图1　分闸弹簧放置位置示意图

　　在满足机构所要求的分闸特性的情况下，分闸弹簧参数的计算结果见表1．从结果可看出，分闸弹簧宜放置在操动机构运动链的中间行程较大之处．分闸弹簧的放置方位应使弹簧力的作用方向与力作用点的速度方向在分闸的整个过程中都趋于一致．

表1　分闸弹簧放在不同位置时的分闸弹簧参数(均为压缩弹簧)
 

(分闸弹簧的)/
(放置位置) (弹簧钢丝直)
/(径d/mm) (弹簧中径)
/(D₂/mm) (总圈)/
(数n) (安装高度)/
(H₁/mm) (自由高度)/
(H₀/mm) (工作行程)/
(H/mm) (最小工作)/(负
荷F₁/N) (最大工作负)/
(荷F₂/N) 件
数 Ⅰ 12 100 30 400 588 47 2 000 2 600 2 Ⅱ 10 70 12 190 260 47 1 200 2 000 2 Ⅲ 10 70 17 266 380 87 1 000 1 800 1

2　合闸弹簧参数的确定
2.1　弹簧操动机构的负载特性曲线
　　所设计的弹簧操动机构的负载特性曲线如图2所示．图中曲线1表示分闸弹簧等效力；曲线2表示重力；曲线3表示真空灭弧室自闭力；曲线4表示触头弹簧力．由图2可知，等效阻力在触头接触前后有一个较大的跃变．在弹簧操动机构中，弹簧的输出力曲线一般如图3中的曲线3所示．很明显，它的输出力曲线与等效阻力曲线(图3中曲线1)的变化规律不一致，即不匹配．为了能够可靠地合闸，在机构的整个行程内都要完全保证使等效驱动力大于等效阻力．
 
　　　

图2　等效阻力图　

图3　等效阻力走向图

　　较理想的等效输出力特性曲线如图3中曲线2，它较为靠近等效阻力曲线，并能满足要求．如果能找到一条类似曲线2这样的曲线，就可以确定合闸弹簧，为了确定合闸弹簧参数，首先应确定其输出力特性曲线．
2.2　根据负载特性曲线选择合适的输出力曲线
　　根据断路器对操动机构合闸功能的要求，其输出力特性应符合下列条件：
　　(1) 起始输出力应大于系统的起始阻力(两者指等效到同一构件上的等效力)，否则，运动系统不能起动．
　　(2) 输出功必须大于断路器所需的合闸功，否则，合闸不能到底．
　　(3) 具有合适的输出力特性，以获得较好的合闸速度特性．
　　如果以合闸速度vh对运动时间t的关系来表示合闸速度特性，要达到同样的合闸速度，有3种不同的途径，如图4所示．图中3条曲线与横坐标轴间所包的面积相等(表示其触头开距相同)．曲线1表示等加速运动．它达到vh的时间是t1；曲线2的起始加速度大，而后逐渐下降，以致达到速度vh时加速度已降得很小．这说明合闸力开始最大，而后减小，其时间t2比时间t1少．说明后种特性在合闸时间方面有优越性，但在触头接触时所能提供合闸力小，容易受到掣动．曲线3则不一样，它的初始加速度不大，但不断增大，到接近触头闭合时有所减小，这种特性兼有前两种特性的优点，其运动时间t3比t1要小，而闭合时的合闸力比曲线2大．因此根据曲线3可以提出对输出力的要求：即起动输出力不大，起动后输出力不断增加，以至运动后期达到一定速度之后，合闸力再缓慢减小．
 

图4　不同的合闸速度特性曲线

　　根据以上分析，可确定满足合闸速度要求的输出力特性曲线如图5所示．

图5　等效输出力、阻力曲线

2.3　按输出力特性曲线确定合闸弹簧参数
　　根据文献［1］可得合闸弹簧的弹性系数k为

式中　f(s)等效输出力与动触头运动位置s的函数
　　　s0动触头行程
　　　Δx1储能时合闸弹簧的变形量
　　　Δx2操动机构合闸后合闸弹簧的变形量
　　当机构的初始条件给定以后，即图1的机构中当杆ON的长度及起始偏角θ0确定以后，合闸弹簧变形量Δx1，Δx2也就随之确定，从而可以由上式求出操动机构合闸弹簧弹性系数k．

3　断路器总体方案的确定

　　断路器选用几个操动机构取决于合闸弹簧的参数，并与机构可靠性等有关．为便于选择，现将采用1个、2个和3个操动机构时合闸弹簧参数的计算结果列于表2．

表2　采用不同操动机构数目时合闸弹簧参数(均为组合压缩弹簧)

机构类型 (弹簧)/
(形式) (弹簧钢丝直)/
(径d/mm) (弹簧中径)
/(D²/mm) (总圈)/
(数n₁) (安装高度)
/(H₁/mm) (自由高度)
/(H₀/mm) (工作行程)
/(H/mm) (最小工作负)
/(荷F₁/N) (最大工作负)
/(荷F₂/N) (件)/
(数) 三相共
用一 外弹簧 20 170 12．0 424 664 120 4 550 9 014 2 个操动
机构 内弹簧 14 120 15.5 424 627 120 2 300 3 606 2 三相共
用两 外弹簧 14 130 12．0 280 520 120 2 272 4 329 4 个操动
机构 内弹簧 10 100 14.5 280 520 120 1 039 1 981 4 每相各
用一 外弹簧 12 120 11．0 210 450 120 1 636 3 205 6 个操动
机构 内弹簧 8 90 15.5 210 450 120 511 1 001 6

　　从表中的数据可知：三相共用一个操动机构时合闸弹簧尺寸太大，不便于加工制造，但它具有动作同步性较高的优点．每相单独用一个操动机构时合闸弹簧尺寸较小，但由于零件数增多，动作的可靠性较差．而三相共用两个操动机构时合闸弹簧满足要求，且尺寸合适，在动作的同步性及可靠性方面都可兼顾前述两种方案，因此，所设计的100 kV三相双断口真空断路器采用三相共用两个操动机构的总体结构．
4　结论

　　1) 分闸弹簧的参数和放置位置对操动机构的影响是比较大的．在满足机构所要求的分闸特性的前提下，分闸弹簧宜放置在操动机构运动链的中间行程较大之处．分闸弹簧的放置方位应使弹簧力的作用点的速度方向在分闸的整个过程中都趋于一致．
　　2) 合闸弹簧的设计首先要根据负载特性曲线选择合适的输出力曲线，按输出力特性曲线确定合闸弹簧参数和操动机构的数目．对110 kV真空断路器弹簧操动机构，采用三相双断口的操动机构设计较为适宜．■

作者简介：谭　蓉(1968-)，女，安徽阜阳人，硕士，甘肃工业大学讲师．
作者单位：谭蓉（甘肃工业大学 机电工程系，甘肃 兰州， 730050）
　　　　　姜琪（西安交通大学， 陕西 西安， 710049）

参考文献：