高压断路器模块化机构设计与研究

苏毅，张帅，彭在兴，李锐海，谢植飚，卢宇峰，赵林杰，王颂，易林，陈佳莉

(1. 广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁530023；2. 南方电网科学研究院，广州510663)

0 引言

高压断路器设备是电网重要的保护和控制设备，高压断路器机构是实现产品功能的核心部件之一，其可靠性关系到断路器产品的安全运行。根据电网统计数据，我国220 kV及以下电压等级的断路器事故统计中，机构拒动等故障占所有事故的43%；110～550 kV电压等级中，操作机构及其辅助回路的故障占所有故障的66.4%[1]。根据南方电网公司的检修试验规程[2]，约65%的断路器预试检修项目和机构有关，且由于断路器机构零部件多，二次接线复杂，机构的预试检修耗时费力。目前的机构设计未充分考虑现场更换需求，更换后需要进行大量调试工作；二次出线接口未采用标准化设计，更换调试时间长。因此，开发一种模块化、智能化、标准化的机构来实现机构不停电快速检修更换，以提高机构可靠性，减少检修时间具有重要的实用价值。

随着数字技术的快速发展，传感技术、微电子技术、控制原理以及信号分析技术等得到大量应用，为断路器智能化发展提供了研究方向[3 - 6]。目前对断路器状态进行监测的对象主要包括振动信号、分合闸线圈电流信号、储能电机电流信号、动触头行程信号、断路器触头温度以及环境温度信号、分合闸状态信号等[7 - 11]。但智能开关设备的实用性和商品化程度还不够，存在与初级产品设计不同步， 设备、安装接口不规范、部分智能组件不具备工程应用条件等问题[12]。 而在开关模块化方面，满足断路器保持接通的状态下更换相关部件模块，实现不停电更换，相关研究目前只集中在低压断路器[13]，高压断路器方面的研究相对缺乏。

目前，高压断路器设备在投运前，其电性能和分合闸机械寿命等指标可通过强制性标准的符合性试验验证，但仍缺失开关机构可靠性验证方法[14]。运行过程中由于存在环境应力和工作应力，开关机构的可靠性面临降低的风险，因此，有必要研究试验方法来检验开关机构在运行寿命内的可靠性。

本文基于上述高压断路器模块化、智能化的发展方向以及可靠性验证的需要，研究了一种模块化、智能化设计的断路器机构，并设计了一种基于加速老化试验的开关机构可靠性验证试验方法。

1 断路器机构二次回路模块化研究

断路器的机构是实现产品功能的核心部件之一，机构的可靠性关系到断路器产品的安全运行。由于断路器运行环境相对较差，而且断路器操作频繁，操作振动大，受这些不利因素影响，断路器出现故障多半是机构失效引起的。机构模块化主要目的是将机构的零组件按功能分区域布置，减少各功能模块之间的影响，降低结构的复杂性，从而提高产品的可靠性[15 - 17]。

机构模块化的主要任务是减低机构的复杂性、提高机构的可维修性，以达到便于故障原因的分析，减小故障更换时间，快速消除故障目的。因此，机构的模块化改造需要达到如下目标：1) 功能模块划分清晰；2) 模块接口标准化简化设计；3) 模块故障定位清晰；4) 实现部分模块的不停电更换。

1.1 断路器二次回路现状分析

1)接线端子数量多。本研究中使用的机构箱内，端子排的数量超过700个，接触器、继电器等接线端子超过300个，总的端子数量超过1 000个，且随着对断路器要求的增加，如要求辅助开关的常开和常闭点都接在端子上、电缆分交直流分区布置等，端子数量还需增加。导致更换机构时出现接线和检查难度巨大。

2)相间电缆数量多。分相操作中断路器三相之间的控制需要相间电缆来实现通信。例如，取辅助节点的信号，密度继电器和中间继电器之间的信号节点，三相不一致的节点需要大量的线芯，更换时容易造成接线错误，给检查带来困难。

3)断路器提取的信号多。每个信号节点需要一根电缆连接到后台，且交直流信号不能在同一根电缆中，因此需要多根电缆才能完成信号提取，而更换机构时需要重新拆卸和安装这些电缆。

4)二次元器件可靠性差。目前大量使用的二次元器件，由于布线复杂，存在接线松动、虚连线等不易分析解决问题。现场更换时需要进行拆线和重新布线，容易出错且费时费力。

1.2 断路器二次回路模块化设计方案

将断路器机构二次控制回路进行功能区分与封装，分别为：总控单元、监控自检模块、分合闸控制模块、第一跳闸模块、第二跳闸模块、状态监控模块、电机控制模块、温湿度控制模块和智能管理模块，如图1所示。各模块相互独立封装，功能独立，便于故障定位和更换。

图1 二次回路模块划分设计Fig.1 Division design of secondary circuit module

1)自检模块：对各模块(包括总控模块和自身)功能状态进行监控，当监测到二次回路发生故障时，自检模块对外发出告警信号并指示定位故障模块。

2)分合闸控制模块：同时对三相机构进行控制，实现断路器分合闸远程控制，可三相同时操作和分相操作。

3)第一跳闸模块和第二跳闸模块：与继电保护系统通信，接收继电保护信号，实现断路器跳闸和重合闸等保护动作，第一跳闸模块和第二跳闸模块互为备份，提高保护动作的可靠性。

4)状态监控模块：监控机构各项状态，并开出闭锁接点和信号接点，上传至总控单元，与电机控制模块进行通信。

5)电机控制模块：接收总控单元信号，控制机构储能电机的启动与停止，同时设置电机限流波保护功能、打压限时保护功能。

6)温湿度控制模块：具备温度传感器、湿度传感器、加热器和风扇，可进行数字设定控温、控湿范围，根据传感器数据控制风扇和加热器的启停。

7)智能管理模块：具备事件记录功能，可记录断路器历史动作数据和断路器故障数据。

1.3 断路器二次回路模块设计

二次回路模块由底座和主模块组成，模块设计为可插拔形式，更换满足“动件不动线”特点，便于维护。模块底座设计为独立模块，方便现场安装、接线。外形结构设计如图2所示。

图2 二次模块设计图Fig.2 Schematic diagram of secondary module design

模块结构设计在保证更换方便的同时，必须保证不会出现模块安装错误的情况发生。采用不对称设计，主模块与底座间的接插件设计为非对称排列，可以防止插反，避免插反带来的风险。同时，为防止模块间插错，在主模块与底座间可设计可自由搭配的防插错销。主模块与底座同时可设置2个防错销安装位，每个防错销有4个方向可以选择，这样可以实现16种不同的组合，通过防错销位置的不同组合实现主模块与底座的唯一匹配，如图3所示。

图3 二次模块防误装设计Fig.3 Mis-installation prevention design of secondary module

1.4 二次回路模块改造原理及功能分析

分合闸回路的改造原理是将原来的分裂元件通过功能的划分，集成到了3个模块内部。模块的设计依据GB/T 14598.2—2011《量度继电器和保护装置 第1部分：通用要求》[18]，以继电保护的要求来进行改造，以此来提高系统的稳定性。以分合闸控制模块为例进行说明，其原理如图4所示。

图4 分合闸模块原理图Fig.4 Schematic diagram of opening and closing module

通过该模块，可以实现的回路功能逻辑如下：

1)合闸回路：X5、X10和X15分别是三相(A相、B相和C相)合闸控制信号输入端。X33/X34、X39/40和X45/X46分别串接断路器常闭接点后接入断路器合闸线圈。由HBJA、HBJB和HBJC电流继电器执行合闸操作。

2)Ⅰ路分闸回路：X8、X13和X18分别是三相(A相、B相和C相)Ⅰ路分闸控制信号输入端。X35/X36、X41/42和X47/X48分别串接断路器常开接点后接入断路器Ⅰ路分闸线圈。由1TBJA、1TBJB和1TBJC电流继电器执行Ⅰ路分闸操作。

3)Ⅱ路分闸：X9、X14和X19分别是三相(A相、B相和C相)Ⅱ路分闸控制信号输入端。X37/X38、X43/44和X49/X50分别串接断路器常开接点后接入断路器Ⅱ路分闸线圈。由2TBJA、2TBJB和2TBJC电流继电器执行Ⅱ路分闸操作。

4)防跳功能：若合闸信号和分闸信号同时接入产品时，启动防跳继电器(TBJA、TBJB和TBJC)，由防跳继电器断开产品合闸回路，以此达到防止断路器频繁分合闸。

5)储能电机状态接入：产品三相合闸回路分别提供两个端口(A相合闸：X6/X7，B相合闸：X11/X12，C相合闸：X16/X17)，接入断路器储能机构的常闭接点。当储能机构完成储能后DTA、DTB和DTC接点闭合，此时可以进行合闸操作。当储能机构未完成储能DTA、DTB和DTC接点断开，此时合闸操作无效。

2 断路器机构一次部分模块化研究

2.1 断路器机构箱整体模块化改进

机构和断路器共有4处固定位置：机构顶部和断路器传动箱相连，侧面和机构箱挂板连接，机构的输出拐臂和传动箱拐臂连接，在机构和传动箱之间使用支撑杆连接。需解除这些位置的连接，机构才可以实现整体进行更换。为更方便地取出机构，节省拆除螺栓和封板的工作，将封板结构改进设计为门式结构，如图5所示。使用门式结构后，既能为提取机构留出足够的空间，又能节省螺栓拆装时间和难度。

图5 机构箱门式结构图Fig.5 Door structure diagram of the mechanism

在机构箱箱体后部增加了开门设计，由于门锁所需额外空间进行安装，因而机构箱支架需加长25 mm，因此需要对新的箱体进行强度校核计算。如图6所示，分相断路器的最大动载荷为50 kN，计算结果表明，最大应力集中于顶部角钢搭接处，其最大应力值σ1为1.273×108N/m2，支架主体采用Q235AF角钢，其屈服强度σ为2.827×108N/m2，改进后的安全系数n=σ/σ1=2.22，结构可靠。

图6 机构箱门式结构图Fig.6 Modularized improved support strength calculation

2.2 断路器机构零部件模块化设计

对于弹簧机构，现场需要更换的易损件主要是线圈和电机。这两个部件的拆卸、组装和更换较为复杂。为了提高效率和精度，将单个单元的更换优化为整体模块的更换。线圈组装的主要风险是重新组装时间隙变化的调整。为避免风险，电磁铁可在制造厂预组装，线圈整体更换为电磁铁。电机拆装的主要难点是机架内传动部件较多。为降低组装难度，电机与机架组装好后，可合并作为一个整体的电机组装模块，如图7。

图7 线圈模块和电机模块Fig.7 Coil module and motor module

同时按功能的不同对功能构件进行优化设计，以减少更换步骤。分别对合闸保持掣子复位弹簧压板、防跳阀座安装板、支撑杆和副分电磁铁安装板进行一体化设计，省去部分紧固螺栓，如图8所示。

图8 模块化零部件Fig.8 Modular components

3 断路器机构快速更换

3.1 断路器位置锁定方案

断路器在正常运行时，依靠机构将断路器的本体可靠地锁定在合闸位置，保持回路处于导通状态。当断路器需要带电检修、更换机构时，本体与机构将会脱开，如果动触头在重力和电动力的作用下脱开，则电弧会在触头间燃烧造成爆炸，酿成重大事故。因此必须保证机构与本体脱开后，本体仍能可靠地锁定在合闸位置，保证正常的运行，确保检修人员的人身安全。为了方便检修，锁定装置必须满足快速锁定和快速退出锁定、操作方便、易于观察这3项要求。

设计方案利用传动箱的螺孔，在传动箱安装1个带锁定孔的锁定块，当断路器处于合闸位置时，锁定块的锁定孔与外拐臂定位孔处于对穿位置，将锁定销穿在这对孔中，锁定外拐臂沿轴心转动的自由度，从而实现了机构与本体分离后，断路器本体仍能可靠地保持合闸状态，如图9所示。

图9 断路器本体锁定方案Fig.9 Schematic diagram of body locking

3.2 锁定方案可靠性验证

为了保证现场锁定时，轴销可以轻松地插入定位孔，轴销与孔之间设计有0.2 mm的配合间隙，外拐臂定位孔与转轴的中心距为70 mm，内拐臂长传动销与转轴的中心距为179 mm，放大比例为179/70=2.6倍。当销子的间隙为0.2 mm时，对应动触头上的位置最大变化量为0.5 mm，断路器的主触头接触行程约为10 mm，当触头向下运动0.5 mm时，触头的压紧力没有变化。因此变化0.5 mm不影响断路器的导电性能。同时触头处于高压位置，动侧和静侧的外形没有变化，电场和磁场无变化，如图10所示。

图10 触头锁定可靠性说明Fig.10 Reliability scheme of contact locking

触头在重力和电动力作用下向下运动时，轴销受剪切应力，触头电动力可根据式(1)计算[19]。

(1)

式中：I为短路电流取50 kA；r1为触头外径为100 mm；r2为接触处的圆弧为4 mm。计算得F1约为995 N，触头重力F2取250 N。

传动箱内拐臂长度为L1=179 mm，因此作用在传动箱转轴上的转矩M1为：M1=(F1+F2)×L1=(995+250)×179=222 855 N·mm。

锁定销与转轴中心的距离L2=70 mm，作用在轴销上的力可通过转矩求得F3=3 183.6 N，取整数为3 184 N。

锁定销在锁定位置时出现短路电流时所受的应力如式(2)所示。

(2)

式中S为锁定销的面积。锁定销直径为10 mm，求得应力σ约为46 MPa，远小于轴销材料合金钢的剪切应力490 MPa，能保证可靠的锁定。

3.3 断路器机构互换性研究

考虑到带电更换的情况，断路器处于动作状态，更换后的断路器的行程和机械特性无法测试。产品的性能只能通过机构的互换性来保证。因此，带电维修的前提是机构的互换性，互换性的基础是机构的标准化。

机构的标准化关键在于影响性能的关键零部件的标准化。弹簧机构使用弹簧作为动力源，决定了机构的分合闸速度；缓冲器用于限制机构的分闸位置，决定机构的输出行程；线圈决定了机构分合闸脱扣的速度，影响机构的分合闸时间；电机将电能转换为机械能，为机构进行储能。因此，弹簧、缓冲器、线圈、电机等零部件的性能对机构性能的影响较大。

1)弹簧。作为机构的动力源，弹簧的机械特性决定了机构的速度特性。弹簧的机械特性可以通过测试弹簧输出来反映，弹簧出力和对弹簧的实际压缩量呈正比关系。在机构的实际装配和调试过程中，为准确确认弹簧位置，同时考虑到测量的便捷性，采用测量弹簧法兰和筒的方式来确认的弹簧压缩量，进而确定弹簧位置。目前，常见的弹簧力值标定方式有定位移压缩标注法和定高压缩标注法两种。采用定高压缩标注法保证弹簧压缩一致性，并通过对弹簧刚度的严格要求来保证弹簧的互换性，从而保证机构的速度特性。

2)缓冲器。缓冲器用于限制机构的分闸位置，其限位性能与零部件加工和油量控制有关。为了实现缓冲器的标准化更换，提高对活塞和油缸的配合间隙、限位接头定位精度的精度要求。在装配时，除使用量杯加注液压油外，同时使用出油孔液面定位，保证油位精确可靠。通过控制缓冲器部件的加工精度，装配和注油量可以有效地控制缓冲器的限位和特性。

3)分合闸线圈。分合闸线圈减少定位台距离电磁铁距离，提高输出转矩的精度；减少分合闸电磁铁顶杆与分合闸挚子的间隙的误差允许范围，提高电磁铁输出特性精度；控制线圈匝数偏差范围，保证电磁铁输出力的大小。通过提高分合闸线圈的要求精度，保证 线圈的标准化互换性。

4)电机模块。结构上升级电机各安装孔和定位台的尺寸链，减少定位台距离。同时，通过减少螺栓孔径，控制齿轮啮合距离的精度，保证电机更换的标准度。

3.4 断路器机构快速更换方案

操作机构在安装到断路器上之前，为保证效率，可预先进行磨合。在模拟试验平台上磨合时，将弹簧压缩量、电磁铁间隙和行程位置提前进行测量，按照上述标准化的要求进行调整。进行200次的机械磨合操作后再进行安装，通过这一方法可以有效消除人工装配的差异，保证机械磨合的有效性和统一性。断路器机构带电更换，机构须处于关闭位置，为防止机构在运输周转过程中因振动而发生故障，运输过程中机构应处于开启状态且无储能。由于带电更换机构时无法进行特性测试，在更换前必须对现场的新机构进行复测，确保其完全符合要求。因此，在现场更换前，通过将更换的机构在模拟验证机上进行机构储能和关闭，同时进行特性测试和调整，机构在验证机上试验合格后再进行更换。

断路器检修试验规程的当前规定在流程上不允许断路器不停电更换机构。因此本研究旨在探索断路器机构不停电更换的可行性，后续对于不停电更换方案的可靠性验证以及试点应用仍需要进行大量探索工作。

4 断路器机构可靠性验证研究

4.1 加速老化试验方案

断路器在闭合通电位置时，操作机构长期不动作，一旦动作则要求动作灵活可靠[20]。操作机构包括金属件、非金属件、机械部件(结构件、运动件)以及电子/机电部件等组成部件。服役期间出现的故障模式可划分为机械故障、密封故障、二次故障、绝缘故障、结构故障以及环控故障。结合断路器机构的运行环境特征，选择湿热试验和盐雾试验进行机构加速老化研究。加速老化试验方法按照图11中的流程进行设计。

图11 试验方法设计流程图Fig.11 Design flow of test method

4.1.1 高温高湿加速老化试验方案

依据高温高湿加速试验-艾林模型[21 - 22]，设置环境分类为户外型；电气条件为额定供电条件和设定机械动作次数；样品数量为3台/件；试验温度为85 ℃，试验相对湿度为85%；预期寿命指标H为12 a，试验方案和时间如表1所示。

表1 高温高湿老化试验方案Tab.1 High temperature and humidity aging test scheme

高温高湿试验过程中，需要让电控部件带电按照正常工作模式动作，根据机构整体的寿命年限内总的机构动作(分合闸)次数以及具体的使用情况，合理分配高温高湿试验各小时内的电控部件动作次数以及停留时间，模拟真实的使用情况。

假设机构每年分合闸动作10次，机构检修周期为12 a，取平均无故障时间(mean time between failure，MTBF)为12 a，机构应分合闸动作120次。结合高温高湿加速试验：试验温度85 ℃，相对湿度85%，置信度为90%下出现无样品失效的时间为675 h，即电控部件单次动作周期为338 min，其中约1/10的时间为断开状态，9/10的时间为接通状态。

4.1.2 盐雾加速老化试验方案

试验采用GJB 899A—2009[23]规定的定时截尾统计试验方案，具体参数如表2所示。

表2 定时截尾试验参数表Tab.2 Timing Censored Test Parameters Table

根据试验方案，1台机构整体总的工作或承受试验应力的累积时间为：T≥1.61×12=19.4 a。根据中性盐雾加速试验的经验值，中性盐雾24 h试验满足要求后，相当于产品在正常使用环境条件下1 a的时间，即24×19.4=466 h，若1台机构整体进行中性盐雾加速试验进行了466 h，定时结尾试验，试验过程中无责任故障，可认为机构整体可靠性指标MTBF达到12 a[24]。

盐雾试验过程中，需要让电控部件带电控制机构整体按照正常工作模式动作，根据机构整体的寿命年限内总的机构动作(分合闸)次数以及具体的使用情况，合理分配盐雾试验各小时内的分合闸动作次数以及停留时间，模拟真实的使用情况。

假设机构每年分合闸动作10次，则MTBF为12 a时应分合闸动作120次，结合盐雾加速试验时间466 h，得机构单次分合闸动作周期为23.3 min，其中约1/10的时间为断开状态，9/10的时间为接通状态。

4.2 样机试验验证结果

对试验样机进行湿热和盐雾加速老化试验，研究样机的可靠性。

4.2.1 高温高湿老化试验结果

试验后，样品内部门锁连接杆螺丝及垫片和个别螺丝氧化，轴杆表面润滑油凝结于表面，走线盒变形，温度控制器外壳变形，温度传感器外壳变形，固定式LED灯具变形，电机保护壳变形；其他部件及整体外观无明显变化，如图12所示。

图12 湿热老化后样品Fig.12 Sample after humidity and thermal aging

试验前后，断路器机构的特性值[25 - 27]没有发生明显变化，如图13所示。

图13 湿热老化后特性曲线Fig.13 Characteristic curves after humidity and thermal aging

4.2.2 盐雾老化试验结果

盐雾老化试验后：断路器机构本体运动件基材未发生腐蚀，仅部分表面防护涂层出现龟裂或粉状氧化脱落不影响机构正常运行，如图14所示。

图14 盐雾老化后样品Fig.14 Sample after salt spray aging

盐雾老化试验前后，断路器机构的特性值没有发生明显变化，如图15所示，部分区段的行程曲线较老化前有下降趋势，但仍满足相关技术标准。

图15 盐雾老化后特性曲线Fig.15 Characteristic curves after salt spray aging

5 结语

本文研究了一种模块化、智能化设计的断路器机构。将断路器二次部分按功能分为分合闸模块、储能电机模块、温湿度控制模块等，模块采用可插拔结构设计，方便更换。同时改造断路器一次部分，提出了整个断路器机构不停电的更换方案，设计了断路器本体的定位方法，提出了一种保证断路器机构输出一致性的方案，以保证不同机构之间的互换性。研究了断路器机构的智能化方案，提出了断路器分合闸线圈电流监测方案和机构行程监测方案，包括传感器的选择和布置，以及智能终端的设计。基于湿热应力寿命模型和盐雾经验系数的加速老化试验方法，对研制的机构进行了可靠性验证。老化试验结果表明机构的可靠性满足要求。本文提出的模块化、智能化设计的断路器机构为断路器设备数字化标准化的发展提供了可能的方向。