分合闸缓冲装置及使用该装置的快速机械开关的制作方法

本发明涉及分合闸缓冲装置及使用该装置的快速机械开关。

背景技术：

现代开关设备作为电力系统的关键控制和保护设备，快速操作能够缩短故障持续时间，快速恢复供电，能显著提高系统稳定性和开关开合性能，具有显著的技术经济意义。传统开关设备，如VS1型10kV真空断路器，采用弹簧操动机构，分闸时间≦50ms，合闸时间≦70ms，由于机械操动机构体积庞大，结构复杂，传动环节多，动作时间的缩短受到很大限制，在一些特殊应用领域，已经不能完全满足使用需求。如在故障电流限制领域、选项合闸领域、电能质量领域、直流系统中短路故障快速切除等都需要开关快速动作，通常都在几个ms内完成，常规开关都是无法完成的，需要开发快速机械开关产品。

对于快速机械开关产品的开发，国内外研究较多的主要是真空快速机械开关。国外主要有日本、德国和美国等，1993年日本富士电机公司的刊物上出现了基于电磁斥力操动机构的快速机械开关的研究报道，1995年日本三菱公司利用真空灭弧室、双向电磁斥力操动机构、可倒翻碟簧双稳机构以及双稳碟簧机构开发了6kV、15kV以及24kV的快速机械开关产品，其24kV-1200A/20kA的快速机械开关，分闸时间为1ms，合闸时间为10ms，可以在一个周波以内开断故障电流。在后续的研究中，日本三菱公司通过试验分析比较了不同电磁斥力操动机构（线圈对金属盘及线圈对线圈式）的能量转换效率，研究结果表明线圈对线圈式电磁斥力操动机构相比线圈对金属盘斥力操动机构拥有更高的能量转换效率，但同时也对可动线圈的机械强度提出了更高的要求。除此之外，日本三菱公司还利用研制的快速机械开关开展了故障限流器、固态转换开关等方面的研究工作。近几年，国内也也有单位开展了快速机械开关技术的应用基础研究工作，实现了较高分合闸速度并实现了挂网试运行。但是，由于现有的快速机械开关分合闸速度较高，因此斥力操动机构的线圈、永磁体、动铁芯和真空断路器的动导电杆、动静触头等都需要能够承受更大的冲击力，同时容易造成合闸弹跳和分闸反弹，影响了断路器的使用寿命和稳定性。

对于上述问题，授权公告号为CN 101510475 B的中国专利公开了一种高压开关超快速操动机构，包括永磁持位辅助驱动装置和缓冲储能装置，永磁持位辅助驱动装置的动铁芯推杆的一端与缓冲储能装置的管式推杆连接，在永磁持位辅助驱动装置的动铁芯推杆的另一端上连接有电磁涡流斥力主驱动装置，形成斥力操动机构。电磁涡流斥力主驱动装置用于为开关操控提供初始操控力；永磁持位辅助驱动装置用于在开关触头运动到一定位置后提供稳定可靠动力，并在开关动作结束后使开关动触头保持位置，其包括动铁芯，动铁芯的轴向两端分别固定有动铁芯推杆和管式推杆，动铁芯推杆为连接杆，用于与电磁涡流斥力主驱动装置的绝缘推杆连接，管式推杆作为连接杆，用于与缓冲储能装置连接。缓冲储能装置用于减小操动机构操控过程中对机构外壳和开关触头的冲击，同时将能量以弹簧能的形式储存以备再次开关操控之用。具体地，缓冲储能装置包括作为装置架的外壳，在外壳内设有导向芯棒及管式推杆，在管式推杆上设有弹簧座且弹簧座位于外壳内，在弹簧座上设有与导向芯棒相配合的第一导向孔，在外壳的顶部设有与管式推杆相配合的第二导向孔，所述管式推杆经过外壳上的第二导向孔延伸至外壳之外，在弹簧座与外壳顶部之间设有合闸缓冲储能弹簧且合闸缓冲储能弹簧套设在管式推杆上，在弹簧座与外壳底部之间设有分闸缓冲储能弹簧且分闸缓冲储能弹簧套设在导向芯棒上。上述合闸缓冲储能弹簧和分闸缓冲储能弹簧均为缓冲件，分别形成合闸缓冲件和分闸缓冲件，弹簧座形成缓冲限位座，合闸缓冲储能弹簧和分闸缓冲储能弹簧用于与缓冲限位座配合的一端形成撞击端。

但是，现有的缓冲装置需要设置导向芯棒和管式推杆，还需要在弹簧座和外壳上设置导向孔，结构复杂，加工难度大，使用过程中容易出现磨损和导向精度下降的问题，需要频繁维护，成本较高。另外，弹簧座向分闸侧或合闸侧运动时，合闸缓冲储能弹簧和分闸缓冲储能弹簧将无法得到稳定的支撑，容易歪斜或者弹跳，影响可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分合闸缓冲装置，以解决现有技术中的缓冲装置结构复杂、需要频繁维护的问题。同时，本发明还提供了一种使用该分合闸缓冲装置的快速机械开关。

为实现上述目的，本发明中采用的技术方案是：分合闸缓冲装置，包括装置架、缓冲件和用于与快速机械开关的连接杆固定连接的缓冲限位座，所述缓冲限位座包括与缓冲件的撞击端配合的顶推部和用于与机械开关的连接杆固定连接的传动连接部，所述传动连接部设置在装置架的外侧并与所述顶推部沿缓冲件的缓冲形变方向间隔设置，所述传动连接部与顶推部之间连接有传动臂，所述传动臂位于缓冲件的外侧。

所述缓冲件包括合闸缓冲件和分闸缓冲件，合闸缓冲件和分闸缓冲件的撞击端相向设置，所述顶推部设置在合闸缓冲件和分闸缓冲件的撞击端之间。

所述装置架包括层叠设置的上支架和下支架，所述上支架和下支架均为开口朝下的U形框架，上支架和下支架上于U形的顶部开口处设有外翻沿，上支架通过外翻沿固定在上支架上，合闸缓冲件和分闸缓冲件分别固定在上支架和下支架与U形的底部对应的位置。

所述缓冲件为缓冲器油缸，所述上支架和下支架与U形的底部对应的位置设有供缓冲器油缸插入的安装孔，所述安装孔为长孔，各缓冲器油缸的外周面上均螺纹连接有两只调节螺母并通过两只调节螺母夹紧固定在相应的上支架或下支架上。

所述缓冲限位座为方框结构，所述顶推部、传动连接部和传动臂分别由方框结构的底部横框、顶部横框和侧边框形成。

快速机械开关，包括斥力操动机构和分合闸缓冲装置，分合闸缓冲装置包括装置架、缓冲件和与斥力操动机构的连接杆固定连接的缓冲限位座，所述缓冲限位座包括与缓冲件的撞击端配合的顶推部和与斥力操动机构的连接杆固定连接的传动连接部，所述传动连接部设置在装置架的外侧并与所述顶推部沿缓冲件的缓冲形变方向间隔设置，所述传动连接部与顶推部之间连接有传动臂，所述传动臂位于缓冲件的外侧。

所述缓冲件包括合闸缓冲件和分闸缓冲件，合闸缓冲件和分闸缓冲件的撞击端相向设置，所述顶推部设置在合闸缓冲件和分闸缓冲件的撞击端之间。

所述装置架包括层叠设置的上支架和下支架，所述上支架和下支架均为开口朝下的U形框架，上支架和下支架上于U形的顶部开口处设有外翻沿，上支架通过外翻沿固定在上支架上，合闸缓冲件和分闸缓冲件分别固定在上支架和下支架与U形的底部对应的位置。

所述缓冲件为缓冲器油缸，所述上支架和下支架与U形的底部对应的位置设有供缓冲器油缸插入的安装孔，所述安装孔为长孔，各缓冲器油缸的外周面上均螺纹连接有两只调节螺母并通过两只调节螺母夹紧固定在相应的上支架或下支架上。

所述缓冲限位座为方框结构，所述顶推部、传动连接部和传动臂分别由方框结构的底部横框、顶部横框和侧边框形成。

有益效果：本发明采用上述技术方案，分合闸缓冲装置的缓冲限位座包括与缓冲件的撞击端配合的顶推部和用于与机械开关的连接杆固定连接的传动连接部，所述传动连接部设置在装置架的外侧并与所述顶推部沿缓冲件的缓冲形变方向间隔设置，所述传动连接部与顶推部之间连接有传动臂，所述传动臂位于缓冲件的外侧，通过设置传动臂，能够使顶推部和传动连接部从缓冲件外侧形成连接，缓冲限位座与缓冲件不会形成内部配合，结构简单，便于分别进行加工和装配，不需要复杂的导向配合关系，不会出现磨损和导向精度问题，有利于降低维护频率。

进一步地，所述缓冲件包括合闸缓冲件和分闸缓冲件，合闸缓冲件和分闸缓冲件的撞击端相向设置，所述顶推部设置在合闸缓冲件和分闸缓冲件的撞击端之间，这样能够实现分闸和合闸的缓冲，有利于提高使用寿命。

进一步地，所述装置架包括层叠设置的上支架和下支架，所述上支架和下支架均为开口朝下的U形框架，上支架和下支架上于U形的顶部开口处设有外翻沿，上支架通过外翻沿固定在上支架上，合闸缓冲件和分闸缓冲件分别固定在上支架和下支架的与U形的底部对应的位置，上支架和下支架采用相互固定的U形框架便于制造、装配方便、结构稳定。

进一步地，所述缓冲件为缓冲器油缸，所述上支架和下支架的底部设有供缓冲器油缸插入的安装孔，所述安装孔为长孔，各缓冲器油缸的外周面上均螺纹连接有两只调节螺母并通过两只调节螺母夹紧固定在相应的上支架或下支架上；采用缓冲器油缸能够避免采用缓冲弹簧时出现的弹簧弹跳、歪斜，保证可靠缓冲，缓冲器油缸通过两只调节螺母夹紧固定，便于调节缓冲器的上下位置，安装孔采用长孔便于调节缓冲器的水平位置，从而便于实现缓冲器的调试。优选地，缓冲器油缸采用阻尼可调的缓冲器，以便于对缓冲效果进行调整，使之适应断路器需求。

附图说明

图1是本发明中快速机械开关的整体结构示意图；

图2是图1中分合闸缓冲装置的立体图；

图3是图2的主视图；

图4是图3的侧视图；

图5是图1中固封极柱的结构示意图；

图6是真空灭弧室的动触头的结构示意图；

图7是图6中动触头本体的结构示意图；

图8是图6中钢钉的结构示意图；

图9是图6中绝缘拉杆接头的结构示意图；

图10是图1中斥力操动机构的结构示意图；

图11是快速机械开关的控制器模块的原理图。

图中各附图标记对应的名称为：10-机构箱，11-槽钢，12-刚性支柱，20-固封极柱，21-真空灭弧室，22-动触头，221-动触头本体，222-盲孔，223-钢钉，224-头部，225-杆部，226-绝缘拉杆接头，23-上出线座，24-下出线座，25-绝缘拉杆，30-斥力操动机构，31-分闸侧盖板，32-分闸盖板铜套，33-铁芯，34-连接杆，35-合闸侧盖板，36-永磁壳体，37-导磁环，38-支撑螺杆，39-永磁体，310-斥力连杆，311-合闸线圈，312-合闸盖板铜套，313-动斥力线圈盘，314-输出杆，315-斥力壳体，316-静斥力线圈盘，317-斥力上盖板，318-上盖板铜套，319-弹簧座，320-分闸侧，40-分合闸缓冲装置，41-上支架，42-下支架，43-翻沿，44-缓冲撞框，441-底部横框，442-顶部横框，443-侧边框，45-缓冲器油缸，451-撞击端，46-调节螺母，47-连接孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明中快速机械开关的一个实施例如图1~图11所示，包括机构箱10，机构箱10的顶部外侧装配有固封极柱20，机构箱10内设有斥力操动机构30和分合闸缓冲装置40。

机构箱10采用内嵌角钢支架增强其刚度，用于支撑三相固封极柱和悬挂三相斥力操动机构30，整机简单且紧凑。机构箱10底部安装槽钢11，槽钢11采用地脚螺栓与地面相连；机构箱10的前门板安装有各相分合闸位置指示灯及指示分合闸所处位置的行程指示器，实现开关合分闸位置指示和开关行程数据实时测量；分合闸状态通过接近开关测量信号，位移通过位移传感器测量。机构箱10四角安装吊环，方便吊装；机构箱10侧面安装机构箱呼吸孔，用于在机构箱10的前后门关闭时实现机构箱对外通气。

固封极柱20采用了自动压力凝胶工艺（简称APG）的环氧浇注技术，将上出线座23、真空灭弧室21、软连接（大电流的产品需要导电块和弹簧触指）及下出线座24浇注在一起，并根据散热需要添加散热片。固封极柱技术的应用，使真空灭弧室21免受外界恶劣环境（灰尘、潮气等）的影响，提高了其耐气候性及绝缘效果。上出线座23、下出线座24为铜铸件或铝铸件，根据额定电流的不同选择不同材料，触臂安装孔均装有钢丝螺套，提高螺纹强度；软连接为铜片压制，导电性能好；对于大电流产品，导电块为铜铸件，弹簧触指为铬锆铜丝绕制，导电性能优异；大电流产品上还需安装散热片，散热片为铝铸件，外表面涂覆环氧树脂，保证产品的绝缘性能；所有零部件的导电面均镀银，减小接触电阻。真空灭弧室21为固封极柱20的核心部件，由动触头22、静触头、波纹管、屏蔽罩及外壳等组成。真空灭弧室21具有极高的真空度，当动、静触头在斥力操动机构30作用下分闸时，在触头间将产生真空电弧，同时触头采用磁吹触头，在触头间隙中产生适当的纵磁场，使真空电弧保持扩散型，并使电弧均匀的分布在触头表面燃烧，维持低的电弧电压。在电流自然过零时，残留的离子、电子和金属蒸汽在微秒数量级的时间内就可复合或凝聚在触头表面和屏蔽罩上，灭弧室断口的介质绝缘强度很快被恢复，从而电弧被熄灭，达到分断的目的。

其中真空灭弧室21的动触头22包括动触头本体221，动触头本体221靠近顶压导通端的端面上设有盲孔222，盲孔222具有靠近孔底的加强柱安装段和靠近孔口的接头安装段，加强柱安装段内设有钢钉223，钢钉223沿动触头本体221的轴心设置，形成加强柱，接头安装段内固定有绝缘拉杆接头226。钢钉223的外周面为光面，具有头部224和杆部225，头部224的直径大于杆部225的直径；动触头本体221上的盲孔222的孔底壁为锥形，钢钉223远离绝缘拉杆接头226的一端与盲孔222的孔底壁形状吻合并与动触头本体221顶压配合。加强柱安装段是与钢钉对应的阶梯段，阶梯段的大径段与接头安装段的直径一致，绝缘拉杆接头226与钢钉223沿轴向顶压配合。绝缘拉杆接头226的材料与动触头22一致，其轴心设有盲孔，该盲孔为螺纹孔，用于与绝缘拉杆螺纹配合而与绝缘拉杆固定并导通。由于电流的集肤效应，通过合理调节钢钉的尺寸可以避免钢钉影响到导电杆的通流，并且设置钢钉223能够降低断路器在高速合闸时灭弧室动端与静端撞击产生的镦粗变形，避免由此导致真空灭弧室21出现开距变化甚至出现严重卡滞而不能正常合闸，提高灭弧室的机械寿命和可靠性。

斥力操动机构30采用斥力机构+单稳态永磁机构+分闸簧一体化设计，斥力机构包括静斥力线圈盘316和动斥力线圈盘313，静斥力线圈盘316和动斥力线圈盘313包括扁铜线绕制的斥力线圈和用于固定斥力线圈的骨架，斥力线圈浇铸固定在骨架内，结构简单紧凑，解决了斥力机构线圈松动问题以及目前斥力铜盘效率低的问题。单稳态永磁机构包括分闸侧盖板31，分闸盖板铜套32，动铁芯33，连接杆34，合闸侧盖板35，永磁壳体36，导磁环37，永磁体39，斥力连杆310，合闸线圈311，合闸盖板铜套312，动斥力线圈盘313，输出杆314，斥力壳体315，静斥力线圈盘316，斥力上盖板317和上盖板铜套318。其中合闸侧盖板35和斥力上盖板317之间通过支撑螺杆38连接；永磁体39与导磁环37内外嵌套设置形成永磁组件，仅在内侧设置导磁环37能够减小体积；动铁芯33的分闸端设有凸缘而形成T形铁芯，凸缘与导磁环37沿轴向对应；输出杆314形成整个操动机构的输出端，装配时输出杆314与绝缘拉杆25固定连接；输出杆314下端设有内螺纹，与固定在动铁芯33的合闸端的斥力连杆310螺纹连接，动斥力线圈盘313夹紧固定在斥力连杆310的台阶端面与输出杆314之间，随斥力连杆310、输出杆314和动铁芯33同步运动。

斥力操动机构30通过4根刚性支柱12悬挂于机构箱10的顶盖上面，通过联轴节与断路器本体实现连接。连接杆34伸出分闸侧盖板31的部分通过螺母固定有弹簧座319，弹簧座319与分闸侧盖板31之间设置分闸弹簧320，分闸弹簧320与斥力机构共同实现分闸功能，并能够降低控制器模块电容的使用量，缩小控制器占用的空间；分闸弹簧的使用还能够起到合闸缓冲的效果，解决合闸弹跳大这一难以解决的技术问题。

分合闸缓冲装置40包括层叠设置的上支架41和下支架42、上下相向设置的合闸缓冲件和分闸缓冲件，还包括缓冲撞框44。上支架41和下支架42均为开口朝下的U形框架，上支架41和下支架42上于U形的顶部开口处设有外翻沿43，上支架41通过外翻沿43和螺栓固定在上支架41上，下支架42通过外翻沿43和螺栓固定在机构箱10的底板上，上支架41和下支架42构成分合闸缓冲装置40的装置架。缓冲件为缓冲器油缸45，上支架41和下支架42与U形的底部对应的位置设有供缓冲器油缸45插入的安装孔，安装孔为长孔，各缓冲器油缸45的外周面上均螺纹连接有两只调节螺母46并通过两只调节螺母46夹紧固定在相应的上支架41或下支架42上。缓冲撞框44构成缓冲限位座，其采用方框结构，方框结构的底部横框441、顶部横框442和侧边框443分别形成与缓冲件的撞击端451配合的顶推部、用于与机械开关的连接杆34固定连接的传动连接部和用于连接传动连接部和顶推部的传动臂，顶部横框上设有连接孔47，用于与斥力操动机构30的连接杆34固定连接。开关的每相机构均配备有上述分合闸缓冲装置40，且缓冲器可进行调节，以消除制造和安装带来的误差，安装简单、调节方便。

控制器模块包含电源模块、放电模块、控制模块、电容器模块；通过外接电源接通，电源模块实现对电容的充电，然后按下合闸按钮，放电模块实现电容对永磁机构线圈通电，永磁机构铁芯运动到合闸位置，并通过控制模块斩断电流，永磁体39实现对铁芯合闸位置的保持；按下分闸按钮，控制器放电模块给动斥力线圈盘313和静斥力线圈盘316通电，两斥力线圈盘串联且电流流向相反产生斥力，动斥力线圈盘313带动机构分闸，提供较大的加速度，此时控制模块开始对斥力机构电流关断，后程靠分闸弹簧实现分闸运动；控制模块选用足够处理能力及速度的CPU，同时控制IGBT及可控硅驱动电路。

合闸操作：当机构接到合闸命令时，向合闸线圈311中通入一定方向的电流，磁力线方向与永磁体39产生的磁力线方向相反，随着合闸线圈311电流增大，动铁芯33在永磁体39与激磁电流的合成磁场作用下，受到向上的电磁吸力逐渐增大，当电流达到一定值时，合闸线圈311产生的向上的磁力线和永磁体39产生的向下的磁力线相互抵消，动铁芯33开始运动，随着位移逐渐增大，上部气隙磁阻逐渐减小，下部气隙磁阻逐渐增大，因此机构上部的磁场逐渐增强，绝大部分的磁力线经由上部气隙、合闸侧盖板35、永磁机构外壳、永磁体39和导磁环37形成闭合磁路，直到运动到合闸位置为止。合闸位置的保持力也是由永磁体39提供，原理与分闸位置相同。合闸操作的末段行程中，缓冲撞框44与上部的缓冲器油缸45的撞击端451发生作用，撞击端451受作用力的驱动缩回，推动缓冲器油缸45内的液压油通过阻尼孔，实现合闸缓冲。

分闸操作：当机构接到分闸命令时，有两个电容分别向斥力操动机构30中的静斥力线圈和动斥力线圈通方向相反的电流，使动铁芯33在动、静斥力线圈所产生的斥力作用下运动，从而实现分闸操作。若同时采用辅助分闸线圈，则需同时向辅助分闸线圈中通一定方向的电流，使线圈产生的磁力线与永磁体39产生的磁力线方向相反，维持机构后期的运动；若采用弹簧，则在合闸过程中储藏在弹簧中的能量维持机构后半程运动，同时，在合闸时，也起到缓冲的作用，可以降低固封单极中灭弧室弹跳。分闸操作的末段行程中，缓冲撞框44与下部的缓冲器油缸45的撞击端451发生作用，撞击端451受作用力的驱动缩回，推动缓冲器油缸45内的液压油通过阻尼孔，实现分闸缓冲。

本发明中分合闸缓冲装置的一个实施例即上述快速机械开关的实施例中的分合闸缓冲装置40，具体结构此处不再赘述。

在上述实施例中，缓冲限位座为方框结构，缓冲件包括合闸缓冲件和分闸缓冲件，而装置架包括层叠设置的上支架41和下支架42，上支架41和下支架42均为开口朝下的U形框架。在本发明的其他实施例中，缓冲限位座也可替换为其他形式，例如顺时针或逆时针翻转90度的U形结构，即单传动臂结构，而缓冲件也可以仅采用合闸缓冲件或仅采用分闸缓冲件，并且缓冲件可以替换为气弹簧或其他弹簧的形式；装置架也可以替换为其他形式，例如设置方框形装置架，方框形装置架的顶部和底部分别固定缓冲器。