新型三工位隔离/接地开关的设计
中国电工技术学会主办，2017年8月19-21日在北京铁道大厦举办，本届大会主题为“能源大变革时代——电工装备行业创新与发展之路”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
江苏南瑞帕威尔电气有限公司的研究人员张永刚，在2017年第2期《电气技术》杂志上撰文，为提高共箱式三工位隔离/接地开关的可靠性，针对某结构形式的共箱式三工位隔离/接地开关，提出了中间导体结构和运动优化的设计方案及实现方法。
通过实践证明，新的设计方法简单可行，零部件数量少、易装配、可靠性高，满足了GIS开关设备的小型化要求。
随着国家电网的不断发展，气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）在电网中应用越来越广泛。为满足用户对GIS开关设备的高可靠性、免维护（少维护）等方面的要求，特别是伴随着GIS开关设备的小型化进程，各大GIS开关设备生产单位都陆续研发并使用了三工位隔离/接地开关[1]。
它将隔离开关和接地开关组合成一个整体，公用一个动触头和一台操作结构，实现合闸—隔离—接地三个工况位置，简化了产品结构；同时共用的动触头只能有一个位置状态，实现了隔离开关和接地开关的机械联锁，避免了误操作，提高了运行可靠性。
本文在分析现有某结构形式126kV三工位隔离/接地开关的基础上，根据需实现的功能，在其实现方式和结构上进行整体的优化设计，减少了零部件数量、降低安装难度、提高装配的可靠性。
1现有三工位隔离/接地开关分析
目前市场上使用的126kV三工位隔离/接地开关结构如图1，主要有壳体、盆式绝缘子、接地绝缘子、接地导体、接地触头、隔离开关静触头、中间触头、安装导体、传动轴及操动机构等部件组成。中间触头装在安装导体上，内装有齿轮齿条等触头传动机构、隔离/接地开关动触头等部件。
图1 传统三工位隔离/接地开关示意图
该类型的隔离/接地开关的优点主要有：它将隔离开关和接地开关的动触头组合成一个整体，公用一台操动机构，可实现合闸/隔离/接地三个工况状态，使得结构简化、尺寸缩小并减少一台操动机构；它省去接地开关和隔离开关的电气连锁，避免误操作，提高了运行可靠性；应用在母线侧的三工位隔离/接地开关，可取代老式GIS开关设备的母线模块，进一步缩小了GIS开关设备的整体尺寸，降低了产品成本。
如图1所示，该型三工位隔离/接地开关装配时，先将中间触头、安装导体、盆式绝缘子组装成盆子装配部件，再将盆子装配部件与已安装有接地导体、接地绝缘子、接地触头的壳体连接，并通过工装旋转传动轴调整接地触头的对中性。
若接地触头对中出现较大偏差，需将盆子装配部件取出，根据对中情况调整接地触头、接地导体、接地绝缘子等，常出现多次反复拆装；同理在接地触头对中调整结束后，安装隔离侧触头调整过程中也会出现类似的多次调整问题。
更为严重的是，为保证接地触头、隔离开关触头等同时满足对中性要求，有可能出现已完成接地开关触头对中性调整却无法将隔离开关触头调整到合适的对中位置，需要重新拆下盆式装配部件并调整各装配环节，直至触头对中性、三相同期性满足要求后方可进行其他装配。
由上述装配调整过程不难发现，该机构形式的三工位隔离/接地开关虽有诸多优点，但也存在装配工艺性差的缺点，主要表现为：
一是壳体、接地绝缘子、接地导体、接地触头、安装导体、盆子绝缘子、中间触头、隔离开关触头等都是通过螺栓联接，装配环节多、生产效率低、装配质量不易保证；二是装配调整难度大，特别隔离及接地触头对中性调整、三个中间触头的同轴性及同期性调整耗时、耗力，影响整机装配效率；三是装配精度不易满足要求，影响整体性能。
2、新型三工位隔离/接地开关的设计
2.1设计构思与实现
在平面曲柄连杆机构的设计中，常有曲柄上连接多个连杆，在曲柄做旋转运动时，不同连杆可实现方向不同的运动。该形式的机构在高压电器设备上应用也十分广泛，如SW4-110型断路器的CT6型弹簧操动机构中就有多个应用单曲柄双连杆机构[2]。
在国外，某些三工位隔离/接地开关中,也常有类似的机构出现，如西门子落地罐式紧凑型高压开关设备中三工位隔离/接地开关就是采用该原理，但该形式的三工位隔离/接地开关为分箱机构，不满足国内三相共箱的要求。
因此，可根据平面曲柄连杆机构的原理及现有开关设备上应用模型，设计新型的曲柄滑块机构，通过曲柄驱动使二滑块（隔离开关动触头、接地开关动触头）按预设计的几何关系方向运动，实现三工位隔离/接地开关的功能。
在此设计思路下，通过建立合理的数学模型计算曲柄半径、连杆长度，对传统的三相共箱式三工位隔离/接地开关进行了优化设计，减少了零部件数量、降低了安装难度、提高了装配的可靠性，新设计的三相共箱式的三工位隔离/接地开关结构如图3、图4所示。
图3 新型三工位隔离/接地开关剖视图
图4 新型三工位隔离/接地开关整体透视图
新型三工位隔离/接地开关将原公用的动触头分成隔离触头和接地触头，采用曲柄滑块结构同时驱动隔离开关动触头和接地开关动触头，使隔离开关动触头、接地开关动触头各自沿其轴线方向做直线运动，隔离开关动静触头、接地开关动静触头的相对运动方式与改进前三工位隔离/接地开关一致。
在拐臂连杆设计时，限定整个运动过程中拐臂与触头轴线的夹角，在保证动力传递效率的同时也不存在死点位置，避免了卡死的情况；同时在隔离开关动触头、接地开关动触头与安装导体之间设置有导向环（四氟乙烯添加石墨填料），既保证动触头运动的直线线，又避免了动触头在运动过程中出现卡涩现象。
该新型三工位隔离/接地开关有以下优点：
一是将传统的安装导体与中间触头合成一体，将接地绝缘子、接地导体、接地触头合成为一接地开关触头，减少了中间装配环节；三相中间安装导体的主轴孔位对中性可通过严格控制加工工艺过程获取，因而具有比较高的准确度，安装简单化。
二是同期性调整方面，拐臂式结构可通过控制拐臂、连杆等部件上轴心距的一致性保证，克服了齿轮齿条来回调整配合齿数的问题，节省了大量同期性调整工作。
三是隔离侧、接地侧的触头对中性调整方便，其实现过程简单，可在中间安装导体安装到位后，旋转操作轴使接地开关合闸后紧定接地开关触头，从而有效保证接地开关对中性；同样，反向旋转使隔离开关合闸后紧定隔离触头而保证隔离开关触头的对中性；该装配方式有效克服了传统三工位隔离/接地开关对中性调整过程中的反复拆装问题，降低了劳动强度，提高了劳动效率；
四是新型三工位隔离/接地开关的零部件数量大为减少，数量缩减为原来的3/4，减少了大量的装配环节，在有效保证装配质量的同时，减少了材料使用,降低了生产成本，具有较好的社会效益和经济效益。
2.2 新型三工位隔离/接地开关的设计计算（略）
三工位隔离/接地开关设计中，DS及ES断口开距设计、DS断口触头屏蔽设计、DS分合闸速度设计、FES开关设计及各种触头参数的设计计算详见参考资料[1]，在此重点介绍新型三工位隔离/接地开关中的传动模型的建立与计算、关键件强度分析、三工位隔离/接地开关的电场分析等。
3样机制作与试验
在完成各项设计后，进行了样机试制。在试制过程中，设计检验工装对进厂的三工位隔离/接地开关的拐臂、连杆的进行检验，保证了安装孔距的一致性，并采用三坐标仪对外协加工的中间安装导体进行了关键尺寸检验；组装过程中，先完成中间安装导体的定位、安装，再按设计方案完成隔离静触头、接地接触头的装配，整个装配过程的快速而定位准确。
样机制作完成后，按制定的三工位隔离/接地开关的出厂检验要求进行厂内试验。工频试验耐压满足试验要求、同期性满足设计的技术文件，三工位主轴操作扭矩满足设计计算，样机的整机试验结果与设计要求一致，试验结果令人满意。目前，已委托第三方试验机构按相关的国家标准和行业标准[10-12]进行型式试验。
通过样机试制证明，该新型的共箱式三工位隔离/接地开关完全可满足各项预期设想，具有非常高的易装配性和可靠性，且机构更加紧凑，完全适应了GIS小型化的需求并可在型式试验完成后投入市场使用。
4、结束语
通过分析某结构形式的126kV三相共箱式三工位隔离/接地开关安装调试过程的难点，结合国外分箱式隔离开关的优点，提出了一种新的共箱式三工位隔离/接地开关机构设计，并通过模拟计算完成内部结构设计。
采用该新型结构，克服了现有产品安装调整难度大、装配效率低的缺点，并有效减少了零部件数量；在保证产品整体装配精度的情况下，提高了劳动生产率并降低了产品成本，取得良好的效果。