止用户违规操作带来的安全隐患。

2.3 安装机架存在的问题

FKN12-12 系列负荷开关安装机架有左操和右操之分，两种安装架不能通用，增加了生产厂家的机架库存量。另外，原来的机架各零件之间工装定位拼装焊接，各零件之间无相关联系，完全靠工装夹具定位，容易发生走位，且工装复杂笨重，对焊接机架的要求很高，也需要改进。

2.4 灭弧装置存在的问题

在开断较大的电流时，灭弧装置存在一定的缺陷，灭弧不充分，造成电弧灼伤触头。动、静触头的灼伤将最终导致烧掉开关。因此，需要改进灭弧装置，优化引弧触头材料，提高开关的灭弧能力，让开关在任何工况下都能安全可靠运行。

3 优化设计

3.1 动触头部件优化设计

动触头部件主要由导电管部件和支撑框架两部分组成（图1），导电管部件改进前后基本不变，主要对支撑框架进行重新设计。改进前的框架主要由动触座螺纹套、动触座、防护罩、护套连接套四部分组成。

图1 动触头结构

以上部件组件是开关的核心，组装过程复杂，且组装过程中需要使用专门的工装夹具，费工费时。针对该问题，对动触头结构进行改进（图2）。

图2 改进后的动触头结构

随着SMC 成型工艺的成熟，许多在以前不能实现或者实现起来成本很高的工艺，现在都可以实现，降低了制造厂家的生产成本，提高了生产效率。这里主要改动的零件有2 个：铝支架和框架。铝支架由原来2 个零件组合成1 个零件，框架集成了防护套、护套、尾翼3 个零件，并在原来的体积上进行缩小。

3.2 安装机架的改进

目前，FKN12-12 系列负荷开关有FKN12-12/T630-20（不带接地、不带熔座）、FKN12-12D/T630-20（带接地、不带熔座）、FKRN12-12D/T125-31.5（带熔座、带接地）和FKRN12-12/T125-31.5（带熔座、不带接地）4 种基本型号，再加上左操、右操，正装、倒装的区别，一共有16 种型号。其中，左操和右操的安装机架生产厂家需要根据客户需求分别备货，如果能实现两种安装机架的通用，将会大幅减少库存和运营成本。

为此，本次优化设计将左、右侧板的展开关图进行叠加比较，其中无干涉的部分很好处理，可以直接在左右侧板上都增加；有干涉的部分主要是图3 所示的两处位置。其中，一处干涉部分是走线用的工艺孔，另一处是辅助开关安装孔，工艺孔可以移动，这里直接用辅助安装孔代替，并删除原来的工艺孔（图4）。在左、右侧板都增加辅助安装孔，实际安装时左操的装在左侧，右操的装在右侧。

图3 左、右侧板重合

图4 优化接地螺孔位置

这样，可以解决焊接设备接地螺母安装孔、辅助开关安装孔相互干涉的问题，使得改进后的安装机架实现左操、右操通用。

3.3 联锁方面的改进

带电操作接地刀，是绝对禁止的。任何高压开关设计都会设计好这方面的联锁，防止带电误合接地刀。FKN12-12 系列负荷开关本身就有一道联锁，防止误合接地刀，但可以通过优化设计，在不增加成本的前提下实现双重联锁，使安全性更强。对接地支撑片进行形状优化，在原来的接地支撑片上增加尾翼（图5）。

图5 改进前后的支撑片

改进后，支撑片和尾翼部分的材料均为Q235 钢板。按照改进后的设计，要想合接地刀，必须逆时针转动接地轴，带动支撑片，使接地刀、接地夹子接触到位，刚开始转动接地轴时使尾翼碰到拐臂轴，从而限制接地轴继续朝逆时针转动，从而形成第二道联锁，实现带电不能合接地刀的效果。

3.4 灭弧系统的改进升级

灭弧装置是开关的重要组成部分，高压设备常见的灭弧装置主要有真空灭弧装置、石英砂灭弧装置、SF6灭弧装置、压缩空气灭弧装置、金属栅片灭弧装置等。FKN12-12 系列压气式负荷开关属于压缩空气灭弧。在开关开断时，将预备好的压缩空气利用管引向燃弧区域，压缩空气迅猛地吹向燃弧，拉长弧长，增大燃弧区的压力，使燃弧熄灭，达到快速灭弧的效果。

改进后灭弧装置系统主要包括静触头部件、导电管部件、导轨和喷嘴。当装置处于开关合闸时状态时，静触头固定在钟罩里面不动，开关由分闸到合闸，导电管沿着导轨向上运动（导轨不动），使导电管与静触头上的触指充分接触（触指由外圈的弹簧抱紧），实现合闸。开关由合闸到分闸时，导电管沿着导轨向下运动，与静触头分开一定距离，实现分闸。

在分闸瞬间，动触头与静触头分离，电弧通过引弧针被引导到动触头喷嘴区域，喷嘴释放压缩气体，气流分散离子拉长电弧，同时对电弧产生冷却作用。在电弧被冷却的状态下，气流随着动、静触头之间的距离增大而增加，触头之间介质的绝缘能力迅速恢复，电弧熄灭。这就是压气式负荷开关整个灭弧的过程。

改进升级的灭弧装置喷嘴采用聚四氟乙烯材料，喷嘴内腔下宽上窄，更符合空气流动力学结构。灭弧系统的优化主要从灭弧介质压缩空气强度和喷射流道3 个方面来进行：

（1）增加导电管内壁的光洁度，保持内壁尺寸均匀，增加活塞环与导电管内壁的密封性，防止分闸时管内压缩空气朝反方向泄漏。

（2）改变喷嘴内腔结构和材料，让压缩空气在喷嘴内腔内进一步压缩，增强其强度，喷嘴材料从聚碳改为聚四氟乙烯，防止喷嘴被燃弧熔化。

（3）重新设计了底座，在底坐上端焊上铜钨合金，防止产弧点被电弧灼伤。

4 优化效果分析

改进后的开关性能测试结果见表1。

表1 改进前后的开关性能测试

从表1 可知，改进前后开关的机械寿命相差不大，说明改进前后的设计均合理，机械强度满足要求。在回路电阻方面，改进后的开关回路电阻比改进前降低10 μΩ，性能有所提升，主要原因在于开关结构的优化，动触头部件中铝支架由原来的2 个零件组合成1 个零件，框架则集成了防护套、护套、尾翼3 个零件，从而缩小开关体积、减少联接点、降低回路电阻。

改进后的安装机架实现了左右机架通用，总重从原先的19.9 kg 降至16.8 kg，可减少安装机架库存量，给生产带来很多方便，降低成本。在联锁方面，主要增加了一道联锁。灭弧装置经过升级后，开关开断能力显著提升、稳定性更好，用户投诉减少。

5 结论

综上所述，随着科学技术的发展与需求的变化，电气产品日新月异。这要求生产技术人员不断探索，紧跟时代发展的步伐，以创新的思维方式，做符合市场需求的产品设计。在设计开关产品的过程中要始终以产品的性价比为核心，从实际出发，充分考虑制造生产成本、生产效益，以用户的客观需求为出发点进行设计改进，结合实际产品优化升级。FKN12-12 系列开关是一款面市较久的产品，不同生产厂家都进行过产品优化，在设计改进过程中可以取长补短，使产品得到最大限度的优化。