韩彦微，沈豪华，李耀辉，郭佳庆，刘振华

（广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山，528400）

0 引言

结合目前设备现场运维情况分析，断路器弹簧机构使用一定年限后，机构分合闸弹簧疲劳将极可能导致分合闸弹簧弹力不足，从而导致分合闸速度降低，影响断路器速度特性。由于影响该类型断路器合闸速度特性的主要是分合闸弹簧性能、预压缩量、机构的负载等，而断路器合闸时会同时对分闸进行储能，因此调整断路器分闸弹簧预压缩量，是一个较为便捷的调整断路器分合闸速度特性的方法。可通过调整增加分闸弹簧的预压缩量，便可提高断路器的分闸速度，使其速度特性满足现场运维要求。

本研究是研制一种户外断路器机构双螺母调整组合工具，有效便捷地完成双螺母调整工作，可有效解决上述弊端，只需一名操作人员就可实现快速对双螺母进行卡紧固定和松紧操作，省时省力，人机功效高。适用于户外断路器带分闸筒的分闸弹簧调整操作，无需对原有设备进行改造，配置成本低，体积小，携带使用方便，可推广性高。本组合工具的研究，将结合多年以来积累的现场生产工作经验提出的一种新的组合工具，在制作完成后将应用于实际调整工作中，有效解决目前调整工作的缺点，提高现场工作效率。

图1 某型号户外断路器操作机构分闸弹簧筒机构

1 户外断路器弹簧操作机构应力分布的分析

高压断路器是电力输送的关键设备，其可靠性是保证电力系统可靠运行的必要条件。相关统计数据表明，在断路器故障中有43%-45%是由机械故障引起的。操作机构机械零部件较多，传动过程相对复杂，且传动过程中瞬时冲击力较大。由于某运动元件疲劳受损所导致的机构整体应力分布不合理，易造成严重的故障，威胁断路器设备安全甚至电网稳定运行。因此，分析操作机构易损元件故障条件下的应力分布特性及运动特性，对探究操作机构故障演变过程及对其设计改进、监控等具有重要意义。

通过监测断路器分合闸运动状态及分合闸线圈的电流，获得弹簧的运行状态，得出弹簧性能及疲劳程度，解决了弹簧操作机构运行中，弹簧状态不易测量的问题；通过给出了分合闸弹簧的可靠度计算模型，结合强度退化模型，将操作机构储能弹簧的可靠度与动作次数相关联，探究储能弹簧的可靠度随操作次数增加而降低的现象，分析了储能弹簧的预期寿命；通过建立断路器操作机构受电网谐波影响的热力学模型，采用瞬态热路法分析了电网谐波对断路器操作机构动特性的影响，并采用有限元分析软件对所建模型进行仿真分析；在基于Johnson-Cook模型和碰撞理论，建立了含间隙的弹簧操作机构有限元弹塑性动力学仿真模型，研究了系统中分、合闸过程中大功率脉冲对复杂宽带非线性动力学特性的影响，探究销轴-轴套挤压变形、失效破坏的产生机理；通过有限元分析软件对直流真空断路器的机械联动动力特性进行了仿真分析，根据仿真结果，调整了断路器模块样机，并对真空断路器模块的机械联动配合进行了测量；有作者研究了两种新型电机操作机构，设计两种电机操动机构并分析了其动特性。通过有限元仿真分析，调整了电机设计参数，得到符合操作特性要求的电机操动机构，同时探究了两种电机操动机构起动特性、运行方式及控制方面的特点。以上方法均有效给出户外断路器操作机构应力分布的一定理论分析支持。

弹簧疲劳是弹簧操作机构最典型的故障，在合闸弹簧疲劳状态下操作机构各敏感单元(分闸弹簧、凸轮及滚轮、传动机构)的应力分布变化及合闸动作响应变化情况，结合分析可以验证分析结果的准确性，分析结果对弹簧操作机构的优化设计及运行维护具有重要的参考价值。

2 户外断路器弹簧机构应力松弛造成的影响

应力松弛是金属材料在应力或形变持续施加的情况下，微塑性变形逐渐积累，应力逐渐下降的过程，亦可称为弹性衰退。应力松弛过程与材料类型、环境温度、应力水平等相关。对于机械弹簧等弹性元件，应力松弛是其失效的主要模式之一。储能弹簧作为分合闸力的来源，其应力松弛对断路器分合闸操作的可靠性产生重要影响。断路器弹簧机构应力松弛将会造成分合闸速度变化，从而影响断路器的安全运行。典型的应力松弛曲线如图2所示。

图2 典型应力松弛曲线

3 户外断路器机构双螺母调整组合工具研究前景

目前电网设备实施严格的规范化检修工作，对断路器机械特性测试及分合闸速度测试都有规范的技术要求。户外断路器在变电站中数量巨大，尤其是操作机构为弹簧储能的更为常见，在设备长期运行中容易出现由于弹簧疲劳导致分合闸速度不合格的现象，因而需要调整弹簧进而使其分合闸速度可以满足运行要求。普通的工器具对双螺母进行卡紧固定和松紧操作较难完成，一般的普通工具对于此类双螺母机构调整不具备优势，很难达到最优的调整状态。目前市场上的操作工具实用性不强，操作空间狭小，操作人员很难施展，调整耗时耗力。在断路器的机构里作业，空间极其有限，对于专用的操作工具要求极高，且在空间有限的条件下无法完成单人操作，调整时需要多名操作人员同步协作，人机功效低，存在操作不当时有可能对分闸弹簧固定轴造成应力损伤，导致影响分闸速度。本组合工具有效便捷地完成双螺母调整工作，可有效解决上述弊端，只需一名操作人员就可实现快速对双螺母进行卡紧固定和松紧操作，省时省力，人机功效高。

4 户外断路器机构双螺母调整组合工具的原理

本项目研究的户外断路器机构双螺母调整组合工具，主要包括固定可更换组件、松紧可更换组件、可控制延长滑杆、固定主杆、控制操作杆、智能力矩数显装置、便携式三角固定支架、固定主杆固定辅助装置。固定可更换组件形同“7”字，一边为固定上螺母专用组件，其直角的宽度可有效提供调整第二颗螺母螺丝的空间；固定可更换组件另一边设置有可更换接头，可以根据使用场景及目标对象的不同，从而更换固定可更换组件，固定可更换组件接头可与可控制延长固定滑杆相连。松紧可更换组件一边为松紧下螺母专用组件，松紧可更换组件另一边设置有可更换接头，松紧可更换组件接头与固定主杆相连，从而将力矩有效的传递。适当调整可控制延长固定滑杆的长度，有效配合固定可更换组件，以至于调整专用工具力臂达到最优状态。可控制延长固定滑杆下部设置锁紧装置，当可控制延长固定滑杆调整至合适长度时，将其锁紧防止滑动。固定主杆上部连接收紧可更换组件，下部连接控制操作杆，在调整断路器分闸弹簧双螺母时，主要起力矩传递、连接收紧可更换组件收紧控制杆的作用。控制操作杆设置有方向锁，在调整断路器分闸弹簧双螺母的下螺母时，可根据需要进行收紧及松开。智能力矩数显装置固定在固定主杆下部，在调整断路器分闸弹簧双螺母的下螺母收紧及松开时，可直观的获得当前力矩，有效保证螺母调整操作质量。便携式三角固定支架上端通过万向头与可控制延长固定滑杆进行连接，可根据现场情况有效调整便携式三角固定支架的角度，从而达到最优的固定状态。固定主杆固定辅助装置有效将固定主杆与可控制延长固定滑杆固定起来，方便在操作时更稳定可靠。

图3 户外断路器机构双螺母调整组合工具原理图

经过上述户外断路器机构双螺母调整组合工具实现了将固定螺母辅助工具和螺母调整控制工具结合起来，有效解决由于空间狭隘、多人操作等问题。在对分闸弹簧筒内双螺母螺丝作业调整时，可实现单人操作，从而达到操作效率高、调整方便、节省人力物力等效果，提高操作的安全可靠性。

5 户外断路器机构双螺母调整组合工具的创新点

本研究在设计及功能构造上都比现有技术更便捷、实用，具有以下优点：

(1)结构巧妙，设计创新。户外断路器机构双螺母调整组合工具创新性将固定螺母辅助工具和螺母调整控制工具有机结合起来，既能实现上螺母的固定作用，又能实现下螺母的松紧操作，有效解决空间狭隘、多人操作等问题。

(2)有效克服空间狭小的限制，人机功效高。普通工器具对双螺母进行卡紧固定和松紧操作较难完成。一般的普通工具对于此类双螺母机构调整不具备优势，很难达到最优的调整状态。

(3)辅助工具可实现单人操作，方便快捷。目前所用的操作用具需多人配合才能完成操作任务，本发明所研制的新型专用工具利用巧妙的机构设计，可以在卡紧第一颗螺母的前提下，轻松完成第二颗螺母的松紧，从而实现单人操作，方便快捷。

(4)操作安全系数高。在以往的分闸弹簧调整过程中，由于操作工具不能较好的卡紧双螺母的其中一颗，在操作过程中有可能会由于卡不紧也松掉，导致操作工具滑落，此时用力较大，将会打伤分闸弹簧及其他机构，也会对操作人员造成一定的安全风险。采用新型户外断路器机构双螺母调整组合工具对分闸弹簧筒内双螺母螺丝进行卡紧固定后，可由单人轻松将另一颗螺母进行松紧操作，从而达到操作效率高、调整方便，操作安全系数高。