kV断路器操动机构改进及优化设计立项报告

145kV断路器操动机构改进及优化设计立项报告0SS.199.002上海思源高压开关有限公司TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"产品描述 1产品名称 1产品功能及构成 1储能机构 1传动机构 1控制部分 1使用环境条件 2主要技术参数 2SSCT30操动机构主要技术参数对比 2\o"CurrentDocument"高压断路器设计执行的标准和法规 2相关的法规规定 2环境保护 2劳动保护与职业卫生 2知识产权 2\o"CurrentDocument"产品预期总体方案的概述 2项目预期概述 2项目背景 2项目目标设定 3缩短操动机构动作时间 3零部件改进及优化设计 3断路器操动机构受力分析 3断路器工艺性改进 3电磁铁改进及优化设计 4操动机构失效模式分析及解决方案 4\o"CurrentDocument"项目内容 4脱扣机构三级改二级 4机构相关零部件设计 5基座改进设计 6脱扣杠杆重新设计 6脱扣掣子改进设计 6机构工作过程分析及功能优化 6第一阶段 7第二阶段 7第三阶段 7电磁铁优化设计 8试验、试制、验证 8FEMA分析（机构故障诊断） 8机构磨损、锈蚀状况调查与分析 8机构零部件工作过程分析 8两种原因的关系 8故障诊断进度安排 8\o"CurrentDocument"计划安排 9\o"CurrentDocument"资源需求 10\o"CurrentDocument"审批意见 11\o"CurrentDocument"附录A 1A1 合闸弹簧的储能 1A2 合闸操作 2A3 分闸操作 3A4 重合闸操作 3145kV断路器操动机构改进及优化设计立项报告1产品描述1.1产品名称SSCT30型户外自能式高压六氟化硫断路器弹簧操动机构。断路器弹簧操动机构是以弹簧作为动力元件对断路器进行分闸及合闸操作的操纵机构。3kV及以上电力系统中使用的断路器为“高压断路器”。断路器是在电力系统不同工况下进行合分，以保证电力系统可靠供电和切除故障线路。ZFO145型户外自能式高压六氟化硫断路器适用于交流50Hz、145kV的电力系统中。SSCT30弹簧操动机构为ZFO145气体绝缘金属封闭开关设备中所配弹簧操动机构。1.2产品功能及构成高压断路器是电力系统中最重要的控制设备和保护设备。无论电力线路处于什么状态，例如空载、负载或短路故障，当要求断路器动作时，它都应该能够可靠的动作。操动机构的构成主要分为：储能机构、传动调节机构（凸轮机构）、合分闸锁扣、脱扣部分及联锁部分。储能机构传动机构控制部分图储能机构传动机构控制部分图1弹簧操动机构原理框图1.2.1储能机构弹簧操动机构储能机构的储能元件均为弹簧。由于弹簧的动力释放存在能量释放过猛的局限，所以必须通过传动机构进行改善。1.2.2传动机构弹簧操动机构力输出传动机构为凸轮机构加四杆传动方式。由于断路器处于分合闸状态时，释放的能量不能推动与之相连的连杆机构，因此，需要通过传动机构将储能元件储存的能量传递给触头元件。1.2.3控制部分控制部分由脱扣元件、缓冲传动机构和动作元件（脱扣器）构成。脱扣机构为半轴脱扣机构。脱口器为电磁弹簧机构。编制校核标准化审定页次标记处数更改文件号签字日期会签批准

1.3使用环境条件正常使用环境条件符合GB/T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》的规定，即:周围环境温度-30°C〜+40°C日温差<32°C海拔高度<3000m日照强度<0.1w/cm2（晴天中午）风速<34m/s月平均相对湿度<90%覆冰厚度<10mm安装场合户外地震加速度 水平<0.5g，垂直<0.3g（设防裂度：9度）;空气污秽程度 <III级1.4主要技术参数1.4.1SSCT30操动机构主要技术参数对比现有操动机构和预期改进后的主要技术参数对比见表1。表1序号名 称单位原参数新参数1开断时间ms<60<602分闸时间ms35±5<303合闸时间ms70±870±84合分时间ms>50ms>50ms5分闸速度m/s5.2±0.5[5.0,5.6]6合闸速度m/s3.0±0.53.7±0.37额定操作顺序—0-0.3s-C0-180s-C00-0.3s-C0-180s-C08操作方式—三极联动三极联动9重合闸无电流间隔时间ms30030010机械寿命次100001000011分，合闸线圈电压/电流V/ADC220/2，DC110/4，AC220/5DC220/2，DC110/4，AC220/512电机电压VDC110/220（AC220）DC110/220（AC220）13电机功率W72072014机构重量kg2001902高压断路器设计执行的标准和法规断路器设计符合GB1984-2003《高压交流断路器》和IEC62271-100-2001《高压交流断路器》、QJ/RG,30.03.54-1999《LW36-126自能式断路器技术条件》以及^ZFO-145用SSCB02断路器技术规范》的要求。断路器采用三相瓷瓶支柱式结构，为户外设计，三相配用一个SSCT30弹簧操动机构，居中布置，三相联动。断路器以sf6气体作为绝缘和灭弧介质，运行时断路器三极sf6气体应连通，并采用指针式密度继电器对其压力和密度进行监控。采用自能式灭弧原理，需在断路器运动系统中进行优化设计，提高机械效率，最大限度的降低了操作功。2.1相关的法规规定2.2.1环境保护本项目属机电加工生产，主要污染因素为水污染和固体废弃物，其中水污染物主要是生活用水，固体废弃物主要是产品包装过程中的边角料及原料包装箱等固体废弃物。本项目的污水经初级处理达标后，纳入工业区市政污水处理管道排入污水站；固体废弃物采取分类收集后分别处理；噪声采用防震、隔音措施，合理布局，经厂房屏障使厂界符合GB12348-90《工业企业厂界噪声标准》III类标准，不产生扰民影响。2.2.2劳动保护与职业卫生本项目的工程设计符合中国国家劳动部字第48号文《关于生产性建设工程项目职业安全卫生监察的暂行规定》和GBZ1-2002《工业企业设计卫生标准》的规定。2.2.3知识产权本项目基于自有技术进行（H）GIS的研发与生产，对ABB.SIEMENS等公司申请的（H）GIS相关专利进行汇总，在设计方案中进行规避。因此，须在项目初期阶段，对相关专利进行广泛而细致地搜集、调查，并进行相应的分析。提出具有自主知识产权的机构设计方案。3产品预期总体方案的概述3.1项目预期概述目前已有较多企业从事高压断路器的生产，竞争非常激烈。本项目在145kVGIS成功研发的基础上，对断路器操动机构进行必要的改进和优化设计。使之成为小型化、可靠性高、灵活性强、机械（电气）寿命长、标准化及高质量的优秀产品。本项目的目标是研发出技术水平领先、有成本优势、性能优秀的145kV断路器操动机构，从而实现该产品质量、技术与成本的综合竞争力。本项目的实施，应建立在研究团队、设计团队、工艺团队、生产制造部门的协同配合的基础上。3.2项目背景本项目以现有145kV断路器操动机构为基础，针对目前存在的一些问题，对上述机构进行改进及优化设计：1） 现有145kV断路器操动机构零部件较多，脱扣机构采用三级方案，工作过程相对复杂（见图2及附录“操动机构的结构及相对过程”）；2） 由于三级脱扣机构自身的问题，每一级脱扣机构动作都需要消耗一定的动作时间，试图缩短分闸/合闸动作时间的改进空间非常有限（如图2所示）；17ms图2三级脱扣机构工作事件困程3） 三级脱扣机构参与零部件众多，零部件出现问题的概率增加；（如图3所示）；4） 系统整体功能及零部件的可靠性有待提升，维护/维修成本相对较高（如图3所示）；5） 由于现有操动机构基座工艺设计不合理，内部表面难以进行切削加工（如图4所示）；6） 各个轴颈轴肩安装在非加工表面，致使机构装配精度由装配工人用垫片调整，产品质量的稳定性难以保证（如图4所示）；7） 使得断路器操动机构工作不稳定：具体表现为系统在经过一段时间后，电磁铁不能驱动脱扣半轴，

不能正常进行脱扣。图3原机祠零部件损坏案例图4原机构与基座装配关系3.3项目目标设定3.3.1缩短操动机构动作时间1） 分析现有操动机构三级脱扣机构的问题；2） 提出合理的机构原理，制定新的机构设计方案；3.3.2零部件改进及优化设计在合理的机构设计原理基础上，改进及优化设计机构中各个相关零部件设计。3.3.3断路器操动机构受力分析1） 基于多体动力学进行断路器操动机构工作过程分析；2） 对操动机构中各主要零部件的受力情况进行分析；3） 对操动机构中各零部件之间的接触强度进行分析；4） 对操动机构中关键零部件的接触面的接触应力进行分析；5） 基于虚拟样机对改进后的脱扣机构的工作过程进行评估；6） 基于多体动力学的分析结果，为电磁铁设计提供设计条件；7） 对机构中各主要零部件之间的摩擦、润滑、冲击进行分析。3.3.4断路器工艺性改进1） 现有145kV高压断路器部分零部件工艺性不够完善；2） 改进操动机构基座设计，合理制定基座加工工艺流程；3）提高断路器装配精度和质量稳定性。3.3.5电磁铁改进及优化设计1） 满足脱扣器的动作限制：并联合闸脱扣器在合闸装置额定电源电压的85%到110%（交流）或80%到110%（直流）范围内应该正确的动作。并联分闸脱扣器在分闸装置额定电源电压的65%（直流）或85%（交流）到120%之间，在开关装置所有的直到它的额定短路开断电流的操作条件下都应该正确地运作。当电源电压等于或小于额定值的30%时，不应脱扣。（GB/T11022GB1984）一个脱扣器的缺陷不应干扰其它脱扣器的功能。（GB1984）45%额定电压时，能实现可靠分闸动作。（公司内控标准）2） 降低电磁铁动作时间。3.3.6操动机构失效模式分析及解决方案1） 机构磨损、锈蚀状况调查与分析；2） 断路器零部件工作过程分析。4项目内容项目内容、描述及负责单位见表2。表2任务负责单位任务描述脱扣机构三级改二级思源高压产品室/基础研究室如高高压相关部门提出新的机构设计方案FEMA分析（故障诊断）机构相关零部件设计思源高压产品室/工艺室/基础研究室如高高压相关部门零部件设计（脱扣杠杆、脱扣掣子）及结构强度分析断路器基座功能性、工艺性改进机构工作过程分析及功能优化思源高压产品室/基础研究室机构运动受力分析提供零部件设计的初始条件尺寸链的计算电磁铁优化设计思源高压产品室/基础研究室设计用以驱动新的脱扣机构的电磁铁试验、试制、验证思源高压产品室/基础研究室/工艺室如高高压相关部门对设计效果、产品功能、工艺性进行评估；样机的准备；进行必要的检验试验。操动机构故障诊断思源高压产品室/基础研究室如高高压相关部门分析和确认若干导致机构非正常工作的原因4.1脱扣机构三级改二级

1—1—扇形板2—保持掣子3一储能轴4一合闸电磁铁5—半轴6—驱动块7—驱动拐臂8—缓冲器图5三级脱扣机构工作过程缩短操动机构响应时间，拟定将三极脱扣机构改为二级脱扣机构。如图5所示，为三级脱扣机构合闸（左图）脱扣过程和分闸（右图）脱扣过程，分闸合闸电磁铁接到分闸/合闸命令后，进行相应的动作，使分闸/合闸半轴5沿着顺时针方向转动一个特定的角度，从而使分闸/合闸扇形板1脱离半轴的约束，与保持掣子2一起被释放，从而解除分闸/合闸弹簧储能状态。分闸/合闸弹簧释放能量，通过弹簧拉杆，带动机构的内、外输出拐臂运动至相应位置，同时灭弧室中的触头由机构输出连杆带着运动到分闸/合闸位置。最后分闸/合闸运动的动能通过输出拐臂由缓冲器吸收。缓冲器起到最后止住分闸运动的功能。如图6所示，为二级脱扣机构合闸（左图）脱扣过程和分闸（右图）脱扣过程，分闸合闸电磁铁接到分闸/合闸命令后，直接通过杠杆4将掣子拨开，使保持掣子2一起被释放，从而解除分闸/合闸弹簧储能状态。其它零部件的工作过程与三级脱扣机构类似，此处不再赘述。从以上描述可以看出：由于将二级脱扣机构的脱扣过程简化，可以更加迅速的完成脱扣过程。1—掣子 2一储能保持掣子 3一储能轴 4一杠杆 5—驱动块6—驱动拐臂图6二级脱扣机构工作过程

该项设计由思源高压产品室负责。4.2.1基座改进设计产生新设计零件的模型、图纸。针对分闸/合闸脱扣机构的变动，基座（如图7所示）的设计应该在相应的部位进行调整：主要是脱扣机构安装孔位的变动，以及电磁铁安装位置的变动。设计过程还需兼顾改进原基座设计中不合理的工艺（加工、装配）过程。现有操动机构基座工艺设计不尽合理，内部表面没有进行切削加工；各个轴颈轴肩安装在非加工表面，致使机构装配精度由装配工人用垫片调整，产品质量的稳定性难以保证；4.2.2脱扣杠杆重新设计产生新设计零件的模型、图纸（如图8所示）。将原脱扣机构中脱扣半轴去掉，直接用电磁铁驱动脱扣杠杆旋转。再由脱扣杠杆拨动脱扣掣子产生转动，从而可以更加迅速地完成脱扣动作。零件设计应建立在多体动力学机构分析基础上，并结合电磁铁设计和断路器基座设计，合理确定零件各个外形尺寸。重新设计的零件要满足各种功能、强度和可靠性的要求。图7断路器操动机构基座4.2.3脱扣掣子改进设计图7断路器操动机构基座图8断路器脱扣机构杠杆 图9断路器脱扣机构脱扣掣子产生新设计零件的模型、图纸（如图9所示）。根据三级脱扣机构变为二级脱扣机构的需要，将原有的脱扣扇形板改为脱扣掣子。零件设计应建立在多体动力学机构分析基础上，合理确定零件各个外形尺寸。重新设计的零件要满足各种功能、强度和可靠性的要求。4.3机构工作过程分析及功能优化分析过程分三个阶段，流程见图10。

阶段一 阶段二 阶段三阶段一 阶段二 阶段三图10断路器机构受力分析流程4.3.1第一阶段从断路器机构分析入手，基于多体动力学，建立数字虚拟机构（如图11所示为在ADAMS中构建的断路器机构动力学模型），分析得到各个零部件的运动规律以及它们之间作用力。同时，基于上述断路器机构的数字化样机，可以对新近设计的断路器操动机构的功能和动作行为进行预测和评估。如果有必要可以在数字化环境中，优化脱扣杠杆、脱扣掣子的结构参数。此外，动力学分析的结果可以提供电磁铁的设计参数（脱开力矩等）。4.3.2第二阶段考虑到，操动机构的失效模式分析，可以对主要接触副的各个零部件进行强度分析、接触应力分析。基于上述断路器机构动力学分析，将结果作为有限元分析的边界条件和载荷，分析各个触点的接触应力、接触区域变形后的形状、以及零部件的变形等等，如图12所示为操动机构驱动块和滚轮之间的接触应力分析。4.3.3第三阶段图11断路器机构动力学模型图图11断路器机构动力学模型图12零部件接触应力分析如果第二阶段有限元计算结果表明，零件的变形很大，且零部件变形对操动机构的工作过程产生影响。则可以返回到机构工作过程分析（第一阶段），进行柔性体动力学分析，研究零件变形对机构运动规律的影响。4.4电磁铁优化设计根据机构设计的需求，进行电磁弹簧子系统的设计和调整1） 明确脱扣条件，目标为脱扣力（或脱扣功），脱扣时间的要求；2） 不考虑脱扣条件下提高电磁铁吸力，目标为大于现有电磁铁的吸力；3） 不考虑脱扣条件下降低电磁铁动作时间，目标为小于现有电磁铁的动作时间；4） 根据具体的脱扣条件来修改电磁铁参数达到脱扣要求。4.5试验、试制、验证1） 对设计效果、产品功能、工艺性进行评估；2） 进行必要的检验试验。4.6FEMA分析（机构故障诊断）组织相关人员参与如高高压对断路器机构的售后跟踪服务，同时进行工作过程仿真分析，找出机构运动部位不能正常脱扣的原因。4.6.1机构磨损、锈蚀状况调查与分析1） 组织相关人员参与如高高压对断路器机构的售后服务；2） 判断磨损和锈蚀是否对机构正常动作产生影响；3） 对掣子、锁钩等零件的扣结面进行失效模式分析；4.6.2机构零部件工作过程分析1） 对线接触和小面积接触面的接触力（或接触应力）进行计算分析；2） 结合强度理论判断：在现有的工作载荷下，零件是否可以长期有效地工作；3） 选择适合的材料，制定合理的工艺过程，制定有效的解决方案。4.6.3两种原因的关系两个原因应并行组织调查研究，原因一的诊断由设计部门和生产/工艺部门/客户服务部门合作完成。由于该原因调查，时间周期短、分析成本低，因此应该优先安排。同步进行的原因二的分析诊断，周期较长、分析成本高。如果原因一的诊断结果表明，机构锈蚀导致前述故障，则原因二的分析诊断虽可以继续进行，但不再以故障诊断为目的，而转向以脱扣环节受力分析为目的。4.6.4故障诊断进度安排如图13所示。阶段一 阶段二 阶段三图13断路器故障诊断流程

1） 确定是否为锈蚀导致故障；2） 确定是否为接触面屈服导致故障。5计划安排整个项目分为四个阶段：项目立项、设计阶段、试制阶段、定型阶段（见表3）。阶段内容描述形成文档时间项目立项(6.1〜6.23)筹备规划、技术调研可行性分析、项目组成立《立项报告》6.1〜6.19《项目任务书》6.22〜6.26《项目计划》6.22〜6.23设计阶段(见图14)(6.1〜8.30)方案论证功能设计与优化零部件、子系统设计《技术任务书》6.22〜6.26《方案设计书》6.1〜6.30《研究试验大纲》试验计划6.1〜6.30《设计评审报告》6.30〜7.1《计算书》6.1〜8.15《技术经济分析报告》8.1〜8.15设计输出：零部件图纸，DFEMA,产品质量特性，重要度分级表，修订技术规范，MX/BZ表，图样目录，设计文件目录，6.1〜8.15工艺：工艺审查报告，工装设计，PFEMA，《样机试制工艺方案》微观流程图，装配作业指导书。7.1〜8.30质量：制程检验指导书，质量跟踪卡7.1〜8.30试制阶段(8.16〜10.30)样机试制、样机试验完善图样技术文件《项目投产通知书》样机准备8.16〜10.20《验证方案》、《验证报告》8.16〜10.30《试制总结报告》8.16〜10.30《研究试验报告》8.16〜10.30《成本分析报告》8.16〜10.30定型阶段(11.1〜11.30)项目鉴定、评审完善图纸零部件11.1〜11.20《样机厂内鉴定书》《产品技术鉴定书》11.1〜11.30PDT绩效评价11.1〜11.30

计设统系子、件部零：农部建搭台平及证论案方：务部方案论证计设统系子、件部零：农部建搭台平及证论案方：务部搜集整理机构存在问题，并分析、提出解决方案；对方案的可行性进行论证，并初步确定框架流程。平台搭建建立机构动力学分析平台；考虑参数化和重用性，为随后的功能设计提供依据。对初始方案进行功能优化和调试，如，力臂长度等参数；合理地确定零部件设计的边界和初始条件；提供强度分析的边界条件和载荷；可为电磁机构设计提供设计。入输化优能功：灯部。入输化优能功：灯部零部件设计；零部件结构强度分析；电磁机构设计；6资源需求资源需求分为两个部分:

1）人员需求科室l_JUd冈位人员需求职责项目经理1项目跟踪、过程控制、各部分工作单元协调/汇总技术管理室项目助理1协助项目经理开展工作如高高压操动机构设计工程师，质量工程师2负责故障信息收集，FEMA分析等机构科操动机构设计工程师3负责操动机构的研发与设计工艺室产品工艺工程师1工艺规划、工艺方案、产品试制、工装设备工具设计等机加工工艺工程师1品保室实验测试工程师1对新产品进行测试；质量控制文件起草；组织产品验证电气实验工程师1产品品质工程师1基础研究室电磁工程师2电磁场计算分析验证；力学、机械特性分析验证机械工程师3采购采购工程师1总计182）物资需求名称数量单价/万元人民币总金额/万元人民币断路器机构428断路器机构的基座80.43.2电磁铁200.051储能弹簧100.060.6CB机构测试设备1（现有设备）动态电阻应变仪1（现有设备）故障调研费用155HP工作站xw94002510总计27.8万元7审批意见附录A操动机构的结构及工作过程弹簧操动机构作用原理见附图1,弹簧操动机构固定在断路器的基座上，操作所需的能量存储在三相共用的一个合闸弹簧和一个分闸弹簧中。弹簧操动机构的起始位置见附图1，断路器处于分闸状态，合闸弹簧和分闸弹簧都处于释放状态，即任何分、合操作都是不可能的。1合闸弹簧3储能轴1合闸弹簧3储能轴5合闸电磁铁7-齿轮9输出轴11-—内输出拐臂13分闸缓冲器15分闸弹簧2合闸簧拉杆4输出拐臂6电机8合闸凸轮10-一分闸电磁铁12-—合闸缓冲器14一分闸簧拉杆图A1弹簧操动机构分闸未储能状态示意图A1合闸弹簧的储能如附图1，储能轴3上的拐臂和合闸簧拉杆2处于下部死点位置。输出拐臂4也处于分闸位置。为了使合闸弹簧储能，电动机6或手动摇把带动大齿轮7转动，大齿轮上的驱动储能轴，使它转动储能轴上的拐臂转到上部死点位置。11—储能限位板11—储能限位板2一驱动棘爪3—偏心轮4—储能齿轮 5—储能电机图A2储能限位板功能示意图原处于啮合状态时的偏心轮和储能棘爪，如附图2所示，随着储能齿轮的转动，在储能轴越过死点约10°位置，固定于机箱上的储能限位板1使驱动棘爪2与储能轴上的偏心轮3脱离