邓集，毛文奇，黎治宇，陈国平，蒋新苗

(1.湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007;2.江苏省如高高压电器有限公司，江苏如皋226572)

SF6断路器因其优异的灭弧性能、极佳的运行可靠性及长期免维护的优点取代少油断路器在电网中大量使用〔1〕。其中使用弹簧操动机构作为操动机构的高压断路器随着自能式SF6断路器的问世应运而生，因为弹簧操动机构结构小巧，操作灵活，无漏油和漏气之虑，可靠性高，所以采用弹簧操动机构的断路器占有相当数量比例〔2〕。

弹簧操动机构分合闸操作通过分、合闸操作弹簧来实现。储能电机给合闸弹簧压缩储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧压缩储能。作为弹簧操动机构核心部件之一的操作弹簧对弹簧操动机构的可靠动作起着重要作用。针对近年来弹簧操动机构发生的一些故障，发现操作弹簧由于分合闸操作时压缩及释放能量，并且长期处于压缩状态，在运行一定年限年后出现不同程度的疲劳，导致断路器因操作弹簧释放能量不足发生拒分、拒合故障，因为该类故障具有突发性，所以严重影响电网的安全运行。

从文献〔3-4〕可知，许多研究者对于弹簧操动机构的操作弹簧的可靠性进行了一些分析计算，但缺少对实际使用的操作弹簧的试验研究。本文选取实际使用的典型操作弹簧为试验对象，按照弹簧操动机构设计机械寿命10 000次进行机械操作，对操作弹簧的外形尺寸、压缩负荷、分闸合闸速度和时间等特征参量进行了测量，得出了操作弹簧特征参量与操作次数的关系曲线。

1 试验材料及方法

1.1 操作弹簧材料的选择

选择高品质原材料是确保操作弹簧可靠性的前提。按设计时选取工作剪切应力的范围，60Si2CrVA是同类材料的首选，其机械性能比应用较为普遍的60Si2MnA要高。由于在钢中加入了铬和钒，使得其弹性极限、高温强度极限及淬透性都相应提高，并消除了含硅弹簧钢的脱碳及石墨化倾向，在常温及较高温工作条件下机械性能都比较稳定。

1.2 操作弹簧出厂试验要求

操作弹簧出厂试验主要是按相关国标、图样及技术要求对弹簧逐一进行几何尺寸、压力、硬度、垂直度等项目的检测。

表1为某国内断路器生产厂家对其LW36-126型SF6断路器弹簧操动机构使用的操作弹簧的出厂试验要求，其中合闸弹簧为大弹簧内部套小弹簧的双簧结构。弹簧示意图见图1。

表1 操作弹簧出厂试验要求

图1 弹簧示意图及相关测量参数

1.3 试验材料

本试验采用某国内断路器生产厂家LW36-126型SF6断路器弹簧操动机构所使用的分、合闸操作弹簧，弹簧材料为60Si2CrVA。通过数控全自动拉压弹簧试验机、游标卡尺、高度尺等测量工具来测量弹簧的相关参数，机械操作试验前操作弹簧的相关测量数据见表2。数据表明，本试验使用的操作弹簧各测量参数符合相关技术要求。

表2 操作弹簧参数测量数据

1.4 试验设备

将被试分、合闸弹簧装配在配套的弹簧操动机构上，该弹簧操动机构与模拟试验装置相连接，如图2所示。该模拟装置可通过改变传动质量来正确模拟断路器灭弧室的工作情况，同时通过直线位移传感器及断路器特性测试仪来测量分、合闸速度和时间。被试弹簧操动机构与模拟试验装置总装完成后，机械操作试验前分、合闸速度和时间测量值分别为:分闸速度4.77 m/s，分闸时间30.1 ms，合闸速度4.26 m/s，合闸时间68.5 ms，该测试数据均满足厂家对断路器的技术要求。

图2 操动机构与模拟装置组装图

1.5 试验方法

在安装前用相应的测量工具测量并记录弹簧的相关参数，在0～2 000次机械操作中以400次间隔测量弹簧的相关参数以及分、合闸速度和时间，在2 000～10 000次机械操作中以1 000次间隔测量弹簧相关参数、分闸与合闸速度和时间。

2 试验结果与讨论

2.1 操作弹簧的预压缩和工作位置压力、外径、线径、自由长度变化与操作次数的关系

合闸大弹簧、合闸小弹簧和分闸弹簧N次操作后的预压缩位置压力 (P1N)和工作位置压力(P2N)、外径D、线径d、自由长度lN与操作次数0次时预压缩位置压力 (P10)和工作位置的压力(P20)、外径D、线径d、自由长度l0的比值和分合闸操作次数的关系曲线如图3～8所示。

图3 合闸大弹簧压力比值与操作次数关系

图4 合闸小弹簧压力比值与操作次数关系

图5 分闸弹簧压力比值与操作次数关系

图3～5为分、合闸操作弹簧预压缩位置压力和工作位置压力随操作次数增加的变化曲线。如图所示，随操作次数的增加操作弹簧压力起初迅速下降，经过一定操作次数后基本稳定，操作次数8 000次以后有回升的趋势;预压缩位置压力变化明显大于工作位置压力变化;合闸大弹簧的压力变化明显小于合闸小弹簧和分闸弹簧的压力变化。

图6 合闸大弹簧外形尺寸比值与操作次数关系

图7 合闸小弹簧外形尺寸比值与操作次数关系

图8 分闸弹簧外形尺寸比值与操作次数关系

图6～8为分、合闸操作弹簧外形尺寸随操作次数增加的变化曲线。如图所示，随着操作次数增加，螺旋弹簧的自由长度均呈现下降趋势，但变化量很小，而外径、线径略有增加，同样变化量也很小;合闸大弹簧的外形尺寸变化明显小于合闸小弹簧和分闸弹簧的外形尺寸变化。

2.2 分、合闸速度及时间变化与操作次数的关系

操作弹簧N次操作后测量的分闸速度V分闸N与操作次数0次时分闸速度V分闸0的比值、分闸时间t分闸N与分合闸操作次数0次时分闸速度t分闸0的比值和分合闸操作次数的关系曲线如图9所示。

图9 分闸速度、分闸时间比值与操作次数关系

如图9所示，分闸速度、分闸时间随操作次数增加而增加，6 000次以后，分闸时间明显增加，而分闸速度明显下降，但8 000次以后，分闸时间略有下降，而分闸速度略有增加。操作次数6 000次以后出现的变化，分析认为是由于操动机构传动部件磨损，传动效率下降，导致分闸速度下降、分闸时间增加;而操作次数8 000次以后出现的变化，分析认为是分闸弹簧工作压力增加导致分闸速度上升，分闸时间减少 (参见图5)。

操作弹簧N次操作后测量的合闸速度V合闸N与操作次数0次时合闸速度V合闸0的比值、合闸时间t合闸N与操作次数0次时合闸速度t合闸0的比值和分合闸操作次数的关系曲线如图10所示。

图10 合闸速度、合闸时间比值与操作次数关系

如图10所示，合闸速度、合闸时间随分合闸操作操作次数增加有所波动，但操作次数为6 000次以后，合闸时间明显增加后又趋于稳定，同时分闸速度也明显下降后又趋于稳定。针对操作次数6 000次以后出现的变化，分析系同样由于操动机构传动部件磨损，传动效率下降，导致合闸速度下降、合闸时间增加。

3 结束语

3.1 操作弹簧的预压缩位置和工作位置压力随操作次数增加均有下降，预压缩位置压力变化大于工作位置压力变化，合闸大弹簧压力变化小于合闸小弹簧和分闸弹簧。

3.2 操作弹簧的自由长度随操动次数增加均有下降，弹簧的外径、线径随操动次数的增加略有增加，合闸大弹簧外形尺寸变化小于合闸小弹簧和分闸弹簧。

3.3 操作次数为6 000次以后，分、合闸速度明显下降后又趋于稳定，分、合闸时间均有增加，但操作次数为8 000次以后，分闸速度略有增加，分闸时间略有下降。

3.4 操作弹簧的外形尺寸、压缩负荷、分、合闸速度和时间与操作次数关系分析对弹簧操动机构的检修具有一定的参考价值。

3.5 运行中的断路器尤其是高电压等级的断路器每年的分、合闸操作次数极少，分、合闸弹簧长期处于强压缩状态，因为机械操作寿命试验一般在较短时间段内完成，这与断路器运行的实际工况有所不同，因此对于运行中操作弹簧的状态和疲劳特性还有待进一步的研究。

〔1〕徐国政，张节容，钱家骊，等.高压断路器原理和应用〔M〕.北京:清华大学出版社，2000.

〔2〕苑舜.高压断路器弹簧操动机构〔M〕.北京:机械工业出版社，2001.

〔3〕舒服化.高压断路器弹簧操动机构合闸弹簧可靠性分析〔J〕.高压电器，2007，43(5):368-370.

〔4〕周勇，周北岳，李小松.基于ANSYS的断路器保持弹簧冲击响应分析〔J〕.高压电器，2009，45(3):15-17.

〔5〕黄亚宇，王立华，董明智.基于多体动力学的弹簧操动机构的动态特性研究〔J〕.机械设计与研究，2007，23(2):32-36.