遠(yuǎn)程自動(dòng)重合閘斷路器最早應(yīng)用于無(wú)人值守的偏遠(yuǎn)用電場(chǎng)所，如通信基站、軌道交通等。各電網(wǎng)公司由人工抄表、上門收費(fèi)、上門維護(hù)等，其工作需要配備大量的人員、車輛。通過(guò)采用費(fèi)控電能表與費(fèi)控?cái)嗦菲?，可減少人員與車輛的開支，且能提高運(yùn)行的效率。

隨著“打造智能電網(wǎng)”概念的提出，遠(yuǎn)程自動(dòng)重合閘便延伸到電網(wǎng)計(jì)量箱專用重合閘斷路器——費(fèi)控電能表外置斷路器。與智能電表一同形成“智能電網(wǎng)”中的“智能終端”，使智能概念落到實(shí)地。

費(fèi)控電能表外置斷路器在小型斷路器的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加機(jī)械傳動(dòng)模塊和智能控制部分來(lái)實(shí)現(xiàn)有費(fèi)有電，欠費(fèi)停電的基本功能。各電網(wǎng)公司對(duì)產(chǎn)品的外形寬度有嚴(yán)格的要求，決定了電機(jī)不能采用直接傳動(dòng)的放置方式，而需要較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳動(dòng)和轉(zhuǎn)換。

1 電能表外置斷路器的機(jī)構(gòu)組成

其機(jī)構(gòu)由原動(dòng)部分、執(zhí)行部分、傳動(dòng)部分和控制部分4個(gè)部分組成。

通常采用電動(dòng)機(jī)作為機(jī)構(gòu)動(dòng)力的來(lái)源即原動(dòng)部分。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)已知的空間尺寸、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，選擇合適的電動(dòng)機(jī)參數(shù)。執(zhí)行部分處于傳動(dòng)路線的終端，完成預(yù)期的合閘和分閘動(dòng)作。按電網(wǎng)規(guī)范要求，遠(yuǎn)程自動(dòng)合閘部件應(yīng)采用內(nèi)軸傳動(dòng)方式的全封閉結(jié)構(gòu)，執(zhí)行部分通常為帶內(nèi)軸的小型斷路器操作手柄。

傳動(dòng)部分在原動(dòng)部分和執(zhí)行部分間，傳遞和轉(zhuǎn)換動(dòng)力。通常是齒輪組合，根據(jù)需要選擇合適的傳動(dòng)比，這部分是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。控制部分其作用是控制機(jī)械部分，使其能實(shí)現(xiàn)或終止各種預(yù)定功能，主要通過(guò)電子線路板實(shí)現(xiàn)。本文主要介紹傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。

2 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分中的轉(zhuǎn)換部分和變速部分

受到空間的限制，電能表外置斷路器的原動(dòng)部分（電動(dòng)機(jī)主軸）和執(zhí)行部分（手柄內(nèi)軸）的軸線通常是非平行的。因此，在機(jī)構(gòu)中必須包含傳遞交錯(cuò)軸運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換部分。同時(shí)在有限的空間內(nèi)為了輸出合適的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，又必須包含傳遞平行軸運(yùn)動(dòng)的變速部分。

2.1 轉(zhuǎn)換部分和變速部分功能的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)上述的功能，通常采用齒輪機(jī)構(gòu)組合。齒輪機(jī)構(gòu)可以傳遞空間任意兩軸間的運(yùn)動(dòng)和力，且傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)、機(jī)械效率高、使用壽命長(zhǎng)。根據(jù)齒輪在傳動(dòng)時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是平面運(yùn)動(dòng)還是空間運(yùn)動(dòng)，可以將齒輪機(jī)構(gòu)分為平面齒輪機(jī)構(gòu)和空間齒輪機(jī)構(gòu)。在平面齒輪機(jī)構(gòu)中，傳遞平行軸運(yùn)動(dòng)的外嚙合齒輪機(jī)構(gòu)有直齒、斜齒和人字齒等。在空間齒輪機(jī)構(gòu)中，傳遞交錯(cuò)軸運(yùn)動(dòng)的外嚙合齒輪機(jī)構(gòu)有渦輪蝸桿和圓錐齒輪等結(jié)構(gòu)。

對(duì)于齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，首先要計(jì)算出傳動(dòng)比范圍，再根據(jù)空間尺寸，選擇合適的模數(shù)m、齒數(shù)z和中心距。

2.2 變速部分齒輪的設(shè)計(jì)（略）

變速部分功能的實(shí)現(xiàn)，首先要考慮到的是傳遞到執(zhí)行部分的轉(zhuǎn)矩大小。其次，要考慮到的是合閘與分閘的速度。受到空間限制，電動(dòng)機(jī)的體積不可能無(wú)限大，也因此功率不能做的很大，同時(shí)考慮到傳動(dòng)中的磨損，低操作力的斷路器本體對(duì)于變速部分功能的實(shí)現(xiàn)有益。目前常見的兩種斷路器結(jié)構(gòu)中，某金屬件結(jié)構(gòu)的操作力相對(duì)較輕。

2.3 轉(zhuǎn)換部分齒輪的設(shè)計(jì)（略）

轉(zhuǎn)換部分的功能實(shí)現(xiàn)通常通過(guò)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 轉(zhuǎn)換部分和變速部分設(shè)計(jì)的實(shí)例

圖1為某企業(yè)一種蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)初始輸出轉(zhuǎn)速為25000r/min，初始轉(zhuǎn)矩為60g?cm。經(jīng)計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)1級(jí)蝸輪蝸桿和3級(jí)柱齒輪減速、增力后分別為50r/min和30kg?cm。蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)利用效率較低，通常為30%～40%，但可以獲得更高的轉(zhuǎn)速比，以彌補(bǔ)利用效率上的不足。

按照上述輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，采用最低30%的利用效率來(lái)計(jì)算，最終到達(dá)傳動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速約為20r/min，轉(zhuǎn)矩約為8kg?cm，完全可以帶動(dòng)合閘力最大合閘力約為50N的三相斷路器，并且合閘時(shí)間會(huì)在1s左右。

圖1 某型號(hào)的渦輪蝸桿傳動(dòng)部分

圖2為某企業(yè)一種圓錐齒輪結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)初始輸出轉(zhuǎn)速為24000r/min，初始轉(zhuǎn)矩為25g?cm。經(jīng)計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)4級(jí)齒輪箱減速，增力后分別為60r/min和10kg?cm。相比于蝸輪蝸桿，這種圓錐齒輪結(jié)構(gòu)利用效率更高，通?？梢赃_(dá)到70%～80%。

按照上述輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，采用最低70%的利用效率來(lái)計(jì)算，最終到達(dá)傳動(dòng)部分的轉(zhuǎn)速約為42r/min，轉(zhuǎn)矩約為7kg?cm，也完全可以帶動(dòng)合閘力最大合閘力約為50N的三相斷路器、并且合閘時(shí)間小于1s。

圖2 某型號(hào)的錐齒傳動(dòng)部分

3 電能表外置斷路器分合閘的實(shí)現(xiàn)

電能表外置斷路器的分閘和合閘的操作件轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的。一次完整的分合閘操作，必然包含了一次執(zhí)行元件的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在有限的空間內(nèi)，期望通過(guò)一套結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)這些功 能[9-10]。在實(shí)際設(shè)計(jì)的產(chǎn)品實(shí)例中，通常通過(guò)以下兩種思路去實(shí)現(xiàn)。

1）通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。假設(shè)合閘時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針，在合閘動(dòng)作完成后，控制機(jī)構(gòu)通過(guò)內(nèi)部聯(lián)動(dòng)裝置將電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針退回到初始位置。分閘時(shí)，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)逆時(shí)針帶動(dòng)齒輪凸臺(tái)撥動(dòng)斷路器分閘聯(lián)動(dòng)軸，以達(dá)到分閘斷路器的目的。

2）通過(guò)有意設(shè)計(jì)的間歇齒輪結(jié)構(gòu)和脫扣裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。即主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪非全齒嚙合，而是根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，分別取主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的部分齒牙。合閘時(shí)，主動(dòng)齒輪在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)嚙合從動(dòng)齒輪，帶動(dòng)斷路器合閘。合閘完成后，主動(dòng)齒輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至與從動(dòng)齒輪脫齒為止。分閘時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)繼續(xù)朝同一方向帶動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，使主動(dòng)齒輪凸臺(tái)撥動(dòng)斷路器分閘聯(lián)動(dòng)軸，以達(dá)到分閘斷路器的目的。

結(jié)論

電能表外置斷路器的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，可靠性好、功耗低、成本低是設(shè)計(jì)的目標(biāo)。通過(guò)靈活的使用齒輪組結(jié)構(gòu)和優(yōu)化齒輪組參數(shù)，可獲得最合理的設(shè)計(jì)方案。