CN106683919B - 一种操动机构及使用该操动机构的开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种操动机构及使用该操动机构的开关装置，该操动机构包括动力装置和传动机构，传动机构包括与动力装置的输出转轴连接的拐臂轴以及与拐臂轴传动连接的用于带动断路器分合闸的绝缘拉杆，操动机构还包括用于在分合闸过程中均先提供助力后提供缓冲力的弹簧装置。本发明中，弹簧装置在分合闸前期为断路器的动触头提供助力作用，这样可减小动力装置的短时输出功率和瞬态转矩输出能力，使动力装置具备转动惯量小、体积和重量小的特征。同时，弹簧装置在分合闸后期为断路器的动触头提供缓冲作用，使断路器能够平稳停止在分合闸位置，降低冲击力。
Description
技术领域
本发明涉及一种操动机构及使用该操动机构的开关装置。
背景技术
传统的操动机构，如电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等存在的问题有：1）固有机械特性差，无法实现运动过程控制，只能以单一的速度进行合闸和分闸操作，灵活性差；2）长期静置的高压断路器存在因机构粘滞、卡涩造成的动作时间分散性大，难以满足分合闸运动速度要求；3）传统机构运动特性离线调整范围有限，调整过程较为复杂，面对部分特征场合时往往需要更换操动机构才能够满足应用需求，造成产品线过长，不利于生产和维护；4）传统操动机构分合闸操作时，机械部件之间会产生很强的机械碰撞，对断路器的使用寿命和运行可靠性极为不利；5）传统操动机构均采用机械储能方式，因机械储能释放异常引起的故障往往存在人身安全风险；6）无法对高压断路器的核心控制功能实现智能化；7）关键机械状态参量只能在分合闸操作过程中量测，难以满足“状态维护”所需要的预判性要求。
现有技术中出现了一种新型高压断路器的操动机构，如申请号为201310578281.4的中国发明专利申请公开的一种高压断路器永磁变气隙有限转角电机操动机构，该操动机构以电机作为动力装置，电机拐臂轴通过传动机构与断路器的动触头连接，进而实现断路器的三相机械联动。传动机构包括传动拐臂轴、传动拐臂、传动连杆和绝缘拉杆，电机拐臂轴与传动拐臂轴连接，传动拐臂固设于传动拐臂轴上，传动连杆的两端分别与传动拐臂和绝缘拉杆铰接，绝缘拉杆的上端与断路器的动触头连接。电机连接有控制系统，通过控制系统实时跟踪，电机驱动断路器动触头按照预设模式运动。
上述操动机构虽然能够解决传统操动机构所面临的操动性能上的问题。但是，高压断路器使用该操动机构后，断路器的动触头运动时所需能量仅依靠操动机构的电机来提供，在分闸、合闸之初，动触头需要较快分合闸速度，因此该操动机构电机的短时输出功率、转矩输出功率均必须按照峰值状态设计，才能够具备大功率输出和高瞬态转矩输出的能力，满足分合闸之初动触头所需运动速度；当电机具备大功率输出和高瞬态转矩输出能力时，也就会失去了小转动惯量和小体积、重量的特征，也就不能够适配断路器整体性能和成本要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操动机构，用以解决现有技术中动力装置的短时输出功率、转矩输出功率均必须按照峰值状态设计不能够适配断路器整体性能和成本要求。本发明的目的还在于提供一种使用该操动机构的开关装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种操动机构，包括动力装置和传动机构，传动机构包括与动力装置的输出转轴连接的拐臂轴以及与拐臂轴传动连接的用于带动断路器分合闸的绝缘拉杆，操动机构还包括用于在分合闸过程中均先提供助力后提供缓冲力的弹簧装置。
所述弹簧装置包括沿绝缘拉杆的轴向间隔分布的分闸弹簧和合闸弹簧，绝缘拉杆上于分闸弹簧和合闸弹簧之间设有弹簧座，所述分闸弹簧在分闸过程中释能助推所述弹簧座，所述合闸弹簧在分闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能，所述合闸弹簧在合闸过程中释能助推所述弹簧座，所述分闸弹簧在合闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能。
操动机构包括用于在合闸到位、分闸到位后与所述拐臂轴挡止配合以防止拐臂轴在弹簧装置的弹力作用下转动的挡止结构。
拐臂轴上的传动拐臂在拐臂轴的转动路径上具有最高点和最低点，操动机构在传动拐臂越过最高点之后达到合闸保持位置，在传动拐臂越过最低点位置之后达到分闸保持位置，所述挡止结构在合闸保持位置和分闸保持位置与拐臂轴挡止配合。
合闸过程依次包括合闸启动阶段、合闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、分闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和合闸保持阶段；分闸过程依次包括分闸启动阶段、分闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、合闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和分闸保持阶段。
所述动力装置为伺服电机，伺服电机连接有伺服控制系统，伺服控制系统包括控制器和用于采集断路器合闸位置信息的传感器，控制器可根据传感器采集到的分合闸位置信息控制伺服电机启停。
所述伺服控制系统包括伺服驱动器、辅助控制回路、储能电容仓和隔离电源系统与进线管理模块。
一种开关装置，包括断路器和操动机构，操动机构包括动力装置和传动机构，传动机构包括与动力装置的输出转轴连接的拐臂轴以及与拐臂轴传动连接的用于带动断路器分合闸的绝缘拉杆，操动机构还包括用于在分合闸过程中均先提供助力后提供缓冲力的弹簧装置。
所述弹簧装置包括沿绝缘拉杆的轴向间隔分布的分闸弹簧和合闸弹簧，绝缘拉杆上于分闸弹簧和合闸弹簧之间设有弹簧座，所述分闸弹簧在分闸过程中释能助推所述弹簧座，所述合闸弹簧在分闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能，所述合闸弹簧在合闸过程中释能助推所述弹簧座，所述分闸弹簧在合闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能。
操动机构包括用于在合闸到位、分闸到位后与所述拐臂轴挡止配合以防止拐臂轴在弹簧装置的弹力作用下转动的挡止结构。
拐臂轴上的传动拐臂在拐臂轴的转动路径上具有最高点和最低点，操动机构在传动拐臂越过最高点之后到达合闸保持位置，在传动拐臂越过最低点位置之后达到分闸保持位置，所述挡止结构在合闸保持位置和分闸保持位置与拐臂轴挡止配合。
合闸过程依次包括合闸启动阶段、合闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、分闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和合闸保持阶段；分闸过程依次包括分闸启动阶段、分闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、合闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和分闸保持阶段。
所述动力装置为伺服电机，伺服电机连接有伺服控制系统，伺服控制系统包括控制器和用于采集断路器合闸位置信息的传感器，控制器可根据传感器采集到的分合闸位置信息控制伺服电机启停。
所述伺服控制系统包括伺服驱动器、辅助控制回路、储能电容仓和隔离电源系统与进线管理模块。
本发明的有益效果是：本发明中，操动机构的动力装置通过传动机构与断路器的动触头传动连接，进而带动断路器分合闸。操动机构还包括弹簧装置，弹簧装置在分闸、合闸过程中均先提供助力后提供缓冲力，即在分闸、合闸前期，断路器的动触头在动力装置和弹簧装置的共同驱动下运动，当断路器的动触头运动至开断和关合位置后，弹簧装置起到缓冲制动的作用。本发明中，弹簧装置在分合闸前期为断路器的动触头提供助力作用，这样可减小动力装置的短时输出功率和瞬态转矩输出能力，使动力装置具备转动惯量小、体积和重量小的特征。同时，弹簧装置在分合闸后期为断路器的动触头提供缓冲作用，使断路器能够平稳停止在分合闸位置，降低冲击力。
附图说明
图1为本发明开关装置的一种实施例的整体结构示意图；
图2为图1中开关装置处于合闸位置时传动拐臂的位置简图；
图3为图1中开关装置处于分闸位置时传动拐臂的位置简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明一种开关装置的具体实施例，如图1至图3所示，该开关装置包括支架1以及安装在支架1上三相单极断路器2和驱动三相单极断路器2同步分合闸的操动机构。三相单极断路器2的结构均相同，每一相断路器均包括灭弧室21和绝缘支柱22。操动机构包括伺服电机3，伺服电机3构成操动机构的动力装置，伺服电机3通过传动机构与断路器的动触头传动连接，进而带动断路器的动触头上下运动实现分合闸。传动机构包括安装在支架1上的拐臂轴4以及安装在绝缘支柱22内的绝缘拉杆5，拐臂轴4与伺服电机3的输出转轴通过联轴器连接，拐臂轴4具有传动拐臂6，传动拐臂6通过镰刀型连杆7与绝缘拉杆5连接，绝缘拉杆5的上端与断路器的动触头连接。当拐臂轴4顺时针转动时，绝缘拉杆向下移动实现断路器分闸，反之则断路器合闸。
操动机构还包括弹簧装置。弹簧装置包括沿绝缘拉杆5的轴向间隔分布的分闸弹簧8和合闸弹簧9，分闸弹簧8位于合闸弹簧9的上方；绝缘拉杆5上于分闸弹簧和合闸弹簧之间的位置处固设有弹簧座13。弹簧装置还包括套筒10，绝缘支柱22通过所述套筒10固定在支架1上，绝缘拉杆5穿设于绝缘支柱22和套筒10中。套筒10的上端设有上弹簧安装座11，下端设有下弹簧安装座12；分闸弹簧8套在绝缘拉杆5上并固定在上弹簧安装座11上，合闸弹簧9套在绝缘拉杆5上并固定在下弹簧安装座12上。其中下弹簧安装座12与套筒10一体设置，上弹簧安装座11与套筒10通过螺栓连接在一起。上弹簧安装座11的中部具有供绝缘拉杆5进入的穿孔，下弹簧安装座12的中部具有供绝缘拉杆5和镰刀型连杆7进入的穿孔。弹簧装置用于在分合闸过程中为断路器先提供助力后提供缓冲力。当操动机构驱动断路器合闸前，合闸弹簧9处于被弹簧座13压缩储能的状态。在合闸过程中，合闸弹簧9助推弹簧座13为断路器合闸提供助力；当合闸弹簧9的助力消失后，弹簧座13压缩分闸弹簧，分闸弹簧8为断路器合闸提供缓冲力。当操动机构驱动断路器分闸前，分闸弹簧8处于被弹簧座13压缩储能的状态。在分闸过程中，分闸弹簧8助推弹簧座13为断路器分闸提供助力；当分闸弹簧8的助力消失后，弹簧座压缩合闸弹簧9，合闸弹簧开始为断路器分闸提供缓冲力。本实施例中，弹簧座13为与绝缘拉杆5同轴的圆形板，圆形板的上下两侧均设有导向凹槽，当弹簧座压缩分闸弹簧和合闸弹簧时，导向凹槽对分闸弹簧和合闸弹簧起到导向作用。
拐臂轴4的外部设有拐臂盒14，拐臂盒14内于靠近传动拐臂6的位置处固设有挡块15，挡块15为与拐臂轴4同轴的圆弧形结构。所述拐臂轴上的传动拐臂6在拐臂轴的转动路径上具有最高点和最低点，当传动拐臂6在最高点时，断路器的动触头合闸到位；当传动拐臂在最低点时，断路器的动触头分闸到位。在传动拐臂6达到最高点或者最低点时，传动拐臂处于死点位置，此时分闸弹簧或者合闸弹簧作用在拐臂轴上的力矩为零。当拐臂轴4逆时针转动直至传动拐臂6超过最高点，传动拐臂6与挡块15的上侧挡止配合，在分闸弹簧的弹力作用下，实现断路器合闸位置保持，如图2所示状态，此时操动机构处于合闸保持位置。当拐臂轴4顺时针转动直至传动拐臂超过最低点后，传动拐臂6与挡块15的下侧挡止配合，在合闸弹簧的弹力作用下，实现断路器分闸位置保持，如图3所示状态，此时操动机构处于分闸保持位置。所述挡块15构成了用于在合闸到位、分闸到位后与所述拐臂轴挡止配合以防止拐臂轴在弹簧装置的弹力作用下转动挡止结构。本实施例中，最高点到合闸保持位置、最低点到分闸保持位置的角度在0°~3°之间，该角度非常小，拐臂轴受到分闸弹簧和合闸弹簧的分力较小，同时动触头到达分合闸位置后动触头的直线移动距离可忽略不计。当传动拐臂越过死点位置以后，在弹簧的弹力作用和挡块的挡止作用下，可实现分闸位置和合闸位置的保持，防止在伺服电机失电时发生因断路器慢分慢合，而导致的燃弧时间长、触头烧损、灭弧室爆炸等严重事故。
支架1的支腿上固设有机构控制柜16，机构控制柜16构成用于控制操动机构的伺服控制系统，伺服控制系统主要包括伺服驱动器17、控制器18、辅助控制回路19、储能电容仓20、电源隔离模块23与进线管理模块24。伺服控制系统还包括用于采集断路器分合闸位置信息的传感器，控制器根据传感器采集到的分合闸位置信息控制伺服电机启停。储能电容仓20能够实现伺服控制系统断电后至少完成一次分合闸驱动。断路器的合闸动作或者合闸动作起始于继保或自动装置发出动作命令，该命令直接或经辅助控制回路19送入控制器18，控制器18接收命令后，同时根据传感器采集的信息判断断路器整机状态正常时，随后发送合闸指令至伺服驱动器17，伺服驱动器17受令后，驱动伺服电机带动拐臂轴逆时针或者顺时针转动；当分合闸到位后，控制器18控制伺服电机3停止。
开关装置的工作过程，1）断路器分闸；分闸前，断路器处于合闸位置，如图2所示，此时，分闸弹簧处于储能状态，传动拐臂与挡块的上侧挡止配合。伺服电机驱动拐臂轴顺时针转动，整个过程共分为五个阶段。第一阶段为分闸启动阶段，如图2中所示区间a。当传动拐臂达到最高点后，分闸进入第二阶段，如图2中所示区间b，该阶段为分闸弹簧和伺服电机联合驱动阶段，分闸弹簧作用在拐臂轴上的力矩与拐臂轴的转动方向相同，分闸弹簧实现助推作用，使动触头具有一个较大的加速度。当分闸弹簧恢复自然长度时，分闸进入第三阶段，如图所示区间c；该阶段为伺服电机独立驱动阶段，伺服电机根据分闸要求独立调控动触头速度，使动触头速度达到开断要求。当动触头的位置和速度均满足断路器的开断技术要求后，分闸进入第四阶段，如图2中所示区间d，该阶段为合闸弹簧和伺服电机联合缓冲制动阶段，绝缘拉杆上的弹簧座开始压缩合闸弹簧，使合闸弹簧压缩储能，动触头从高速运动状态平滑的转变为低速运动。当传动拐臂达到最低点时，分闸进入第五阶段，如图2中所示区间e，该阶段为分闸保持阶段，当传动拐臂越过最低点后，合闸弹簧作用在拐臂轴上的力矩方向与拐臂轴转动方向相同，由于传动拐臂越过最低点的角度非常小，作用到拐臂轴上的力矩也比较小，在合闸弹簧和伺服电机的联合驱动下，传动拐臂运动至与挡块挡止配合，伺服电机关闭，在合闸弹簧的作用下，实现分闸位置保持，如图3所示状态。
2）断路器合闸，断路器合闸为分闸的逆过程。合闸前，断路器保持在分闸位置，如图3所示状态。伺服电机驱动拐臂轴逆时针转动，合闸过程共分为五个阶段，第一阶段为合闸启动阶段，如图3中所示区间e。当传动拐臂达到最点后，合闸进入第二阶段，如图3中所示区间d，该阶段为合闸弹簧和伺服电机联合驱动阶段，合闸弹簧作用在拐臂轴上的力矩与拐臂轴的转动方向相同，合闸弹簧实现助推作用，使动触头具有一个较大的加速度。当合闸弹簧恢复自然长度时，分闸进入第三阶段，如图3所示区间c；该阶段为伺服电机独立驱动阶段，伺服电机根据合闸要求独立调控动触头速度，使动触头速度达到合闸要求。当动触头的位置和速度均满足断路器的合闸技术要求后，合闸进入第四阶段，如图3中所示区间b，该阶段为分闸弹簧和伺服电机联合缓冲制动阶段，绝缘拉杆上的弹簧座开始压缩分闸弹簧，使分闸弹簧压缩储能，动触头从高速运动状态平滑的转变为低速运动。当传动拐臂达到最高点时，分闸进入第五阶段，如图3中所示区间a，该阶段为合闸保持阶段，当传动拐臂越过最高点后，分闸弹簧作用在拐臂轴上的力矩方向与拐臂轴转动方向相同，由于传动拐臂越过最高点的角度非常小，作用到拐臂轴上的力矩也比较小，在合闸弹簧和伺服电机的联合驱动下，传动拐臂运动至与挡块挡止配合，伺服电机关闭，在分闸弹簧的作用下，实现合闸位置保持。
本发明中，伺服电机只承担部分动力输出，应用于断路器操动时，其体积、成本比现有技术中单纯采用伺服电机驱动的电机小30%以上；动触头的运动位置由伺服控制系统控制，当分闸弹簧和合闸弹簧出力因环境或老化等原因改变时，伺服控制系统通过电机补偿动力输出，控制运动过程的精度。通过伺服补偿，降低操动机构对分闸、合闸弹簧精度和性能的要求，当弹簧特性发生小的改变时，断路器并不需要停机维护。伺服控制器和机构控制器监测母线电压、矢量电流、旋转位置或直线位置以及断路器灭弧室气压等状态参量，实时分析断路器本体、伺服电机、分闸弹簧、合闸弹簧、储能电容等关键部件的运行情况，完成开关的状态监测和维护预判。
其它实施例中，弹簧装置还可以只包括一个弹簧，不需要在绝缘拉杆上设置弹簧座，弹簧的一端与绝缘拉杆固连，当弹簧处于自然长度时，断路器的动触头处于刚分或者刚合的位置处。动触头处于合闸位置时，弹簧处于压缩储能状态，分闸过程中，弹簧先助推绝缘拉杆，当到达自然长度后，弹簧被拉伸同时对绝缘拉杆缓冲，直到分闸保持位置后，弹簧处于拉伸储能状态；合闸过程中，弹簧拉动绝缘拉杆起到助力作用，当到达自然长度后，弹簧被压缩同时对绝缘拉杆缓冲，直到合闸保持位置后，弹簧处于压缩储能状态。弹簧座还可以不与绝缘拉杆固连，可将弹簧座与绝缘拉杆同步传动连接。伺服电机可以替换为步进电机、液压马达或者气动驱动装置。挡块还可以替换为抱轴制动器，抱轴制动器与拐臂轴配合实现防止拐臂轴在弹簧作用下转动的目的，传动拐臂不需要越过死点位置。挡止结构还可以有其他形式，例如挡销。镰刀型连杆还可以替换为直杆结构。当拐臂轴为曲轴时，绝缘拉杆可以直接与曲轴连接，省去连杆结构，此时，挡块直接与曲轴挡止配合。
本发明操动机构的实施例，弹簧操动机构的结构如上述，为避免重复，在此不做赘述。
Claims (12)
1.一种操动机构，包括动力装置和传动机构，传动机构包括与动力装置的输出转轴连接的拐臂轴以及与拐臂轴传动连接的用于带动断路器分合闸的绝缘拉杆，其特征在于，操动机构还包括用于在分合闸过程中均先提供助力后提供缓冲力的弹簧装置；所述弹簧装置包括沿绝缘拉杆的轴向间隔分布的分闸弹簧和合闸弹簧，绝缘拉杆上于分闸弹簧和合闸弹簧之间设有弹簧座，所述分闸弹簧在分闸过程中释能助推所述弹簧座，所述合闸弹簧在分闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能，所述合闸弹簧在合闸过程中释能助推所述弹簧座，所述分闸弹簧在合闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能。
2.根据权利要求1所述的操动机构，其特征在于：操动机构包括用于在合闸到位、分闸到位后与所述拐臂轴挡止配合以防止拐臂轴在弹簧装置的弹力作用下转动的挡止结构。
3.根据权利要求2所述的操动机构，其特征在于：拐臂轴上的传动拐臂在拐臂轴的转动路径上具有最高点和最低点，操动机构在传动拐臂越过最高点之后达到合闸保持位置，在传动拐臂越过最低点位置之后达到分闸保持位置，所述挡止结构在合闸保持位置和分闸保持位置与拐臂轴挡止配合。
4.根据权利要求3所述的操动机构，其特征在于：合闸过程依次包括合闸启动阶段、合闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、分闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和合闸保持阶段；分闸过程依次包括分闸启动阶段、分闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、合闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和分闸保持阶段。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的操动机构，其特征在于：所述动力装置为伺服电机，伺服电机连接有伺服控制系统，伺服控制系统包括控制器和用于采集断路器合闸位置信息的传感器，控制器可根据传感器采集到的分合闸位置信息控制伺服电机启停。
6.根据权利要求5所述的操动机构，其特征在于：所述伺服控制系统包括伺服驱动器、辅助控制回路、储能电容仓和隔离电源系统与进线管理模块。
7.一种开关装置，包括断路器和操动机构，操动机构包括动力装置和传动机构，传动机构包括与动力装置的输出转轴连接的拐臂轴以及与拐臂轴传动连接的用于带动断路器分合闸的绝缘拉杆，其特征在于，操动机构还包括用于在分合闸过程中均先提供助力后提供缓冲力的弹簧装置；所述弹簧装置包括沿绝缘拉杆的轴向间隔分布的分闸弹簧和合闸弹簧，绝缘拉杆上于分闸弹簧和合闸弹簧之间设有弹簧座，所述分闸弹簧在分闸过程中释能助推所述弹簧座，所述合闸弹簧在分闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能，所述合闸弹簧在合闸过程中释能助推所述弹簧座，所述分闸弹簧在合闸弹簧释能后被弹簧座压缩储能。
8.根据权利要求7所述的开关装置，其特征在于：操动机构包括用于在合闸到位、分闸到位后与所述拐臂轴挡止配合以防止拐臂轴在弹簧装置的弹力作用下转动的挡止结构。
9.根据权利要求8所述的开关装置，其特征在于：拐臂轴上的传动拐臂在拐臂轴的转动路径上具有最高点和最低点，操动机构在传动拐臂越过最高点之后到达合闸保持位置，在传动拐臂越过最低点位置之后达到分闸保持位置，所述挡止结构在合闸保持位置和分闸保持位置与拐臂轴挡止配合。
10.根据权利要求9所述的开关装置，其特征在于：合闸过程依次包括合闸启动阶段、合闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、分闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和合闸保持阶段；分闸过程依次包括分闸启动阶段、分闸弹簧和动力装置联合驱动阶段、动力装置独立驱动阶段、合闸弹簧和动力装置联合缓冲制动阶段和分闸保持阶段。
11.根据权利要求7-10任意一项所述的开关装置，其特征在于：所述动力装置为伺服电机，伺服电机连接有伺服控制系统，伺服控制系统包括控制器和用于采集断路器合闸位置信息的传感器，控制器可根据传感器采集到的分合闸位置信息控制伺服电机启停。
12.根据权利要求11所述的开关装置，其特征在于：所述伺服控制系统包括伺服驱动器、辅助控制回路、储能电容仓和隔离电源系统与进线管理模块。
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