GN30-4000 大电流隔离开关操作力矩分析

王 伟，吕 强，陈尚选，吴昆泰，黄石华

（广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511000）

在电力行业的发展过程中，GN30 隔离开关经历了漫长的发展时期，当前，一些大电流隔离开关逐步出现并在很多领域得到了应用。在早期GN30 隔离开关出现与应用之初，由于存在设计理念、技术的局限性，导致其功能并不完善，而在当前，即使设计工艺逐步成熟，但是，应用GN30 隔离开关的过程中，故障频发依旧是制约其应用的关键因素，尤其是在应用GN30-4000 大电流隔离开关的过程中，操作力矩的控制极为重要，操作力矩设置的合理性能够降低开关故障概率。

1 隔离开关机构操作力测试系统的硬件构成

隔离开关机构操作力测试系统的构成相对复杂，其系统内主要包含了扭矩传感器、信号变送器、移动电源模块、上位机与多条电缆。在隔离开关的运行过程中，力矩传感器在其中主要负责相关信号的传输与转变，在获得相应的力矩值以后，可以将这些信息转化为对应的电信号。由于系统内包含了信号变送器，在接收到这些电信号以后，能够进行信号的放大与数字化处理，被处理的信号可以经由USB 接口被传输至上位机中，而相应的软件内可以直接进行各种信息的记录、存储与分析。

1.1 电源模块

在隔离开关机构操作力测试系统内，电源模块一般采用的是聚合物锂离子电池。而在传统的电源模块中，大多采用的是液态锂离子电池，而聚合物锂离子电池中，传统的液体电解质被固体电解质所取代，质量能量比较高，使得在电源的运行与使用过程中，不仅能够保持更为安全、可靠的运行状态，还能够具有更长的使用寿命[1]。

1.2 力矩传感器

力矩传感器是整个隔离开关机构操作力测试系统中的重要组成部分，力矩传感器主要采用的是静态力矩传感器，而通过应变电测技术，能够在系统运行过程中获得相应的扭矩参数。具体来说，在弹性轴上粘贴应变计，最终会形成测量电桥，当在系统运行过程中，弹性轴受到扭矩作用出现极小的变形情况时，电桥电阻值也会随之发生相应的变化，应变电桥电阻在变化的过程中会转变为电信号的变化，而在此过程中，力矩传感器能够获得相应的扭矩值，实现精准测量。相比较而言，力矩传感器的应用使得力矩的测量与控制更为高效、精度更高、可靠性更好。

1.3 信号变送器

在使用隔离开关的过程中，信号变送器的存在能够将传感器的输出信号加以精密放大处理，而在这种情况下，线路内部能够达到稳压状态，电压电流的转换更为便捷[2]。此外，信号变送器的存在还能够达到阻抗适配、线性布行、温度补偿的效果，实现力学量向标准电流、电压信号的转换。

1.4 硬件连接

隔离开关机构操作中力测试系统的硬件连接极为重要，其接线主要包含了以下方面：①电池输出端口与变送器电源输入端口的连接，使得变送器能够为传感器提供其运行所需的电力资源；②传感器信号线路与变送器的连接；③变送器信号输出线USB 接口与上位机USB 接口的连接[3]。

2 GN30-4000 大电流隔离开关操作力矩的分析

从根本上看，在使用隔离开关的过程中，操作力矩的分析与计算对于相关产品零部件结构强度设计、操作机构的匹配有着直接的关系。近年来，随着各个领域对隔离开关的使用逐步增多，人们对隔离开关通流容量的要求越来越高，而对于操作力矩的要求反而越来越低，以保障操作的灵活性与便捷性。当前，国内针对隔离开关产品分合闸过程中操作力矩计算的研究相对较少，很多研究更多地集中在对垂直面内分合隔离开关重力距的计算方面。相比较而言，额定电流在2 000 A 以内电流等级的隔离开关，在分合闸的过程中，一般都要求操作力矩相对较小，对操作力矩并没有过于严苛的要求。而对于GN30-4000 这样的大电流隔离开关而言，在操作力矩的控制上较为严格，必须经由相应的分析与计算才能够得到，否则，大电流隔离开关过大的操作力矩将会导致开关运行过程中有关的传动零部件存在变形风险[4]。

在GN30-4000 大电流隔离开关的分合闸过程中，当触头与触指没有接触的情况下，产品传动仅仅需要克服和应对转轴位置处理的摩擦力。在这种情况下，操作力矩相对较小，而在触头与触指接触以后，会存在一定的接触压力，进而增加附加的操作力矩，且触头与触指接触的角度行程会占据分合闸角度总行程的一定比例，因此，在整个隔离开关的运行过程中，附加操作力矩的增加往往是由接触压力所造成的。

在使用隔离开关的过程中，机构传统过程与原理相对特殊，在触头与触指没有接触的情况下，机构运动的自由度为1，此时，机构可以保持正常的运行状态；当触头与触指在基础以后，由于在二者之中增加了一个高副接触，此时，机构运动的自由度会发生一定的变化，从1 变为0。这种情况下，在运动的过程中隔离开关机构运动方向将与阻力最小的方向保持一致。结合GN30-4000 大电流隔离开关的结构特征，在实际的运行过程中，触头触指位置会产生一定的弹性变形现象，在这种情况下，隔离开关的运动方向为合闸方向或者分闸方向。而触头与触指接触以后，形成了闭链零自由度机构，操作力矩的分析更为困难。

此外，在使用GN30-4000 大电流隔离开关的过程中，由于安装拐臂的轴相对较细，当开关处于分合闸状态下时，轴端极易出现刚性变形现象，虽然在快速分合闸的过程中，能够瞬间抵消一部分的合闸力与行程，但是会造成更为严重的问题，比如，分合闸难以维持最佳状态，难以实现正常的分合闸，即使可以达到合闸状态，其效果也极不理想。在隔离开关的使用过程中，还存在拐臂位置角度不合理的情况，在这种状态下，即使处于同样的合闸力条件下，合闸力矩也相对较小。

3 大电流隔离开关操作力矩的改进

通过对GN30-4000 大电流隔离开关操作力矩的详细分析，要保障操作力矩符合开关稳定运行的需求，需针对隔离开关的具体情况来进行相应的改进，改进措施主要包括将原有的动刀旋转结构转变为水平运动方式，用丝杆传动来取代原有的拐臂联动结构，将摇柄联动丝杆进行手动操作与控制，在电机联动丝杆添加电动操作，实现电动与手动的结合操作与控制[5]。

4 结束语

近年来，从对GN30-4000 大电流隔离开关的应用情况来看，其常常出现各种的运行故障，为了最大程度上维持开关最佳的运行状态，有关人员需在实际的工作中结合开关运行与使用情况，加强对操作力矩的分析与计算，使得操作力矩能够达到隔离开关使用的需求。