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GW4型隔离开关分合闸操作力矩的分析与计算


第 49 卷 第 11 期 2013 年 11 月

High Voltage Apparatus

Vol.49 No.11 Nov. 2013

· 127 ·

GW4型隔离开关分合闸操作力矩的分析与计算
常林晶 , 徐光辉 , 乔岩泽 , 刘佳春

( 平高集团有

限公司 , 平顶山

467001 )

摘要 : 隔离开关操作力矩的分析与计算对产品零部件的结构强度设计以及操作机构的匹配有很大的关系 。 笔者通过对 GW4 型隔离开关产品的传动模型进行简化和等效力矩计算 , 得到了影响 GW4 型隔离开关操作力 矩的关键因素 , 即与触头触指的接触压力 、 接触轮廓和传动连杆的位置有关 , 分析和计算的结果对于降低

GW4型隔离开关产品的操作力矩具有重要的启示意义 。
关键词 : 隔离开关 ; 操作力矩 ; 自由度 中图分类号 : TM564.1 文献标志码 : A 文章编号 :1001-1609(2013)11-0127-06

Analysis and Calculation on Operating Torque for GW4 Disconnector Opening and Closing

CHANG Lin-jing, XU Guang-hui,QIAO Yan-ze,LIU Jia-chun
( Pinggao Group Co., Ltd.,Pingdingshan 467001,China)

Abstract: Analysis and calculation of the operating torque of a disconnector are essential for the structural strength design of the components and the match in operating mechanism. In this paper, the transmission model of GW4 disconnector is simplified, and the equivalent moment is calculated, hence the key factors influencing the operating torque of GW4 disconnector are obtained, including the contact pressure, the contact contour, and the position of driving bar linkage. The analysis and calculation results may facilitate the reduction of operating torque of GW4 disconnector. Key words: disconnector; operating torque; freedom

0

引言
GW4 型隔离开关产品在 220 kV 及以下电压等

关, 在分合闸过程中隔离开关的重力矩不发生变 化 , 额定电流 2 000 A 及以下电流等级的隔离开关 在分合闸过程中的操作力矩通常都比较小, 对操 作 力矩的控制要求一般并不严格 。 但当 GW4 型隔 离 开 关 产 品 的 通 流 容 量 由 2 000 A 提 高 到 3 150 、

级的产品中一直占有较大的市场份额 , 随着中国输 电事业的发展 , 用户对 GW4 型隔离开关产品的性 能要求不断提高 , 一方面对隔离开关通流容量的要 求越来越大 , 另一方面对隔离开关的操作力矩要求 越来越小 ,即操作越来越灵便 。 对 GW4 型隔离开关 产品的分合闸操作力矩进行分析与计算 , 寻找影响 操作力矩的关键因素 , 对于提高产品的通流容量和 降低产品的操作力矩具有重要的意义
[1-10]

4 000、5 000 A 甚至是 6 300 A 时 , 对隔离开关的操
作力矩需要进行相应地分析和计算 , 以解决大电流 隔离开关操作力矩大 , 传动零部件在分合闸过程中 容易变形的问题 [12-17]。

GW4 型隔离开关 产品在分合 闸过 程 中 触 头 和
触指没有接触时 , 产品传动仅需克服转轴处的摩擦 力 , 操作力矩很小 , 在触头和触指接触后 , 由于接触 压力 的 存 在 , 会 引 起 附 加 的 操 作 力 矩 , 由 于 触 头 与 触指接触的角度行程占到了分合闸角度总行程的



目前 , 国内关于隔离开关产品分合闸过程中操 作力矩计算的文献较少 , 并且文献主要是对垂直面 内分合的隔离开关重力距的计算 [11]。 文中所要讨论 的 GW4 型 隔 离 开 关 属 于 双 柱 水 平 旋 转 式 隔 离 开
收稿日期 :2013-05-09 ; 修回日期 :2013-06-25

1/5 到 1/4, 接触压力引起的附加操作力矩成为影响 GW4 型隔离开关操作力矩的关键因素 , 同时触头触

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2013年 11 月

第 49 卷

第 11 期

指接触后也使 GW4 型隔离开关产品由自由度为 1 的 开链传动机构变成了自由度为 0 的闭链传动机构 , 这个变化也增大了操作力矩分析的难度 。 为了降低 机构操作力矩分析的难度和抓住影响机构操作力 矩的关键因素 , 笔者根据 GW4 型隔离开关的分合 闸实际情况建立了机构传动模型并进行了相应的 简化 , 将 闭 链 传 动 解 开 并 赋 予 等 效 力 代 替 , 运 用 静 力分析的方法得到了隔离开关操作力矩的计算表 达式 。 分析结果为 GW4 型隔离开关产品向大电流 发展和降低产品操作力矩提供了有用的参考依据 , 在研究过程中所采用的方法对 GW5 型隔离开关也 同样具有参考价值 [17-20]。

1

简介
图2

GW4 型隔离开关为水平双柱旋转式隔离开关 , 它的运动是靠操动机构操动垂直传动轴旋转 90° 或 180°, 垂直传动轴通过一套四连杆机构使一侧绝缘 子旋转 90° , 并借助交叉连杆使另一侧绝缘子反向 旋转 90° , 于是 , 分别固 定在左 、 右两 绝缘子 上 的 两
导电臂同时向一侧分开或合拢 , 从而实现隔离开关 产品的分闸或合闸运动 。 GW4 型隔离开关产品外型 图见图 1 。

GW4 型隔离开关分合闸时的机构自由度 Mechanism freedom during the opening and closing of GW4 disconnector

Fig. 2

5-7×2=1 。
左端触指和右端触头接触后 , 增加了一个高副 接触 , 见图 2(b) 所示 , 机构的自由度减少为 0 :F=3N-

4PL-PH=3×5-7×2-1=0 。
从机构的传动原理看, 触头与触指没有接触 时 , 机构运动的自由度为 1 , 机构能够进行正常的传 动 ;触 头 与 触 指 接 触 后 ,触 头 与 触 指 接 触 处 增 加 了 一个高副接触 , 机构运动的自由度变为 0 , 机构将沿 阻力最小的方向运动 , 根据 GW4 型隔离开关产品 的特点 , 触头触指处将产生弹性变形使运动继续沿 合闸方向或分闸方向运动下去 。 由于触头与触指接 触后形成了闭链零自由度机构 , 增大了操作力矩的

图1

GW4 型隔离开关产品外型图

分析 难 度 , 为 了 使 问 题 简 化 和 便 于 分 析 , 对 机 构 传 动的模型进行如下简化 :

Fig. 1 Outline diagram of GW4 disconnector

2

GW4 型隔离开关产品的模型简化及自由 度计算
由 于 GW4 型 产 品 的 分 合 闸 运 动 是 由 底 座 上

1)GW4 型 隔 离 开 关 产 品 在 分 合 闸 过 程 中 左 右
导电 臂 只 在 水 平 面 内 转 动 , 重 心 高 度 无 变 化 , 所 以 不考虑重力的影响 ;

2)GW4 型 隔 离 开 关 产 品 在 分 合 闸 过 程 中 左 右
拐 臂 、 左 右 导 电 臂 的 回 转 速 度 小 于 0.1 转/ 秒 , 属 于 低速 转 动 机 械 , 惯 性 力 引 起 的 附 加 力 矩 很 小 , 不 考 虑惯性力的影响 ;

交叉四连杆的传动然后通过绝缘子带动左右导电 臂的回转运动来实现的, 产品的左右导电臂与底 座上交叉四连杆的左右拐臂共轴, 触头触指接触 前为开链传动 , 接触后为闭链传动 。 根据这个特点 绘制出了 GW4 型产品的机构 运动简图 , 见 图 2 , 同 时根据机构的运动简图对分合闸过程中的自由度 进行分析
[18]

3)GW4 型 隔 离 开 关 产 品 底 座 上 转 轴 处 安 装 有
轴承 , 摩 擦 系 数 很 小 , 故 忽 略 底 座 上 左 右 转 轴 处 的 摩擦 力 矩 , 触 头 与 触 指 接 触 的 过 程 中 , 触 头 与 触 指 间的摩擦力数值虽不大 , 但由于改变了触头与触指 间相互作用力的方向 , 对左右转轴形成了较大的阻 转力矩 , 在进行静力分析时应该予以考虑 。 根据上述简化方案 , 下面对 GW4 型隔离开关



机构的自由度用 F 表示 , 活动构件的数量用 N 表示 , 运动低副用 PL 表 示 , 高副用 PH 表示 , 左端触 指和右端触头接触前 , 见图 2(a) 所示 :F =3N -7PL=3 ×

研究与分析

常林晶,徐光辉,乔岩泽, 等. GW4 型隔离开关分合闸操作力矩的分析与计算

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的传动机构进行简化并进行静力分析 。

式 (2) 中 ,JMf 为考虑摩擦时左右拐臂上作用力矩 的机械利益 。

3

GW4 型隔离开关底座模型的简化及等效 力矩折算
根据 GW4 型隔离开关底座传动时一侧绝缘子

4

GW4 型隔离开关导电部分模型简化及等 效力矩折算

旋转 90° 而另一侧绝缘子反向旋转 90° 的运动特性 , 合闸过程中触头与触指刚开始接触时底座上的交 叉四连杆的运动模型可等效为图 3 。

GW4 型隔离开关 分合闸过程 中 触 头 触 指 接 触 后形成了高副接触 , 见图 4 。 为了便于分析 , 对接触
点处的高副用低副进行替代 , 替代的方法为当触头 触指以两段曲线弧的形式接触时 , 在两曲线弧的曲 率中心处分别以转动副替代 , 两转动副之间增加一 个虚拟杆件直接相连 。 当触头运动到触指的直线段 相接触时 , 触头侧以接触弧线的曲率中心处以转动 副代替 , 触指侧在接触点处以移动副代替 [21], 左右导 电臂的机构运动模型见图 5 , 触头触指接触处的高 副用低副进行替代见图 6 。

图3

GW4 型隔离开关底座传动模型简图 Transmission model diagram of GW4 disconnector base

Fig. 3

图 3 中 :01、02 分别为左右拐臂的旋转中心 ;A1、

B1 为左右拐臂与交叉连杆的铰链中心 , 为了保证生
产制造上的方便和增加互换性 , 通常取 01A1 与 02B1 的 值 相 等 ; A2 、 B 2 为 考 虑 摩 擦 时 交 叉 连 杆 的 实 际 受 力方向与摩擦圆的切点 ;P1、P2 分别为不考虑摩擦力 与 考 虑 摩 擦 力 时 交 叉 连 杆 受 力 方 向 与 0102 两 回 转 中心连线的交点 。 假定左拐臂以角速度 ω1 顺时针方向旋转 , 右拐 臂以角速度 ω2 逆时针方向旋转 , 根据上述模型简化 的方法 , 不考虑左 、 右拐臂及连杆所受的惯性力 , 只 考虑左 、 右 拐 臂 及 连 杆 所 受 的 外 力 , 如 果 在 左 拐 臂 上施加逆时针方向的转矩 M1, 那么需要在右拐臂上 施加逆时针方向的力矩 M2 来进行平衡 。 当不考虑摩擦时 , 连杆上作用力的方向通过两 端铰链 的 回 转 中 心 , 此 时 左 、 右 两 拐 臂 上 的 作 用 力 矩的机械利益与左 、 右拐臂的传动比成反比 , 即

图4

GW4 型隔离开关左右导电臂传动示意图

Fig. 4

Transmission schematic diagram of the left and right conducting arm of GW4 disconnector

图5

GW4 型隔离开关左右导电臂传动模型简图 conducting arm of GW4 disconnector

Fig. 5

Transmission model diagram of the left and right

J M = 1 = 02 P1 C 01 P1
矩的机械利益 ;C 为左右拐臂的传动比 。

(1)

图6

GW4 型隔离开关触头触指接触处高副低代简图 Diagram of high freedom that replaced by low and contact finger of GW4 disconnector

Fig. 6

式 (1) 中 :JM 为不考虑摩擦时左右拐臂上作用力 当考虑摩擦时 , 连杆上作用力的方向通过两端 铰链的摩擦圆相切 , 根据连杆与两拐臂的相对运动 关系 , 可判断连杆上作用力的方向均与两端铰链的 摩擦圆的下方相切 , 此时两拐臂上的作用力矩 M1、

freedom because of limits at the contact place of contact

图 5 、6 中 :01、02 分 别 为 左 右 导 电 臂 的 旋 转 中 心 ;C1、D1 为 触 头 触 指 接 触 处 曲 线 弧 的 曲 率 中 心 ;

C1D1 即 为 高 副 替 代 的 连 杆 ;C2、D2 为 考 虑 摩 擦 时 替
代连杆的实际受力方向与两端转动副摩擦圆的切 点 ;K1 为 不 考 虑 摩 擦 时 替 代 连 杆 C1D1 受 力 方 向 与

M2 存在如下关系 · 02G2 = 02G2 = 02P2 ≠ 1 JMf = M2 = FB · M 1 FA 01E2 01E2 01P2 C

(2)

0102 两回转中心连线的交点 ;K2 为考虑摩擦时 替代 连杆 C1D1 沿受力方向 C2D2 与 0102 两回转中心连线

· 130 · 的交点 。

2013年 11 月

第 49 卷

第 11 期

M2′ ,FD 在左侧导电臂侧产生的作用力矩为 M1′ 。 假
定逆时针方向的操作力矩为正 , 顺时针操作的力矩 方向为负 , 设施加在轴 2 方向上的主动操作力矩为

假 定 左 导 电 臂 以 角 速 度 ω1′ 沿 顺 时 针 方 向 旋 转 , 右导电臂以角速度 ω2′ 沿逆时针方向旋转 , 同样 根据上 述 模 型 简 化 的 方 法 , 不 考 虑 左 、 右 导 电 臂 所 受的惯性力 , 只考虑左 、 右导电臂所受的外力 , 如果 在左导电臂上施加顺时针方向的转矩 M1′ , 那么需 要在右导电臂上施加顺时针方向的力矩 M2′ 来进行 平衡 。 当不考虑摩擦时 , 连杆上作用力的方向通过两 端铰链的回转中心, 此时两导电臂上的作用力矩

M3,见图 7,则有
对替代连杆进行受力分析可得

FC+FD=0 FC 对右侧导电臂产生的力矩为 · FC 02V2=M2′ FD 对左侧导电臂产生的力矩为
· FD 01V1= M1′ 由(5)-(7) 式可得 M2′ = 02V2 = 02K2 M1′ 01V2 01K2 同理 , 由式 (2) 可得

(5) (6) (7) 陴M2′= 02K2 · M1′ 01K2

M1′、M2′的机械利益与左 、右导电臂的传动比成反比 JM′= 1 = 02K1 (3) C′ 01K1
式 (3) 中 :JM′ 为不考虑摩擦时左右导电臂上作用 力矩的机械利益 ;C′为左右导电臂的瞬时传动比 。 当考虑摩擦时 , 替代连杆上作用力的方向通过 两端铰链的摩擦圆相切 , 根据替代连杆与两导电臂 的相对运动关系 , 可判断替代连杆上方作用力的方 向在铰链中心的右边与摩擦圆相切 , 下方作用力的 方向在铰链中心的左边与摩擦圆相切 , 此时两拐臂 上的作用力矩 M1′、M2′存在如下关系

(8)

M 2 = 0 2 P2 M 1 0 1 P2

陴M2= 02 P2 · M1 0 1 P2

(9)

对 01 轴进行受力分析

M1′-M1=0陴M1=M1′
对 02 轴进行受力分析

(10)

M3+M2-M2′=0
· · 陴M3= M2′-M2=( 02 K2 - 02 P2 ) FD 01V1 0 1 K 2 0 1 P2

(11)

JMf′= M2′ = 02K2 ≠ 1 M1′ 01K2 C′
矩的机械利益 。

(4)

式(4) 中 ,JMf′ 为考虑摩擦时左右导电臂上作用力 值得注意的是 , 上述将高副用低副进行替代的 方法只是对分合闸过程中任一位置时的瞬时速度 和瞬时加速度保持不变的瞬时替代 , 此种瞬时替代 机构的尺寸也将随接触点位置的不同而不同 。
图7

5 GW4 型隔离开关产品传动机构的静力分析
由以上分析可知 , 当不考虑摩擦时四连杆传动 中左侧传动臂与右侧传动臂传递的力矩的机械利 益 JM 与左右两传动臂的传动比成反比 , 但实际上由 于摩擦 力 的 存 在 , 左 、 右 侧 传 动 臂 传 递 的 力 矩 的 机 械利益 JM 将不再与两传动臂的传动比成反比 , 摩擦 力越大 , 两者的差值也越大 。 根据触头与触指间高副接触的性质可知 , 触头 与触指间相互作用力只能是压力而不可能是拉力 , 从而导电部分模型简 化中的替 代连杆 C1D1 承受 的 作用力只能是受两端低副的压力 。 由分合闸过程中触指的变形 λ 和相对摩擦系 数 μ , 根据触指的刚度可以得到触头间的接触正压 力 F 和 摩 擦 力 f [15], 从 而 可 以 得 到 替 代 连 杆 受 到 的 压 力 FC 或 FD,FC 在 右 侧 导 电 臂 产 生 的 作 用 力 矩 为

GW4 型隔离开关底座和导电臂力矩分析简图 conducting arm of GW4 disconnector

Fig. 7 Moment analysis diagram of the base and

由此可知 , 操作力矩的大小不仅与触头触指的 接触压力 F 有关, 也与传动过程中连杆的位置有 关 , 还与触头与触指接触时的弧形轮廓有关 。 如果 能够使底座传动连杆与导电臂传动替代连杆的受 力方向与两拐臂旋转中心连线的交点趋于一致时 , 将使产品的操作力矩最小 , 即只需克服产品转轴处 的摩擦力矩就可以使产品传动 。

6

实例分析
采用上述分 析方法对 GW4-40.5/J5000 大 电流

隔离开关产品在试制过程中遇到的问题进行分析 , 该型号隔离开关在试制过程中曾出现过操作力矩 大、电 机 保 护 开 关 跳 闸 、底 座 上 交 叉 连 杆 变 形 的 情 况 , 对该传动机构的分合闸过程进行分析发现 , 合

研究与分析

常林晶,徐光辉,乔岩泽, 等. GW4 型隔离开关分合闸操作力矩的分析与计算

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闸结束后触指变形为 3 mm , 但合闸过程中最大变 形 5.5 mm 。 经过重新计算和优化设计 , 将触指合闸 后的变形调整为 2 mm , 同时将左右导电臂的相对 长度进行调整,使合闸过程中最大变形量降为 3.2 mm, 实测操作力矩降为了原来的 1/2 , 产品顺利通过了 机械操作试验 ,GW4-40.5/J5000 隔离开关产品操作 试验中见图 8 。
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图8

Analysis of abnorm al

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Fig. 8

GW4-40.5/J5000 disconnector is on operating test

7

结语
笔者运用图解法对 GW4 型隔离开关的操作力

矩进行了简要的分析和计算 , 如果需要了解分合闸 过程操作力矩的变化需要对触头触指的接触过程 进行一系列的作图和力矩分析 , 虽然比较繁琐 , 但 作图的结果能够满足工程上的需要 。 根据以上分析和计算可知 : 影响 GW4 型隔离 开关的操作力矩的因素不仅与触头触指的接触压 力有 关 , 还与 传 动 中 连 杆 的 位 置 , 触 头 与 触 指 接 触 的轮廓曲线有关 , 对开发大电流 GW4 型隔离开关 产品和降低隔离开关的操作力矩提供了有益的启 示 , 同时文中提供的研究方法对 GW5 型隔离开关 进行力矩分析也同样具有参考价值 。
[9] [8]

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南瑞继保获得多项国家电网公司科技奖及专利奖
近日 , 国家电网公司印发关于 2013 年度科学技术进步奖 、 专利奖获奖项目的奖励通知 。 南京南瑞继保 电气有限公司自主完成的 “1 000 MW 级大型发电机变压器组保护关键技术的研究及应用 ”、“ 超 / 特高压直流 电子式互感器的研制及应用 ”、“ 智能变电站继电保护可靠性关键技术研究 ” 项目分别获得 2013 年度国家电 网公司科技进步奖一 、 二 、 三等奖 ; 发明专利 “ 利用电流指令切换 50 Hz 保护定值的方法 ” 获得国家电网公司 专利奖二等奖 。 此外 , 南瑞继保公司参与的 “ 青藏电力联网工程 ” 项目获得国家电网公司科技进步奖特等奖 ;“ 基于同步 相量测量的大电网复杂动态过程监测分析技术研究 ” 项目获得国家电网公司科技进步奖二等奖 ; 发明专利 “ 数字化变电站中的 GOOSE 检修方法 ” 获得国家电网公司专利奖二等奖 。

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第4章习题
12D型负荷开关出线侧装有( C ) ,并接到操作面板...内部气压 18、GW4-35系列隔离开关一般制成( A )...A、合闸线圈 B、合闸锁扣装置 C、分闸弹簧 D、分...
GW4—126VI隔离开关操作说明
GW4—126VI隔离开关操作说明_信息与通信_工程科技_...附装的接地开 关配 CS19 型人力操动机构,每台人力...如开关入柜、退出柜外、合闸、断开操作 隔离开关...
GW4型隔离开关作业指导书
GW4型隔离开关作业指导书_建筑/土木_工程科技_专业资料。220 千伏 XXXXXXX 工程...6.4.6 接地刀转轴上的扭力弹簧或拉伸二弹簧应调整到操作力矩最 小,并加以...
关于隔离开关的学习笔记
送电时先断开接地刀闸,后闭合隔离开关的操作顺序。...10、GW4 系列隔离开关的基本结构和动作原理是什么?...合闸结束或分闸开始时隔离开关轴上的操作力矩最大,...
隔离开关的详细内容
系统运行方式、分合小负荷电流、进行倒 闸操作等...对同型号隔离开关在手动操作时比较其操作 力矩,如...有的 GW4 型隔离开关的闸刀机构传动主轴与垂直 ...
GW4型隔离开关常见故障及处理
GW4 型隔离开关常见故障及处理 摘要:本文对 GW4 型隔离开关在系统运行中较常发生的缺陷与故障进行了 研究,分析故障发生的主要原因,并结合实践经验提出了相应的...
隔离开关GW4-27.5使用说明书A41[1]
隔离开关GW4-27.5使用说明书A41[1]_电力/水利_工程科技_专业资料。GW4-27...反向型、单机构操作。主刀闸分闸方向与 通用型相反。 二次操作型、双机构操作...
GW4型隔离开关调试单项技能考核标准
GW4型隔离开关调试单项技能考核标准_机械/仪表_工程...2014造价工程师案例分析... 2014造价工程师造价管理...
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