无励磁分接开关设计十法

无励磁分接开关设计十法摘要：阐明了无励磁分接开关优化设计的目标和方案、简化结构的办法及提高可靠性的途径。 关键词：无励磁分接开关；可靠性；结构设计 1前言 1994年，沈阳变压器研究所在浙江省三门腾龙电器有限公司组织的无励磁分接开关全国统一设计中采用了一些不同于以往的设计方法，使其结构在1990年问世的碟型开关的基础上更趋完善。经过近十年的生产实践和运行考验，证明其效果较好。此次统一设计是以优化设计为内容，以提高可靠性为目标，以简化结构为途径，是无励磁分接开关的一次创新、一次改革。其目的是使开关向小型化发展，特别是降低开关的高度，以达到节材节能的功效。因此，对这些特殊结构原则进行综合归纳，并进行深入分析，再思考很有必要，可以引发和派生新的设计理念，从而使无励磁开关的设计更趋完善。分接开关所起的重要作用是使变压器可进行电压调整，在这一意义上说是不允许出现故障的。那么分接开关设计的最主要目标是什么呢？当然就是提高可靠性！那么为提高可靠性是否必须提高设计精度呢？答案是否定的。即设计精度高不等于可靠度一定高。在保证可靠性前提下，产品设计的经济性就显得尤为重要了。一种设计方案的可靠性和经济性的协调统一乃是优化设计的宗旨。那么优化设计的途径何在呢？设计结构复杂不等于功能必然多。在满足功能的前提下，最简化的设计才是最佳方案！因为简化分接开关，其经济性更好，这很易于理解。那么简化设计是否能提高可靠性呢？答案通常是肯定的。因为若结构中多一个螺丝钉，它的故障概率就大一些，一则它因有瑕疵而可能在工作中折断；二则它因操作中没拧紧而在某一时刻脱落；三则它因变压器的频繁震动而松动等等。如果设计中将其简化掉了，其故障概率就是零，可靠度当然提高。统一设计的无励磁分接开关就是本着以上设计原则进行的。那么具体设计法则有多少呢？综合归纳不外有十法，下面结合统一设计及其有代表性的产品结构逐一阐述。 2无励磁分接开关设计十法则 2.1绝缘曲面 1990年开发研制的碟型开关首次在胶木盘上部制成碟形伞状绝缘曲面，如图1中1所示。 在统一设计中WSPII型10kV级和WSPII型35kV级开关在胶木盘上采用阶梯形圆台状绝缘曲面，分别如图2中1和图3中1所示。 WDGII型110kV开关在上、下支架上有塑制环形凸台，同行业中还有采用双伞形曲面的。但无论采用何种何型绝缘曲面，其目的只有一个，即增加开关绝缘结构的爬电距离，从而降低开关的设计高度，进而降低变压器相应高度，为变压器节材节能创造条件。在统一设计中，简化了WSP系列分接开关阶梯形圆台状曲面结构。它不是像其它开关增塑一个绝缘曲面，而是利用开关为固定托盘而设的圆台以镶嵌螺母，又为结构所必须，一举两得。然而这只是碟型开关向小型化迈出的第一步。 2.2到位手感到位手感是统一设计中增加产品可靠性的重要法则之一。它是靠在两相邻定触头之间设置间位凸台，当操作者旋转转轴带动动触片跨越其上变换挡位时产生震感效果来实现这一功能的。间位凸台的设置后来在行业中也有多种形式，比如有齿轮形间位凸台，9齿与9个定触片的触头如犬牙交错布置，上下齿面呈弧形。统一设计WSPIII开关延续采用了碟型开关的挂壁式间位凸台的结构。那么，其优越性又表现在何处呢？如图1和图2中2所示，其一，因为间位凸台轴向突出于定触片上下两平面，并且间位径向向心凸起，所以增加了定触片间爬电距离，提高了触头间耐压水平，即提高了开关的可靠性；其二，动触片三个触头尖部滑越凸台，摩擦附着其上的绝缘胶木膜层，不在触点接触部位不影响接触，而齿轮形间位凸台动触头触点恰划过齿状弧面，长期转换挡位形成的绝缘胶木膜层影响接触；其三，归位功能好，挡位准确。在WDGII型110kV级鼓型开关中共有6个定触柱，该型中部调压开关动触环要跨接相邻两个定触柱。当换挡时，定触柱本身即相当于间位凸台被动触环跨越，而产生到位手感，其利用定触柱结构简化掉了间位凸台，使间位凸台的运用有所创新。 2.3随机接触分接开关的最本质功能是通过动、定触头的切换挡位以实现调压，所以分接开关动定触头的良性接触乃是设计中关键所在。那么如何设计分接开关才能使其达到良性接触呢？WSPIII型分接开关9个定触片按结构设计成为圆周分布的同一平面内，但实际上由于胶木盘塑制后材料收缩变形，固定其上的定触片严格说只是周向分布在一个无规则的波面上。统一设计的盘型分接开关也延用了碟型开关的成功实践。如图2中3和图1中3所示，转轴设计只对动触片有径向和周向约束，而对其无轴向约束。轴向约束就是圆周120等分对应的9个之中3个定触片，依着物体六点定位法则，使动触片在定触片所分布的波面上的转换中随机浮动接触。根据几何学中三点定平面的原理，动、定触片的三个等分触点总会稳定可靠地在平面内良性接触。统一设计的WSTII条型开关也是靠3点定平面这一原理在弹簧力作用下实现良性接触。这三点就是两个动、定触头接触点，一个动触片支点，如图4中3所示。 2.4多点接触当分接开关电流较大时，为了提高触点载流能力，以降低触头温升，采用了多个动触头结构，以增加动、定触片的触头接触点，但会多点接触对大电流产生分流作用。所以统一设计中无论是WSP系列还是WST系列分接开关一律采用上下夹片式动触片结构，如图2、图3和图4中4所示。而在碟型开关中采用双夹片式动触头结构，可通过350A电流。在WDGII型分接开关中动触头设计成环状，变换挡位时，多环滚动接触，可通过大电流。多点接触的完美趋势是由多点成线，再由多线成面。 2.5外露压套与异形胶圈分接开关渗漏油是个长期的普遍性问题。当装在变压器上发现渗漏时，由于转轴胶圈压套被旧型分接开关的手柄结构盖住，使操作人员无从下手调节胶圈的松紧度。为解决这一问题，统一设计中的WSPII型、WSPII型、WSTII型开关都在碟型开关的基础上保持和发展了外露压套和异形胶圈的结构。如图2、图3和图4中5-1及5-2所示。因为在变压器装机前，开关要随器身在110温度下真空干燥20h左右，开关的胶圈有所干缩，所以一般应再次调节胶圈的松紧度，而压套外露使这项工作简单易行。异形胶圈对防渗漏起着特殊作用，而异形胶圈的异形并非可随意而异，应当根据具体结构、具体条件的不同而异。例如统一设计中的密封，它的具体结构是胶圈外环面是静密封，而内环面套箍在转轴柱面上，是动密封。统一设计前，密封由4个2胶圈摞成4层，当发生渗漏时常发现由于胶圈截面直径很细，被转轴扭动搅成麻花状，甚至上下胶圈搅在一起粘连，因此统一设计中将胶圈截面直径增至5，使抗扭力增大6倍多，有效延长了因橡胶老化弹性减弱、塑性增加导致密封失效的临界期。那么，胶圈所处的具体条件又有何异呢？胶圈所处的外部自然环境中常常有酸、碱性气体等介质或紫外线，而内部是热变压器油，所以统一设计中密封分上下圆环形胶圈。严格地说，上、下层胶圈的成分应略有差异，上层胶圈更耐酸耐碱耐紫外线，下层胶圈更耐热、耐油、耐老化。两层各有垫圈相隔，上下分明，防止扭曲，又规定胶圈压制时模具的分型面应与环形水平面呈倒锥形300角，保证封油面圆滑光洁。由于统一设计如此慎重，凡严格按此设计要求制造的产品均不应存在渗漏问题。碟型开关胶圈为楔形截面，压套拧紧时胶圈会产生较大楔紧分力，抱轴为双层环面，如图1中5-1和5-2所示。这种胶圈无一渗漏，不足之处是当转轴换挡时扭矩较大。 2.6压塑联接将法兰盘作为嵌件压塑在胶木盘上。这也是把碟型开关的成功经验引入了统一设计之中。它的优越性在于靠同一模型定位，使成品件等规格，既减少了开关装配中配合尺寸的不确定性，又利用了在导体法兰盘表面压制一层绝缘胶木，从而提高了总体耐压水平，如图1至图4中6所示。 2.7中心弹簧碟型开关为中性点结构，弹簧设计在三角形动触片中心，如图1中7所示，其优点有5：其一，原三套弹簧机构简化归一，节省零件，降低成本；其二，原三套弹簧机构之一失效便全部失效，一个中心弹簧失效率仅为原机构1/3。一个中心弹簧取代三个小弹簧，机械强度加大，可靠性进一步增加；其三，避开了原动触片触臂处开弹簧导柱销孔，所以载流截面积增大；其四，因为一个中心弹簧力被传递均分至三个触点，所以触头接触压力分差值范围可等效缩小1/3，接触压力趋于均等，接触电阻趋于均衡；其五，中心弹簧机构恰恰处于中性点零电位中心，所以提高了开关的主绝缘耐压可靠性。中心弹簧机构因为当时反馈可靠性信息缺少，没能引入统一设计中，十年来实践证明其性能优越。 2.8隔透结构隔透结构是指开关局部采用隔板隔断或采用透孔透隙以增加绝缘水平和阻燃灭弧。统一设计的系列分接开关借鉴了碟型开关的转轴隔断结构，如图1和图2中8所示。转轴的管状桶壁以隔板方式与定触头隔断，提高了动定触头间耐压水平。统一设计的WSPII型35kV级分接开关胶木盘相间压塑油隙、胶木盘定触片间压塑油隙，WDGII型110中kV级分接开关定触柱间开长条油孔等在设计中都是不可或缺的结构，为统一设计的无励磁分接开关向小型化矮体式发展起了难以替代的作用。 2.9一字定位法在无励磁分接开关定位结构的各种方法中，统一设计采用的一字定位法是最简化的结构。这种方法是在开关法兰下根部圆周位置开一个10mm宽豁口即可。安装开关时，只需在变压器箱盖下43开口边沿侧焊固一段一字形钢条即可，也因此称谓一字定位法，如图2和图2中9所示。其免去了原焊制定位夹式结构。此法优点有四：其一，为变压器厂提供方便，简单易行；其二，向上提升了定位销机构这一导体位置，增加了开关的主绝缘距离，保证了开关降低高度的裕度；其三，简化结构，节约材料；其四，实用可靠，其它结构，比如采用螺栓或定位销拧紧后就有可能因频繁振荡引起松动。 2.10多功能化统一设计系列分接开关各零部件的多功能化，即简化了其基本结构。比如，一个零件具有了两个零件的功能，合二为一，当然简化了结构，又增加了开关的总体功能，既达到了较高的经济效益，又获得了较好的功能质量，实现了优化设计。多功能化碟型开关的手柄是个典型实例。如图1中10-1所示，提平定位板，再平拉手柄，便加长了力臂，扭转手柄换挡将十分容易；如果胶圈5-2失效渗油，便可竖起手柄呈垂直状，与转轴同轴线位置，此时可拧下压套5-1，挑出胶圈5-2换新。集定位、调挡、换件三功能于一身，且结构并不复杂，工艺加工简单快捷，其手柄、定位板皆可用钢板冲制。图1中10-2定位销，是多功能化又一实例。其为管状体，既可定位又可排出开关腔中气体，保证耐压水平。总之，在统一设计总体构思中，赋于分接开关零部件的多功能化，才使其结构简化，使零部件设计进入多功能化。 3结束语沈阳变压器研究所组织的无励磁分接开关全国统一设计已经十年了，其产品共包括WSPIII系列、WSPII系列、WSTII系列共14种型号产品。十年来，各开关生产厂按统一设计图纸资料生产的无励磁分接开关已安全可靠地运行在全国各个电网上。本文的目的正是为纪念沈变所这次成功的设计，也是为无励磁分接开关设计创新铺路。 来源：变压器