铰链四杆机构在断路器操动机构中的应用

2014-11-21郭小燕胡旭喆朱伯涛

河北电力技术 2014年5期

郭小燕，胡旭喆，朱伯涛

（1.国网河北省电力公司培训中心，石家庄 050031；2.河北建投沙河发电有限责任公司，河北邢台 054100；3.国网河北省电力公司邢台供电分公司，河北邢台 054000）

1 概述

高压断路器是电力系统的主要设备，操动机构是断路器的主要组成部分，操动机构的工作性能和质量的优劣，对断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。

断路器的分、合闸动作是通过操动机构来实现的。操动机构靠机械传递操作功使断路器分、合闸。操动机构是靠电磁铁或弹簧储存能量，能量传递至断路器的动触头，实现断路器的分闸或合闸操作，中间由一系列的传动部件组成，为了能够实现能量的有效储存、释放、传递，传动部件多数采用了铰链四杆机构。另外，在合闸、分闸的机械传动回路中，为了实现合闸、分闸保持的功能，多数也是通过铰链四杆机构实现。

2 铰链四杆机构

2.1 组成

将4个构件通过转动铰链联结而成的机构，称为铰链四杆机构［1］（见图1），4个构件如下。机架：铰链四杆机构中，固定不动的构件；连杆：机构中不与机架相连的构件；曲柄：与机架用转动副相连且能绕该转动副轴线整圈旋转的构件；摇杆：与机架用转动副相连但只能绕该转动副轴线摆动的构件。

图1 铰链四杆机构示意

2.2 死点和死区

当从动件上的传动角为零，驱动力对从动件的有效回转力矩为零，这个位置称为机构的死点位置，也就是机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置［2－4］。

在曲柄摇杆机构中，取摇杆为主动件，曲柄为从动件时，连杆与从动件曲柄2次共线的位置。死点的特点是无论在摇杆上施加多大的驱动力，均不能使从动件曲柄转动，且转向不能确定。

如图2所示，B点位置，铰链四杆机构正处于可以获得无穷大机械增益的机构位置。如果此时原动件为CD构件，由于从动件AB和连杆BC处于共线位置（即死点位置），则机构将无法运动。如果B点位置在外力作用下移至B1点位置，并由其他外力作用使其保持在B1点位置，使B1点不能够再向下运动，则B点至B1点的区间称为死区，在死区区间内，即使摇杆CD作用，也不会使得B1点向上运动，只有在B1点收到向上的外力时，并在外力作用下越过B点，这时，B点才能克服死点位置向上运动。

图2 铰链四杆机构的死点和死区

死点和死区的存在，无论驱动力有多大，机构都将不能运动，因此可以起到“锁紧”作用。而对于需要连续动作的机构来说，如果存在死点或死区，则对传动不利，必须避免机构由死点位置开始起动，同时采取措施使机构在运动过程中能顺利通过死点位置并使从动件按预期方向运动。

3 铰链四杆机构的应用

高压断路器要求操动机构具备储能保持、合闸、保持合闸、分闸、自由脱扣等基本功能。保持系统作用是利用死点或死区锁扣装置使断路器保持储能状态或合闸状态；分、合闸操作是利用破坏死点或利用锁扣释放使断路器合闸或分闸。

3.1 在电磁式操动机构中的应用

电磁式操动机构（CD2）［5］如图3所示。主轴01是固定的，它与断路器的传动轴连接，操动机构的拐臂1和主轴01固定连接，3个尺寸同样的连杆2、3和4；在轴销B 上有滚轮11；2个尺寸同样的连杆5和6；以及装有弹簧的鞍架7。拐臂与连杆之间用轴销连接，连杆4绕着固定轴02转动；连杆6绕着固定杆04转动。

图3 电磁式操动机构

如图3所示，机构在准备合闸前的分闸位置，此时连杆5和6的连接点越过死点位置，调节螺栓8阻止其移动，这样使得轴销C变成了一个瞬时的固定点。

合闸操作：合闸电磁铁得电，合闸电磁铁铁心顶杆10向上，顶住滚轮11。此时连杆3绕着轴03旋转，借助连杆2和拐臂1，使主轴01旋转，带动断路器的传动轴使断路器合闸并保持合闸。当滚轮11升起时，迫使鞍架7向左。合闸结束后，鞍架7已脱离滚轮作用，在弹簧力作用下，向右返回，顶住滚轮11，使机构保持在合闸位置。

分闸操作：分闸电磁铁绕组12通电，分闸电磁铁铁心顶杆9 向上运动，使C点脱离死区，向上运动，轴销03 向上移动，于是滚轮11从鞍架7 上落下，操动机构主轴01在断路器分闸弹簧作用下，向着逆时针方向转动，使断路器分闸。

自由脱扣：当断路器关合短路故障电流时，不管合闸命令是否解除，只要接到分闸命令，断路器都能立刻分闸。如图4所示，当断路器操动机构接到分闸命令后，即使合闸命令尚未解除，合闸电磁铁铁心顶杆10仍向上运动，但分闸电磁铁铁心顶杆9向上运动，使C点脱离死区，在连杆4、5、6 的共同作用下，轴销03向右移动，于是滚轮11从合闸电磁铁铁心顶杆10上落下，断路器分闸，即自由脱扣。

3.2 在弹簧式操动机构中的应用

CT2－XG型弹簧式操动机构［5］如图4所示，轴03－07、010和011均为固定轴，其中轴05 为操动机构主轴。轴04和05间形成四连杆机构。四连杆机构轴06、07，轴03、07和轴010、011都处于死点位置附近，轴09被分闸连杆8锁住，不能左移。轴08成为机构的临时固定轴，在轴04和轴08间形成可以传动的四连杆机构。

合闸弹簧已储能，当A点、02轴和滚子20三点在一条直线上时，A点处于死点位置，当A点继续向右运动，使得3点不在一条直线上，这时，如果没有锁扣3阻挡A点，则A点就会在弹簧力的作用下，继续向右运动，并围绕02轴做逆时针运动，从而释放弹簧能量，也就是说锁扣3实现了弹簧能量的保持功能。合闸动作过程：一旦合闸电磁铁1得电，铁心动作，铁心顶杆推动合闸连杆2把锁扣3的扣接解除，见图5，连杆4被释放，使得涡轮5向逆时针方向旋转。在已储能的合闸弹簧作用下，拐臂6带动杠杆7、拉杆和输出轴8运动，于是传动拉杆10向右水平运动使断路器合闸。

图4 CT2－XG 型弹簧式操动机构

图5 合闸四连杆动作情况

合闸后，合闸电磁铁的铁心顶杆复位，杠杆7被固定在锁扣11上，将操动机构保持在合闸位置，如图6所示。

分闸操作过程：如图4所示，当分闸电磁铁1得电，铁心被吸引，顶杆推动分闸四连杆机构，连杆2、3、4发生屈折，连杆5推动轴09向左运动，在断路器分闸弹簧的作用下，杠杆带动锁扣、拉杆和输出拐臂运动，于是传动拉杆向左水平运动，使断路器分闸。

自由脱扣。如图6所示，当断路器关合有故障电路时，在合闸过程中，当接到分闸命令时，分闸电磁铁得电动作，破坏分闸四连杆的平衡，在分闸弹簧作用下，使得连杆7脱离锁扣11，实现自由脱扣。

图6 分闸四连杆动作情况

3.3 应用注意事项

铰链四杆机构结构简单，力的传递性好，从机械方面能够满足和实现操动机构的各项功能，因此，在操动机构中得到广泛应用。但是，铰链四杆机构中存在死点和死区，其相关联部件需要定期进行检查，以保证连杆的可靠动作，另外，在铰链四杆机构中存在较多杆件和轴销，在维护时要注意加强杆件的变形监测和轴销的润滑，以保证操动机构的动作可靠性。