VD4开关操动机构结构及原理 / 四六文摘

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VD4开关是ABB的经典中压断路器产品，全球销量近百万台，在国内亦有大量应用。总体上讲，VD4开关可靠性很高，但仍不可避免的出现各种故障，尤其是操动机构部分。处缺过程中，检修人员只能通过ABB提供的产品说明书了解其机构的构造及原理，市面上关于断路器操动机构的参考书也大都直接引用产品说明书的内容，因其不够详细，不足以指导检修人员完成工作，造成诸多不便。笔者近期有幸解体了一台报废VD4开关，对其机构内部结构进行了拆解梳理，同时加入了一些个人的理解，希望对检修人员的实际工作能有所帮助。

VD4操动机构的基本结构由平面涡卷弹簧和主轴组成，由多级脱扣机构实现分合闸位置间的保持与转换，经凸轮杠杆结构输出。

一、储能模块

VD4采用平面涡卷弹簧作为储能元件，相较大多数弹簧机构采用的直线型拉簧或压簧，其输出特性更加平稳，与机构的动作特性更加吻合，从而大大提高了操动机构整体效率。

图1 平面涡卷弹簧

平面涡卷弹簧一端固定在主轴上，另一端固定在弹簧外壳上，如图1。储能时，涡卷弹簧的主轴端固定，储能电机或储能摇杆通过棘轮棘爪、链条、大齿轮带动弹簧外壳顺时针（从机构左侧看去，下同）转动，拉紧涡卷弹簧。分合闸时，涡卷弹簧的外壳端固定，脱扣机构释放，主轴在涡卷弹簧带动下顺时针转动，涡卷弹簧能量输出。

由于VD4采用了平面涡卷弹簧，其弹簧“未储能”、“已储能”状态的转换方式也与大多数弹簧操动机构不同，它是通过固定在涡卷弹簧外壳上的带缺口的圆盘、固定在主轴上的辅助凸轮及安装在储能连杆上的滚轮之间的配合实现的。简单地讲，储能完成后，滚轮在储能连杆的带动下，扣进圆盘的缺口，储能连杆转动一定角度，与其联动的储能辅助接点、储能机械指示切换至“已储能”状态；断路器合闸过程中，辅助凸轮的最大半径转过圆盘缺口，推动滚轮返回圆盘的外沿，带动储能连杆返回原角度，储能辅助接点、储能机械指示回到“未储能”状态。

图2 储能状态转换示意图

这里需要特别指出的是，对于一台分闸未储能状态的传统VD4开关，其平面涡卷弹簧中还储存有相当的能量，此时对操动机构（尤其是脱扣模块）进行维护检修时仍须注意安全。

二、脱扣模块

VD4开关操动机构的脱扣模块颇具设计美感，独树一帜。看似复杂，将其拆解分析，整个脱扣模块可以分解成三级基本的脱扣结构：

第一级脱扣结构由大扇形板的前滚轮和制动盘组成，相当于一个异形的“挚子+滚子”的脱扣结构；第二级由大扇形板与大半轴组成，是一种典型的“半轴+扇形板”脱扣结构；第三级由分闸半轴、分闸扇形板和合闸半轴、合闸扇形板组成，是两组“半轴+扇形板”脱扣结构的钳形组合。

图3 脱扣模块结构图

首先来看脱扣模块的保持功能，以合闸位置为例，合闸动作完成后，大扇形板的前滚轮刚好落在制动盘上合闸位置对应的卡槽内。此时，大半轴在分、合闸扇形板构成的钳形结构作用下保持在原位，这使得大扇形板的前滚轮无法抬起，前滚轮锁止制动盘，将主轴保持在合闸位置。

再看其脱扣功能，书接前文以分闸动作为例，机构接到分闸指令后，分闸半轴顺时针转过一定角度，分闸扇形板失去临时支点，顺时针转动。由分、合闸扇形板构成的钳形支持结构解体，大半轴在复位弹簧的作用下逆时针转动，释放大扇形板，大扇形板在复位弹簧作用下抬起前滚轮释放制动盘，主轴在涡卷弹簧的作用下顺时针转动，开始分闸动作。

在分闸过程中，分合闸位置辅助轴上的连杆（如图4）推动分闸扇形板复位，重新扣在分闸半轴上，这样分、合闸扇形板构成的钳形支持结构重新建立，推动大半轴转回到原角度；与此同时，制动盘两侧的辅助盘在随主轴转动时作用在大扇形板的后滚轮上，使大扇形板后部抬起，前部下压，为下一次前滚轮对制动盘的锁止做好准备。

图4 分合闸位置辅助轴连杆

三、输出模块

VD4操动机构的输出模块由主轴上的三只凸轮盘和机构底部的三根双臂移动连杆组成。双臂移动连杆相当于一个杠杆，支点在中间，前端受主轴凸轮盘的作用，后端连接真空泡的绝缘拉杆和分闸弹簧。

合闸时，凸轮盘随主轴转动，沿其外缘曲线下压双臂移动连杆前端的滚轮，使连杆的后端抬起，推动绝缘拉杆向上，使真空泡内动静触头闭合，实现合闸。同时压缩分闸弹簧，为分闸动作蓄能。

分闸时，凸轮盘随主轴转动，沿其外缘曲线释放双臂移动连杆前端的滚轮，连杆在分闸弹簧的作用下，后端下压，拉动绝缘拉杆向下，使真空泡内动静触头分离，实现分闸。

四、闭锁功能

相较于其他型号断路器，VD4闭锁功能的设置很全面，为手车式断路器 “五防”验收提供了可参照的模板。下面一一介绍：

1、手车在中间位置时，断路器禁止合闸：

措施a：设置合闸闭锁电磁铁Y1，即将断路器手车试验/工作位置限位开关S8、S9并联后与合闸闭锁电磁铁Y1串联，构成合闸闭锁回路。只有断路器手车处于试验位置或工作位置时，S8或S9接通合闸闭锁回路，合闸闭锁电磁铁Y1带电，动铁心吸合解除对合闸半轴的机械闭锁；同时，串接在断路器合闸回路中的辅助开关S2与合闸闭锁电磁铁Y1的动铁心联动接通，这就为执行合闸命令做好了电路上的准备。如上所述，措施a融合了机械闭锁和电气闭锁，是一种综合的闭锁方案。

图5 手车式VD4电气控制接线图

关于在合闸回路中设置辅助开关S2的必要性，这里说明一下：首先，设置S2是在合闸闭锁电磁铁Y1机械闭锁功能的基础上增加了电气闭锁，无疑增加了闭锁功能的可靠性。但S2的作用远不止如此，假设合闸回路中未设置辅助开关S2，若断路器手车在中间位置时接到电气合闸命令，此时合闸回路将接通，而在合闸闭锁电磁铁Y1闭锁作用下，合闸半轴不能转动，无法合闸，断路器的辅助开关无法变位，这会造成合闸电磁铁长期通电，过热烧毁。所以，在断路器合闸回路中串入辅助开关S2不是锦上添花，而是必要的。

措施b：设置合闸联锁机构，如图6所示。该联锁机构通过底盘车内的断路器联锁板（如图7）、联锁杆及闭锁杆构成的四连杆结构，在底盘车的丝杠与断路器的合闸半轴之间建立纯机械的闭锁关系。

当断路器手车处于试验位置或工作位置时，底盘车内的断路器联锁板在复位弹簧的作用下处于水平位置，此时联锁杆与闭锁杆的位置如图6所示，闭锁杆顶端与合闸半轴的塑料凸轮之间有间隙，合闸半轴可自由转动；当断路器手车处于中间位置时，底盘车内的断路器联锁板在丝杠的作用下，靠近丝杠一侧抬起，通过联锁杆作用于闭锁杆，使其顶端刚好卡在合闸半轴的塑料凸轮之下，锁止合闸半轴的转动。

图6 合闸联锁机构

图7 VD4手车底盘组件

学习中发现不少运行单位发生过由于手车底盘变形或卡涩造成机械闭锁未正常解除，进而烧毁合闸线圈的情况，在实际工作中应加强对相关部件的检查、维护。

2、断路器合闸时，手车禁止摇进/摇出：

VD4开关利用合闸联锁机构中联锁板上固定的闭锁架与操动机构中B相双臂移动连杆的前端滚轮之间的配合，实现断路器合闸时，对手车进出的闭锁。

当手车处于试验位置或工作位置时，断路器完成合闸后，双臂移动连杆的前端滚轮下压，与联锁板上的闭锁架仅有微小的间隙。此时若用摇把摇动丝杠进出手车，丝杠将推动底盘车内的断路器联锁板抬起，断路器联锁板稍一动作即经闭锁架抵在双臂连杆前端的滚轮上，反作用于丝杠上，使丝杠无法转动，闭锁了手车的摇进/摇出。显然，这是一种纯机械原理的闭锁方式。

3、断路器未储能时，禁止合闸：

该闭锁功能不属于“五防”要求，但对于断路器本身却是很重要的。断路器未储能或储能未完成状态下的合闸，其合闸速度必然降低，关合力也会下降，如果合闸时间过长或关合力不足以克服电斥力，将导致合闸失败，后果很严重。

VD4开关利用储能连杆（前文有提到过）上的储能闭锁板与合闸扇形板的延长板之间的配合，实现了未储能状态下的合闸闭锁。

断路器未储能或在储能过程中，储能连杆上的滚轮靠在带缺口的圆盘外沿，这时储能连杆的角度使储能闭锁板刚好抵在合闸扇形板的延长板上，使合闸扇形板转过微小角度，脱开合闸半轴，即第三级钳形脱扣结构中由合闸半轴、合闸扇形板接触形成的临时支点转移到了储能闭锁板与合闸扇形板延长板的接触点上，这样合闸半轴就是去了脱扣功能，也就闭锁了合闸功能。

断路器储能完成后，储能连杆上的滚轮扣在圆盘的缺口内，这时储能连杆的角度使储能闭锁板位于合闸扇形板的延长板的后侧，与合闸扇形板并无接触，这样就不影响合闸半轴的脱扣功能，可以正常合闸。