CN108933058B - 一种中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关 - Google Patents

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Abstract

本发明中公开了一种中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，包括机座与传动部件、导电及绝缘部件、驱动及控制部件和接地开关部件，所述接地开关部件包括设置在输出端子上的静触头、可相对于静触头运动的动触头和用于驱动动触头运动的触头驱动机构，动触头在运动过程中可实现与静触头之间的开合；所述传动部件在动作过程中带动触头驱动机构动作，且当动闸刀组件与进线端子合上时，动触头与静触头之间分开；当动闸刀组件与进线端子之间分开时，动触头与静触头之间合上。该隔离开关在对动闸刀组件进行开合控制的同时可实现对接地开关部件的开合操作，实现隔离开关的动闸刀断开时接地开关合上，实现接地功能，保证了机车上维修人员的生命安全。

Description

一种中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关
技术领域
本发明涉及一种在大功率输配电系统中能接通/断开电源的，使用在中压（3.6kV）、大电流（5.3kA），交、直流两用并带有接地功能的大功率隔离开关；主要应用在城市轨道交通牵引供电变电所，供给电气机车的维修保养车辆段供电或使受电设备卸荷。在地铁车辆进入维修、检查、保养的车辆段后在切断电源的同时通过接地功能，使地铁上所带电荷得以对地释放，保证机车上检修、维护人员的人身安全。
背景技术
目前，我国城市轨道交通领域使用的大功率隔离开关基本上是瑞士的赛雪龙（SECHRON）及捷克的阿尔法（ALFA）产品，占据了中国大部分市场。
捷克阿尔法（ALFA）公司的隔离开关并不具有接地功能，在隔离开关的使用过程中，需要额外增加一个专用的接地开关，使用时需两个开关一起配合使用以满足接地的要求。
瑞士赛雪龙（SECHRON）公司的大功率隔离开关上带有接地功能，但产品结构复杂，动作不流畅，工作中操作工人往往看不到动闸刀组件的正确位置，操作不方便，且使用中隔离开关温度很高。
在3万伏等级的大功率隔离开关系列产品中，目前带有接地开关的产品有如：SDCEM公司的SBI-SBE 24KV, 3150A产品，这类产品在使用时需要架设在5m以上的高空安装使用，不仅操作繁琐，并且会大大增加施工成本。
鉴于上述国内隔离开关的现状和技术背景，研发一种国产化、高质量、操作方便的带接地开关功能的中压大功率隔离开关具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有隔离开关产品严重依赖进口，及大部分产品不具备接地功能，或产品具备接地功能但操作繁琐、施工成本较高的问题，提供一种结构设计精巧、整体性能较好、可操作性优越、成本低廉的中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，以满足国内城市轨道交通运行的大量需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，包括机座与传动部件、导电及绝缘部件、驱动及控制部件和接地开关部件，所述机座与传动部件包括机座和设置在机座上的传动部件，所述导电及绝缘部件包括设置在机座上的绝缘子和设置在绝缘子上的导电部件，所述导电部件包括设置在绝缘子上的进线端子、输出端子和一端与输出端子铰链连接的动闸刀组件，所述传动部件驱动动闸刀组件绕其与输出端子之间的铰接点转动；
所述驱动及控制部件包括设置在机座上可沿自身轴线转动的主轴和可驱动主轴旋转的驱动机构；
所述接地开关部件包括设置在输出端子上的静触头、可相对于静触头运动的动触头和用于驱动动触头运动的触头驱动机构，动触头在运动过程中可实现与静触头之间的开合；
所述传动部件在动作过程中带动触头驱动机构动作，且当动闸刀组件与进线端子合上时，动触头与静触头之间分开；当动闸刀组件与进线端子之间分开时，动触头与静触头之间合上。
上述技术方案中，进一步地，所述传动部件包括一端连接在主轴上的中间摆杆和一端与动闸刀组件连接的绝缘拉杆，所述中间摆杆为V形结构，包括两个摆杆支杆，绝缘拉杆另一端连接在其中一个摆杆支杆上；
所述触头驱动机构包括连接在另一摆杆支杆上的驱动杆、连接驱动杆的肘杆和连接在肘杆上的小轴，小轴设置在机座上与机座之间转动连接，摆杆、驱动杆和肘杆形成四连杆机构，肘杆摆动时带动小轴在机座上转动，动触头设置在小轴另一端，小轴转动时带动动触头转动。
上述技术方案中，进一步地，所述静触头上设置有可容纳动触头的叉形槽，使静触头呈叉形结构；静触头设置在动触头上方，动触头在转动时其一端可伸入到静触头的叉形槽内，动触头伸入到静触头叉形槽内的一端与静触头叉形槽之间为过盈配合。
上述技术方案中，进一步地，所述静触头采用冷轧磷青铜板加工成型，静触头硬度为HB200-220。
上述技术方案中，进一步地，所述动触头采用铍青铜，动触头硬度为HRC42-44。
上述技术方案中，进一步地，所述动闸刀组件包括多根铜排，所述铜排两端分别设置有触头，所述触头采用铍青铜，硬度为HRC42-44。
上述技术方案中，进一步地，所述各铜排上分别设置有三个触头，三个触头在铜排上呈三角形分布，各触头分别位于各铜排的两端位置。
上述技术方案中，进一步地，其中两个触头位于铜排上动闸刀组件铰接一端，另一触头位于铜排上动闸刀组件自由端。
上述技术方案中，进一步地，所述动闸刀组件包括水平并排设置的四排铜排组件，每排铜排组件由两个铜排并列组成。
本发明所具有的有益效果：
1）该隔离开关在对动闸刀组件进行开合控制的同时可实现对接地开关部件的开合操作，当隔离开关的动闸刀断开时接地开关合上，在隔离开关断开电源的同时实现对机车车辆的接地，使机车车辆上的剩余电荷通过接地开关部件对地释放，保证了机车上维修人员的生命安全；
2）接地开关部件中的静触头采用冷轧磷青铜板，具有高的耐磨、耐蚀性，冲击时不会产生火花，具有良好的导电性，同时其设计为叉形结构，利用其材料自身较好的弹性特性，在动触头与静触头合上时，能与动触头之间的形成自动夹紧配合，解决了需另外在动触头与静触头之间设置弹簧压紧机构进行压紧的问题；并且在合闸时静触头和动触头之间不会产生火花，自润滑性能较好，无需维护，使用寿命长；
3）接地开关部件中的动触头采用铍青铜，其接触电阻、导电性能、发热温升及耐磨性等综合性能与银触头相比性能更加优越，同时制造成本低，可大大降低隔离开关的整体成本；
4）该隔离开关触头采用铍青铜材料，触头经热处理后硬度可达到HRC43±1，硬度高，在使用过程中磨损小甚至不会发生磨损，提高了隔离开关的使用寿命；铍青铜合金材料的触头在开合时不会产生电弧，使触头具有很好的抗电弧侵蚀性能；同时铍青铜本身具有很好的电导率，导电性能好，可有效降低隔离开关的接触电阻，满足相关标准要求；
5）该隔离开关导电部件铜排上设置三点触头结构，采用前二后一的结构布局，形成三点支撑结构，可对各铜排进行自动调整，使各铜排上的触头与导电端头之间能充分接触，而不会受到各部件加工、装配累积误差的影响。
附图说明
图1为本发明结构主视图。
图2为本发明中机座与传动部件结构图。
图3为本发明中导电及绝缘部件结构图。
图4为本发明中导电端子焊接结构示意图；其中A为导电端子焊接结构配合示意图，B为接线端板上焊接结构示意图。
图5为本发明中铜排上触头位置分布示意图。
图6为本发明中驱动及控制部件结构图；其中A为控制部件结构图，B为驱动部件结构图。
图7为本发明中接地开关部件结构示意图；其中A为接地开关部件整体结构图，B为触点驱动机构结构图,C为接地开关部件结构主视图。
图中：
Ⅰ、机座与传动部件；
1001、机座；1002、主轴；1003、左端盖；1004、中间摆杆；1005、摆杆轴；1006、右端盖；
Ⅱ、导电及绝缘部件；
2001、进线端子；2002 、上铜排；2003、下铜排；2004、销轴；2005、绝缘子；2006、绝缘拉杆；2007、前触头；2008、隔板；2009、碟形弹簧；2010、压簧轴，2013、后触头；2014、接线端板；2015、导电端头；2016、凹槽，2017、凸台，2018、连接孔，2019、固定孔，2020、输出端子；
Ⅲ、驱动及控制部件；
3001、碰块盘；3002、微动开关；3003、合闸碰块；3004、分闸碰块；3005、直流低速电机；
Ⅳ、接地开关部件；
4001、静触头，4002、动触头，4003、驱动杆，4004、肘杆，4005、小轴，4006、叉形槽，4007、固定架。
具体实施方式
如图1，本发明中的隔离开关主要是由机座与传动部件Ⅰ、导电及绝缘部件Ⅱ、驱动及控制部件Ⅲ和接地开关部件Ⅳ，四大部件组成。下面将结合附图对该隔离开关及各部件进行详细的说明如下：
机座与传动部件Ⅰ
如图2，铝机座1001上在左右两侧分别设置有能使动闸刀组件在终点位置时制动的左端盖1003，及能调定主轴轴向游隙的右端盖1006，在左端盖和右端盖间设置有主轴1002。
传动部件包括连接在主轴上的中间摆杆1004和绝缘拉杆2006，中间摆杆1004为V型结构，包括两个摆杆支杆，其中一摆杆支杆端头上设置有摆杆轴1005，摆杆轴1005上连接绝缘拉杆2006，绝缘拉杆2006与摆杆轴1005之间为转动铰链连接。绝缘拉杆2006另一端连接动闸刀组件，绝缘拉杆2006与动闸刀组件之间铰链连接。主轴1002转动时带动中间摆杆1004转动，中间摆杆1004拉动绝缘拉杆2006，绝缘拉杆2006拉动动闸刀组件做旋转运动，实现向下“合闸”及向上“分闸”的操作。
在该部件中，主轴与左端盖和右端盖之间、及摆杆轴与中间摆杆之间的转动连接，均采用无内圈的滚针轴承。主轴和摆杆轴都经过热处理，硬度达到HRC62±1，以作为滚针轴承的内圈。隔离开关中采用无内圈的滚针轴承能降低主轴与左端盖和右端盖之间对装配精度的要求，从而降低机座上左端盖和右端盖之间同轴度的要求。相比于传统的滑动干摩擦副，转动部件之间的摩擦可由滑动干摩擦系数0.15降低到滚动摩擦系数0.003，使整个隔离开关传动部件的操作力降低了50倍。
导电及绝缘部件Ⅱ
如图3，在上述铝机座上设置有两个绝缘子2005，在两个绝缘子2005上分别安装导电部件的铜导电端子，分别为进线端子2001和输出端子2020。绝缘子2005在铝机座和导电端子之间形成电隔绝。隔离开关在使用时竖直安装，位于上方的绝缘子上固定安装进线端子2001，作为输入电源端；位于下方的绝缘子固定安装输出端子2020，作为输出电源端。
动闸刀组件包括水平并排设置的四排铜排组件，每排铜排组件由两个铜排并列组成，分别为上铜排2002和下铜排2003。该隔离开关中的动闸刀组件包括共8根铜排，在铜排上铆压有铜合金触头。各铜排组件之间通过压簧轴2010、碟形弹簧2009、隔板2008连接组成动闸刀组件。动闸刀组件一端通过销轴2004铰接于位于下方的输出端子上，作为动闸刀组件的转动中心，在绝缘拉杆的拉动下旋转，动闸刀组件向下旋转隔离开关“合闸”，向上旋转隔离开关“分闸”。
如图5，上述8根铜排组成的动闸刀组件中，在每根铜排上分别压合有三颗铜合金触头，三个触头在铜排上呈三角形分布，形成3点支撑的稳定结构。其中两个触头位于铜排上动闸刀组件铰接一端，为前触头2007；另一触头位于铜排上动闸刀组件自由端，为后触头2013；在铜排上形成前二后一的结构布局。由于铜排加工厚度存在误差，每根铜排上铜合金触头的高度误差及触头在铜排上的装配误差，及导电端子加工及装配误差等，上述这些误差的累计将造成铜排与导电端子之间不能有效的接触，从而减小了触头与导电端子之间的接触面积，使接触电阻增加，增加了隔离开关的电流损耗。在铜排上采用设置三个触头的三点支撑结构，结合碟形弹簧的活动调节作用，可对各铜排进行自动调整，使各铜排上的触头与导电端子之间能充分接触，保证了动闸刀组件与导电端子之间的接触电阻。
上述铜合金触头均采用铍青铜，经过热处理后，使其硬度达到HRC43±1。优选采用QBe2。采用铍青铜作为触头材料，隔离开关在开合过程中不会产生电弧，增加了触头的使用寿命。由于触头硬度较导电端子硬度要高，触头在使用过程中仅发生微磨损，甚至不会磨损，解决了传统电气行业中采用银触头易发生磨损的问题。相比于银触头，该铜合金触头采用铍青铜，减低了触头的加工成本。
动闸刀组件中的触头为半圆头铆钉结构，触头与铜排之间铆压连接，触头半圆头直径为12-15mm。
表1 不同金属电导率系数对照
从表1中可知，银与铍青铜之间电导率差异并不大；同时在动闸刀组件上的各铜排上分别设置三个触头，8个铜排共24个铜合金触头；并且通过增加触头直径，增加了各触点与导电端子之间的接触面积，使隔离开关中动闸刀组件与导电端子之间的接触电阻在6-8μΩ，满足隔离开关电气性能标准的要求（国际标准要求低于20μΩ）。
上述铜导电端子（进线端子和输出端子）均由两部分焊接组成，包括接线端板2014和导电端头2015，两者之间采用钎焊工艺焊接连接。采用流动性好、价格低的磷青铜作为焊料，代替贵金属银焊料，将导电端头固定在接线端板上。
导电端子采用的焊接结构和焊接工艺如下：如图4所示，在接线端板2014上设置与导电端头2015下端端面相配合的凹槽2016，导电端头2015下端设置在凹槽2016内，凹槽2016内壁与导电端头2015之间设置有一定的间隙；同时在导电端头2015下端面上设置多个凸台2017，使导电端头下端面与凹槽底部之间具有一定的间隙。在凹槽2016底部设置连接孔2018，在导电端头上与连接孔的对应位置上设置固定孔2019，连接孔2018和固定孔2019均为螺纹孔，在连接孔和固定孔中安装螺钉，通过螺钉将导电端头固定在接线端板的凹槽内。
焊接操作时，在凹槽与导电端头之间的间隙中放置磷青铜钎料，将导电端子放入到箱式炉中，通入保护气，加热至750-800℃后，用氧-乙炔在钎焊处强迫升温使钎料充分熔化，熔化后的钎料流入并填充到凹槽与导电端头之间的间隙，待钎料冷却凝固后即可实现导电端头与接线端板之间的钎焊连接。
驱动及控制部件Ⅲ
如图6所示，本发明隔离开关采用直流低速电机3005与二级齿轮减速箱组成低速动力装置对主轴进行驱动，为主轴的转动提供驱动力；其输出为15转/分，转矩12N*M。直流低速电机3005通过马达底座固定安装在机座1001上。同时在其输出端连接90°交叉角的1：3减速锥齿轮副，锥齿轮副包括啮合的大锥齿轮和小锥齿轮，通过锥齿轮副进一步减速至5转/分，同时转矩可增加到36N*M，可满足隔离开关传动部件驱动的要求。采用透明聚碳酸酯材料制成的防护罩对锥齿轮副进行保护，并可观察到锥齿轮的运动状况，便于对锥齿轮的人工监控。
控制部件包括在当动闸刀组件运动到“合闸”与“分闸”的终点位置处时所对应设置的4个微动开关3002，微动开关3002分别通过上垫板和下垫板固定安装在机座上碰块盘的两侧。在主轴1002伸出左端盖外的一端上设置有碰块盘3001，碰块盘3001上设置有合闸碰块3003和分闸碰块3004，合闸碰块3003和分闸碰块3004在动闸刀组件运动到合/分闸位置时，分别与该位置的4个微动开关碰触，其控制作用过程如下：
1.当动闸刀组件运动到“合闸”或“分闸”终点位置时，即合闸碰块或分闸碰块分别与该对应位置的4个微动开关碰触，此时切断直流低速电机的电源，动闸刀组件停止运动；
2.隔离开关将动闸刀组件在线位置信号发送给中央控制台，中央控制台获得全线各隔离开关的在线位置信息，实现对全线输配电情况的在线监控。
接地开关部件Ⅳ
如图7A所示，接地开关部件包括设置在输出端子上的静触头4001、可相对于静触头运动的动触头4002和用于驱动动触头运动的触头驱动机构，动触头4002在运动过程中可实现与静触头4001之间的开合。
传动部件在动作过程中带动触头驱动机构动作，且在两者的联动动作过程中，当动闸刀组件与进线端子合上时，动触头与静触头之间分开；当动闸刀组件与进线端子之间分开时，动触头与静触头之间合上，从而使隔离开关在完成基本开关功能的前提下实现了接地功能。
具体地，如图7B所示，触头驱动机构包括连接在中间摆杆的另一摆杆支杆上的驱动杆4003、连接驱动杆的肘杆4004和连接在肘杆上的小轴4005，其中摆杆支杆与驱动杆4003之间及驱动杆4003与肘杆4004之间均为铰链连接，小轴4005设置在机座上与机座之间转动连接；优选地，在机座1001上固定设置固定架4007，将小轴4005设置在固定架4007上，小轴4005与固定架4007之间转动连接。此时，摆杆、驱动杆和肘杆之间形成四连杆结构，肘杆摆动时带动小轴在机座上转动，动触头4002设置在小轴4005另一端上，小轴4005在转动时带动动触头4002转动。静触头4001设置在动触头4002上方，动触头转动过程中，实现与静触头之间的开合。
静触头4001上设置有可容纳动触头的叉形槽4006，使静触头呈叉形结构；静触头4001设置在动触头4002上方，动触头4002在转动时其一端可伸入到静触头的叉形槽内，动触头伸入到静触头叉形槽内的一端与静触头叉形槽之间为过盈配合。
静触头4001采用冷轧磷青铜板加工成型，静触头硬度为HB200-220。
动触头4002采用铍青铜材料，优选采用QBe2，经真空热处理及失效处理，使其硬度达到HRC42-44。经测试该动触头接触电阻、导电性能、发热温升、耐磨性等综合性能较银触头性能更加优异，并能节省大量贵金属的使用，大大降低了隔离开关产品的整体成本。
该隔离开关的工作过程如下：
当主轴带动中间摆杆向上摆动时，绝缘拉杆推动动闸刀组件向上旋转，隔离开关主电路分闸；此时，中间摆杆依次带动驱动杆和肘杆运动，肘杆带动装在固定架上的小轴转动，小轴转动时带动装在其外端的动触头向上转动，直至与位于其上方的静触头相插合；此时动触头通过机座接地，静触头设置在于输出端子上，输出端子连接机车，从而实现机车接地，将机车上剩余电荷对地释放，在机车检修时保障检修人员的人身安全。
当主轴带动中间摆杆向下摆动时，绝缘拉杆拉动动闸刀组件向下旋转，隔离开关主电路合闸；此时，中间摆杆依次带动驱动杆、肘杆运动，肘杆带动小轴转动，小轴转动时带动动触头向下转动，使动触头与静触头之间分开，实现合闸时进线端子与地之间隔离。此时，隔离开关主电路合闸，对机车输电提供机车运行所需的电能。
本发明中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关设计及技术要求遵循国际电工委员会(IEC60947.1-2011)及（IEC60947.3-2005）的国际标准，及国标（GB14048.3-2002）中关于隔离开关产品设计标准及规范，并通过了各项型式试验。
本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：包括机座与传动部件、导电及绝缘部件、驱动及控制部件和接地开关部件，所述机座与传动部件包括机座和设置在机座上的传动部件，所述导电及绝缘部件包括设置在机座上的绝缘子和设置在绝缘子上的导电部件，所述导电部件包括设置在绝缘子上的进线端子、输出端子和一端与输出端子铰链连接的动闸刀组件，所述传动部件驱动动闸刀组件绕其与输出端子之间的铰接点转动；
所述驱动及控制部件包括设置在机座上可沿自身轴线转动的主轴和可驱动主轴旋转的驱动机构；
所述接地开关部件包括设置在输出端子上的静触头、可相对于静触头运动的动触头和用于驱动动触头运动的触头驱动机构，动触头在运动过程中可实现与静触头之间的开合；
所述传动部件在动作过程中带动触头驱动机构动作，且当动闸刀组件与进线端子合上时，动触头与静触头之间分开；当动闸刀组件与进线端子之间分开时，动触头与静触头之间合上；
所述传动部件包括一端连接在主轴上的中间摆杆和一端与动闸刀组件连接的绝缘拉杆，所述中间摆杆为V形结构，包括两个摆杆支杆，绝缘拉杆另一端连接在其中一个摆杆支杆上；
所述触头驱动机构包括连接在另一摆杆支杆上的驱动杆、连接驱动杆的肘杆和连接在肘杆上的小轴，小轴设置在机座上与机座之间转动连接，摆杆、驱动杆和肘杆形成四连杆机构，肘杆摆动时带动小轴在机座上转动，动触头设置在小轴另一端，小轴转动时带动动触头转动；
所述动闸刀组件包括多根铜排，所述铜排两端分别设置有触头。
2.根据权利要求1所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：所述静触头上设置有可容纳动触头的叉形槽，使静触头呈叉形结构；静触头设置在动触头上方，动触头在转动时其一端可伸入到静触头的叉形槽内，动触头伸入到静触头叉形槽内的一端与静触头叉形槽之间为过盈配合。
3.根据权利要求2所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：所述静触头采用冷轧磷青铜板加工成型，静触头硬度为HB200-220。
4.根据权利要求2所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：所述动触头采用铍青铜，动触头硬度为HRC42-44。
5.根据权利要求1所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：所述触头采用铍青铜，硬度为HRC42-44。
6.根据权利要求1所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：所述各铜排上分别设置有三个触头，三个触头在铜排上呈三角形分布，各触头分别位于各铜排的两端位置。
7.根据权利要求6所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：其中两个触头位于铜排上动闸刀组件铰接一端，另一触头位于铜排上动闸刀组件自由端。
8.根据权利要求6所述中压交直流大功率带有接地功能的隔离开关，其特征在于：所述动闸刀组件包括水平并排设置的四排铜排组件，每排铜排组件由两个铜排并列组成。
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