GIS接地开关操作机构辅助开关时序的优化设计及说明

GIS接地开关操作机构辅助开关时序的优化设计及说明

邓汝浩

（广州白云电器设备股份有限公司，广东广州，510460）

摘要：中国南方电网要求气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的隔离开关、接地开关动触头分别达到其分闸、合闸位置后，才能发出合闸和分闸位置指示和位置信号。即要求接地开关在进行分、合闸操作时，接地开关动触头的刚分、刚合时间与操作机构的辅助开关常开、常闭切换时间有一定的先后逻辑关系，满足接地开关辅助开关动作时序的标准要求。

关键词：时序；接地开关；辅助开关；动触头

1.引言

根据广东电网有限责任公司《GIS隔离与接地开关操作机构辅助开关动作时序测试见证指引》要求：除非隔离开关和接地开关的动触头分别到达其合闸或分闸位置，否则不应该发出合闸和分闸位置指示和位置信号。当辅助开关发出合闸动作信号时，动触头与静触指能完全可靠接触且能够承载额定电流和额定短路电流。当辅助开关发出分闸动作信号时，动触头应在屏蔽罩内，或与屏蔽罩平齐，动静触头之间能够承受该电压等级下的100%工频交流耐压和雷电冲击电压。通过机械特性曲线获取接地开关行程-时间特性曲线来间接计算动作时刻的动触头插入深度（mm）或动触头是否缩回/平齐屏蔽罩，最终判断接地开关是否满足时序要求。

2. 现有结构时序分析

对接地开关进行机械特性测试，得出分闸、合闸行程-时间曲线：

图1行程-时间曲线

其中A1、B1、C1分别对应A、B、C三相断口线；A3为辅助开关常开触点；B3为辅助开关常闭触点

由行程-时间曲线可知：A3线早于A1、B1、C1线，接地开关辅助开关发出合闸信号时的行程早于接地开关动触头达到刚合点的行程，即辅助开关发出合闸信号了，动触头仍未达到刚合点；B3线早于分闸位置零点，辅助开关发出分闸信号后，接地开关动触头未分闸到位，此时动触头凸出屏蔽罩，不满足时序要求。

不满足时序要求的原因分析：

（1）零部件装配累计误差

    原有结构的接地开关设计时仅考虑断口间的距离以满足绝缘要求，设计时触头基本与屏蔽罩平齐，设计裕度不足。同时因三工位接地开关和独立接地开关均采用四连杆结构，因连杆与触头之间存在连接误差、传动间隙的误差、零部件加工误差等多种误差的累积,从而会使触头三相的产生不同期,三相触头分闸时有可能凸出屏蔽罩。三相动触头的不同期会引起接地开关开距的变化，从而引起接地开关刚分点、刚合点的变化，与操动机构辅助开关的切换时间不匹配，最终不满足时序的要求。

（2）操作机构到辅助开关切换角度不足

三工位接地开关分、合闸的旋转角度为610±10，而三工位操作机构所配置的辅助开关切换角度600±10,因零部件的装配误差很容易导致三工位操动机构辅助开关发出信号的时间早于三工位接地开关动触头到位时间，不满足时序要求。独立接地开关（含普通接地开关和快速接地开关）分、合闸的旋转角度为880±20，接地开关操作机构的辅助开关的切换角度600±10，辅助开关发出信号的时间早于接地开关动触头到位时间，同样不满足时序要求。

3. 结构优化

3.1 动触头结构优化

    按时序指引的要求：当辅助开关发出分闸动作信号时，动触头应在屏蔽罩内，或与屏蔽罩平齐。保持接地开关动、静触头的开距、开关行程不变，通过调整动触头的长度，传动连杆长度及静触头结构来满足时序要求。考虑到传动误差、零部件加工及装配误差，调整动触头及传动连杆的长度使接地开关动触头缩进屏蔽罩6±2mm,静触头采用弹簧触指或梅花触指，触指尽量往开距方向移使接地开关提前达到刚合点。具体结构详见图4、5所示。

3.2 辅助开关选型

   根据时序指引要求，当接地开关动触头到达分闸位置或合闸位置后，操作机构的辅助开关才能发出信号，因此辅助开关切换的角度需大于接地开关分、合闸的旋转角度，才能满足时序的要求。将三工位接地操作机构辅助开关的切换角度由600±10调整为740±10，大于机构分、合闸角度；将独立接地开关操作机构辅助开关的切换角度由600±10调整为740±10，但仍小于机构分、合闸角度，需要配套专用的传动系统才能满足要求。

3.3辅助开关传动系统优化

   辅助开关传动系统工作原理（如图2所示）：通过驱动电机，带动蜗轮蜗杆使机构输出主轴旋转（逆时针旋转为接地开关合闸，顺时针旋转为接地开关分闸），机构传动盘带动机构连杆，拉动机构连板，带动辅助开关主轴旋转，从而使操动机构的辅助开关进行常开触点、常闭触点的切换。其中机构传动盘通过紧固螺钉及螺母固定在机构输出轴上，机构传动盘上开有弧形槽，通销使之与机构连杆连接。在机构输出轴进行旋转时，传动盘上的弧形槽通过销带动连杆走一段空行程，使辅助开关的切换时间慢于动触头的分、合闸到位时间。机构连板上开有多个小孔用于调整机构连板的角度，同时通过机构连杆的内、外螺纹来调整长度，通过销使连杆与机构连板连接。因零部件加工误差及装配误差，调整机构连杆的长度和机构连板的角度，让辅助开关的切换

图2 辅助开关传动系统

4. 接地开关合闸时序验证

图3合闸过程的行程-时间曲线

4.1  三工位接地开关

三工位接地开关开矩：50±2mm；动触头行程：88±2mm

开关处于合闸起始位置（分闸停止位置）时,此时行程为0，动触头理论刚合接触点距离动触头屏蔽罩的距离A为16±2mm(此时动触头端部缩入动侧屏蔽罩距离为6±2mm)，接地开关断口开距B为：50±2mm；静侧刚合接触点距离屏蔽罩距离C为10±2mm；。刚合时的触头行程：L1=A+B+C=76±6mm。刚合点距离有效接触点距离6±1mm。此时有效接触行程L2=82±7mm。ΔL=L2-L1=6mm。即当插入深入为6mm时，开关触头已有限接触（该状态下，开关动触头可靠接触到所有触指）。

根据《GIS隔离与接地开关操作机构辅助开关动作时序测试见证指引》的第五条见证示例中要求动触头到达刚合点的行程L1，动触头在辅助开关发出合闸信号时刻的行程L2，两者的行程差ΔL=L2-L1，其中ΔL不小于企业内控插入深度。动触头在辅助开关发出合闸信号时刻的行程L2-动触头到达刚合点的行程L1≥6mm。

图4 三工位接地开关动触头合闸过程

4.2 接地开关（FES、ES）

接地开关开矩：65±3mm；动触头行程：108±3mm

开关处于合闸起始位置（分闸停止位置）时,此时行程为0，动触头理论刚合接触点距离动触头屏蔽罩的距离A为20±2mm(此时动触头端部缩入动侧屏蔽罩距离为11±2mm)，接地开关断口开距B为：65±3mm；静侧刚合接触点距离屏蔽罩距离C为6±2mm；。刚合时的触头行程：L1=A+B+C=91±7mm。刚合点距离有效接触点距离6±1mm。，此时有效接触行程L2=97±8mm。ΔL=L2-L1=6mm。即当插入深入为6mm时，开关触头已有限接触（该状态下，开关动触头可靠接触到所有触指片）。

根据《GIS隔离与接地开关操作机构辅助开关动作时序测试见证指引》的第五条见证示例中要求动触头到达刚合点的行程L1，动触头在辅助开关发出合闸信号时刻的行程L2，两者的行程差ΔL=L2-L1，其中ΔL不小于企业内控插入深度。动触头在辅助开关发出合闸信号时刻的行程L2-动触头到达刚合点的行程L1≥6mm。

图5 独立接地开关动触头合闸过程

5. 接地开关合闸时序验证

   根据南方电网《GIS隔离与接地开关操作机构辅助开关动作时序测试见证指引》中第五项见证示例中关于分闸的见证要求为测量分闸过程的行程—时间曲线，通过主触头的分闸变化过程可以得到刚分点，计算出刚分点的行程L1，随后观察辅助开关动作时刻，得到行程曲线上的辅助开关发出分闸信号点，计算出分闸时辅助开关发出信号时刻的行程L2，两者的行程差ΔL=L2-L1，比较ΔL与断口距离L3，要求ΔL≥L3，如下图所示：

图6 分闸过程的行程—时间曲线

根据上述要求，确定分闸时序标准如下：

（1）三工位接地开关开距为50±2mm，故设定标准ΔL≥50mm;

（2）接地开关（包括快速接地开关和普通接地开关）开距为65±3mm，故设定标准ΔL≥65mm。

5. 结论

   通过优化接地开关动触头结构、增加传动系统，满足接地开关操作机构辅助开关的切换时间与动触头间的配合关系，即接地开关的动触头分别到达其合闸或分闸位置后，才发出合闸和分闸位置信号。要求接地开关动触头在辅助开关发出合闸信号时刻的行程减去动触头到达刚合点的行程≥6mm；要求接地开关动触头在辅助开关发出分闸信号时刻的行程减去动触头到达刚分点行程大于或等于接地开关开距。满足时序要求，符合南网规范要求。

参考文献

[1]  赵军亮，刘伟杰，闫嫱.GIS隔离开关操动机构辅助开关时序的优化设计[J],学术争鸣,2017.

[2]黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] GIS隔离与接地开关操作机构辅助开关动作时序测试见证指引[S].

[4] GB 1985-2014.高压交流隔离开关和接地开关[S].