真空回路遮断器のEIB機構における主軸障害の分析と考察

真空断路器是一种断路器，其中灭弧介质和灭弧后触点间隙中的绝缘介质都是真空。作为工业和矿山企业中电力设备和电力驱动设备的保护和控制单元，室内交流高压真空断路器具有多种应用，可以安装在固定柜、中置柜和双层柜中。作为开关设备中的重要电气设备之一，高压断路器适用于需要在额定工作电流下频繁操作或多次中断短路电流的场所。

本文分析了EIB真空断路器因频繁操作导致开关无法正常开合的问题。通过实验发现，主轴右侧的跳闸弹簧脱落是导致断路器无法正常开合的原因。提出了一种安装调整垫片的改进措施，以确保断路器的正常运行，这对企业的安全生产建设具有一定的参考意义。

真空断路器的结构

真空断路器主要由真空灭弧室、操作机构和支持部件等组成。

真空灭弧室

也称为真空开关管，真空灭弧室的工作原理是利用管内真空介质优良的绝缘性能，在电源切断后使中高压电路迅速熄灭电弧并切断电流。其主要结构如下：

• 气密绝缘系统：这是一个在真空环境下的封闭容器，主要由气密绝缘筒、动端盖板、静端盖板和不锈钢波纹管组成。为了确保气密性，密封接头需要严格的操作工艺。此外，还需要使用透气性极低的材料，并将内部气体释放量限制到最小值。

• 导电系统：主要由固定电极和动电极组成。固定电极包括固定触点、固定导电杆和固定弧面，而动电极包括动触点、动导电杆和动弧面。触点结构类型大致可分为横向磁场型（螺旋槽弧面）、纵向磁场型和圆柱型。操作机构通过移动动导电杆使两个触点闭合，从而完成电路连接。

• 屏蔽系统：主要由屏蔽筒、屏蔽罩和其他装置组成。目前常用的屏蔽罩有波纹管屏蔽罩和围绕触点的主屏蔽罩等类型。主屏蔽罩可以降低局部场强，改善灭弧室内电场分布的均匀性，有利于真空灭弧室的小型化。同时，它还可以防止在电弧过程中电弧产物溅射到绝缘外壳内壁上，确保外壳的绝缘效果不受电弧放电影响。它还可以吸收电弧能量，凝聚电弧产物，加速电弧后的介质强度恢复。

操作机构

不同类型的断路器使用不同的操作机构。常用的操作机构包括弹簧操作机构、IEE-Business弹簧储能操作机构、CT8弹簧储能操作机构、CT19弹簧储能操作机构、CD10电磁操作机构、CD17电磁操作机构等。其中，弹簧操作机构具有体积小、合闸电流小、可靠性高等优点，目前广泛应用于不同电压等级的开关设备中。

真空断路器的功能与原理

功能与特性

在正常工作条件下，符合技术参数范围的真空断路器可以在相应电压等级的电网中安全可靠地运行。真空断路器的机械寿命约为20,000次，全容量短路电流中断次数为50次。它可以在工作电流范围内频繁操作或多次中断短路电流。高压真空断路器具有高可靠性、全天候运行、免维护、功能齐全、互换性好、通用性强等优点，可应用于各种特性的重合闸操作。真空断路器采用垂直绝缘筒和固体绝缘结构一体化的固体密封极柱，能够抵抗各种特殊环境的影响且无需维护。同时，真空断路器具有多种使用方式，可以固定安装、手车式使用或框架安装。

原理介绍

当真空断路器的动静触点带电分开时，触点之间会产生真空电弧。电弧会使触点表面温度升高，导致触点表面出现金属蒸汽。根据触点的特殊形状，当电流通过时，在所产生的磁场作用下，电弧会沿着触点表面的切线方向快速移动。电弧柱中的金属蒸汽和带电粒子不断向外扩散，金属蒸汽和带电粒子的密度不断减小。当电弧自然过零时，触点之间的介质迅速从导体恢复为绝缘体，电流被切断，电弧熄灭。

故障原因总结与分析

分析由于频繁操作导致真空断路器无法开合或不能完全开合的情况，现场检查发现开关主轴右端的螺栓脱落，导致右侧跳闸弹簧掉落并卡在主轴上。此时机构的跳闸仅依靠主轴左侧的跳闸弹簧，导致开关无法完全打开。虽然这种故障发生的概率相对较小，但一旦发生仍可能导致生产安全事故。因此，有必要分析故障原因，消除安全隐患，确保安全生产。

解决方案与验证计划

EIB机构断路器开关主轴两侧的跳闸弹簧固定螺丝为普通螺丝+弹簧垫圈（见图1）。经过多年的频繁开关操作，主轴右侧的跳闸弹簧固定螺丝因振动而脱落，导致右侧跳闸弹簧掉落并卡在主轴上。此时机构的跳闸仅依靠主轴左侧的跳闸弹簧，导致开关无法完全打开。通过现场调查发现，主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度差约4mm，且端盖变形并向内凹陷（见图2）。针对此故障，即由于合分闸主轴端部螺栓松动导致跳闸弹簧脱落引起的断路器故障，为了验证，重新组装了一个具有相应结构的断路器进行故障模拟：

调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其形成约4mm的间隙（见图3），并用扭矩扳手以45Nm的扭矩拧紧。将其推入机械运转腔进行机械运转。初始计数为26次，拧紧后端盖出现轻微凹陷现象。过程如图4所示。

综上所述，当规定扭矩为45 Nm时，即使轴套与花键轴之间的轴向长度达到4 mm且端盖变形凹陷，也能保持良好固定直到超过2,200次操作。然后，进入第二阶段验证。

调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其形成4 mm的间隙。用扭矩扳手以35 Nm的扭矩拧紧，并使用第一阶段变形凹陷的端盖。标记划线。将其推入机械运转腔进行机械运转。初始计数为2,252。综上所述，当扭矩为35 Nm时，即使轴套与花键轴之间的轴向长度达到4 mm且端盖变形凹陷，也能保持良好固定直到超过1,887次操作。然后，进入第三阶段验证（见图6）。

调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其形成4 mm的间隙。用扭矩扳手以20 Nm的扭矩拧紧，并使用第三阶段变形凹陷的端盖。标记划线。将其推入机械运转腔进行机械运转。初始计数为4,139（见图7）。

综上所述，当扭矩为20 Nm时，即使轴套与花键轴之间的轴向长度达到4 mm且端盖变形凹陷，也能保持良好固定直到超过1,671次操作。然后，进入第四阶段验证（见图8和图9）。

调整该模拟断路器主轴右侧花键轴与外壳之间的轴向长度，使其形成4 mm的间隙。用扭矩扳手以10 Nm的扭矩拧紧，并使用第四阶段变形凹陷的端盖。标记划线。将其推入机械运转腔进行机械运转。初始计数为5,810（见图10）。

在测试过程中发现，当计数器达到551次操作时，端盖开始相对于初始位置轻微旋转（见图11）；当计数增加到820次操作时，端盖相对于551次操作的位置轻微旋转（见图12）；当计数达到1,122次操作时，跳闸弹簧肉眼可见松动（见图13）；当计数增加到1,261次操作时，跳闸弹簧脱落（见图14）。

测试过程总结

EIB弹簧操作机构的主轴设计基于比利时EIB公司的设计。曲臂准确定位后，两侧螺栓拧紧至规定的扭矩值。使用弹簧垫圈（由弹簧钢制成）通过摩擦防松。装配后，垫圈被压平，其反弹力保持螺纹间的夹紧力和摩擦力。这种主轴结构设计和防松措施在中国电力科学研究院（CEPRI）的机械寿命型试验中被证明是可靠的。

EIB机构主轴早期工艺问题

在早期装配过程中，工人必须调整不同公差等级的套筒来平衡尺寸，导致装配质量不一致且难以控制。断路器主轴装配完成后，累积误差导致内部花键轴与外部套筒之间的轴向长度偏差。当螺栓拧紧到规定的扭矩时，端盖中间会向内凹陷。由于端盖由非弹簧钢弹性材料制成，变形后无法恢复。此外，主轴套筒可能因操作冲击而蠕变，这可能会逐渐降低螺栓的拧紧扭矩（直到扭矩显著减弱前，螺栓和端盖等紧固件没有明显变化）。常规维护也难以用普通扳手施加足够的扭矩。最终，当扭矩降至10 Nm以下时，端盖加速松动，破坏弹簧垫圈的防松效果。

改进工艺

为了消除因端盖凹陷导致的扭矩减弱，工艺进行了调整：整体装配后，均匀添加调整垫片进行平衡。螺栓上涂抹螺纹锁固胶，然后用扭矩扳手拧紧至45 Nm。安装垫片后，端盖不再有向内凹陷的空间。端盖不会因塑性变形而逐渐降低拧紧扭矩，确保断路器在整个使用寿命期间在足够扭矩下稳定可靠运行。

整改措施

对于存在此故障的断路器，如图15所示，安装调整垫片。对齐内部主轴端面与外部套筒后，用螺栓锁定。在螺栓上涂抹螺纹锁固胶，并用扭矩扳手拧紧至45 Nm的扭矩。

为防止此类低概率事件的发生，对已投入运行的断路器进行全面检查，并相应安装调整垫片，以确保投入运行的断路器能够正常可靠地工作。

结论

本文重点研究了高压交流真空断路器无法正常开合的情况。通过仿真分析和实验验证，分析了跳闸弹簧脱落的原因。发现由于主轴间隙导致端垫变形，长期合分闸振动后，跳闸弹簧脱落，导致断路器无法开合。为此提出了解决方案，并详细论证了方案的可行性。提出了相应的整改措施，以消除故障，恢复高压真空断路器的正常使用，确保企业的正常生产。