一、操动机构概述
1. 操动机构的概念
操动机构输出机械力，是独立于高压开关本体以外的对高压开关进行操作的机械操动装置，具有完整的结构和独立的型号。其主要任务是将其他形式的能量转换成机械能，使高压开关准确地进行分、合闸操作，并使高压开关合闸后维持在合闸状态。
2. 操动机构的组成
（1）合闸结构
这是操动机构的能量转换部分，对于电磁操动结构，指是合闸电磁铁及相应组件；对于弹簧操动机构，是指蓄能弹簧和相应的蓄能机构以及合闸脱扣装置等元件；对于液压操动机构，是指油泵、储压筒、合闸阀及合闸电磁铁等部件。
（2）保持结构
对于机械传动式操动机构，是指维持支架或其他维持装置；对于液压操动机构，是指保持阀及相应的高压油补充回路。
（3）分闸机构
它是指能快速脱扣分闸的结构。对于机械式操动机构，是指分闸脱口装置及相应的连杆系统；对液压或气动操动机构，是指分闸阀及相应的阀系统。
（4）输出装置
它是指电磁、弹簧操动机构的主轴或液压、气动结构的活塞杆等。
（5）辅助设备
辅助设备主要是由辅助开关、中间继电池、接触器等辅助元件组成的信号和保护回路。
3. 对操动机构的基本要求
操动机构的工作性能和质量的优劣，直接影响到断路器的工作性能和可靠性。高压断路器对操动机构的基本要求有：
（1）动作可靠、稳定，制动迅速
断路器操动机构在接到动作命令后，动作必须准确可靠，动作时间和分合闸速度需满足断路器标称的技术指标。
（2）具有足够的操作能量，满足断路器开断、关合的要求
在电网正常运行时，断路器接通和断开电路比较容易。但在关合有预伏短路故障的电路时，由于电动力过大，断路器有可能合不到位，从而引起触头严重烧伤，因此要求操动机构必须有足够大的操作功来克服此电动力，以使断路器迅速、可靠地完成合闸任务。
（3）保持合闸
由于合闸过程中，合闸命令持续时间很短，而且操动机构也只在短时间内提供操作力，因此操动机构中必须有保持合闸的部分，以保证在合闸命令和操作力消失后，断路器仍能保持在合闸位置。
（4）防“跳跃”功能
当断路器关合有故障的电路时，继电保护装置会快速动作，操动机构应立即自动分闸，使断路器自动分闸。若此时合闸命令还未解除，断路器分闸后将再次合闸，接着又会分闸。这样如此反复会造成断路器多次关合和开断短路电流，这一现象被称为跳跃。出现跳跃现象时，会使断路器触头严重烧伤，甚至引起断路器爆炸事故，因此断路器必须具备防跳跃功能。
（5）联锁功能
为保证操动机构的动作可靠，从而能够使断路器处于一种状态，避免因操动机构误动而受影响，要求操动机构具有一定的联锁装置。常用的联锁装置有：
① 分合闸位置联锁。保证断路器在合闸位置时，操动机构不能进行分闸操作；断路器在分闸位置时，操动机构不进行合闸操作。
② 低气（液）压与高气（液）压联锁。当气体或液体压力低于或高于额定值时，操动机构不能进行分、合闸操作。
③ 弹簧操动机构中的位置联锁。弹簧储能达不到规定要求时，操动机构不能进行分、合闸操作。
利用断路器的辅助触点和隔离开关的操动机构之间设立电磁联锁，保证断路器只有在分闸位置时才能操作隔离开关。
（6）缓冲功能
断路器的分合闸速度很快，在分、合闸末期时，要使高速运动的触头平稳停止下来，减少在制动时的巨大冲击力的破坏作用，需要在操动机构上装设缓冲装置。
（7）自由脱扣
自由脱扣指断路器合闸过程中如果操动机构又接到分闸命令，则操动机构不应继续执行合闸命令而应立即分闸，这样就避免了跳跃。手动操动机构必须具有自由脱扣装置，才能保证及时开断短路故障，以保障操作人员的安全。而某些操作小容量断路器的电磁操动机构，在失去合闸电源而又迫切需要恢复供电时，操作人员往往不得不违反正常操作规定，利用检修调整用的杠杆应急地手动直接合闸，对于这类操动机构也应装有自由脱扣装置。
（8）分闸
断路器分闸时，锁扣机构的脱扣力要小，动作要快而准确，不能有拒分现象。此外，断路器在分闸过程中，动触头速度随开距变化要满足一定的规律。
（9）复位
断路器分闸后，操动机构中各个部件应能自动地回复到准备合闸的位置。因此操动机构中还需装设一些复位用的零部件，如连杆或返回弹簧等。
此外，操动机构还要有足够的使用寿命，满足环境要求，具备防火、防小动物、驱潮等功能。
4. 操动机构的类型
操动机构按合闸能源取得方式的不同，可分为液压型操动机构、弹簧型操动机构、弹簧液压型操动机构、电动操动机构、手动操动机构、气压型操动机构、电磁型操动机构等几种。目前城市轨道交通供电系统常用的有液压型、弹簧型、弹簧液压型、电动型四种操动机构。
5. 操动机构的型号
根据国家技术标准的规定，我国操动机构型号一般由文字符号和数字按以下方式组成：
[1][2][3]—[4][5]
其代表意义为：
[1] 产品名称：用操动机构汉语拼音首位字母C表示；
[2] 操动方式，用下列字母表示：S—手动，D—电磁，J—电动，T—弹簧，Q—气动，Y—液压；
[3] 设计系列顺序号 ：以数字1、2、3表示；
[4] 其他标志，用下列字母表示：G—改进型，X—操动机构带箱子；
[5] 特征数字：一般电磁、液压、弹簧、手动等机构以其能保证的最大合闸力矩为特征数字；气动机构以其活塞直径（mm）为特征数字。
二、液压型操动机构的结构与原理
液压型操动机构是利用高压压缩气体（氮气）作为能源，液压油作为传递能量的介质，注入带有活塞的工作缸内，推动活塞做功，驱动开关进行合闸和分闸操作。在城市轨道交通供电系统中，高压（110 kV）SF6断路器一般装配液压操动机构。
1. 结 构
液压操动机构主要结构有：储能元件、控制元件、操动（执行）元件、辅助元件、电气元件等。
储能元件：储能器、液压泵、电动机等。储能器是充有高压气体的容器，由功率较小的电动机和液压泵组成。
控制元件：阀门。它用来实现合闸和分闸动作的控制以及联锁、保护等要求。
操动元件：工作缸。它把能量转变为机械能，驱动开关合闸和分闸。
辅助元件：低压油箱、连接管路、油过滤器、压力表、继电器、辅助开关等。
2. 工作原理
液压操动机构采用压力差动原理，用同一工作压力的高压油作用在活塞两侧的不同截面上产生作用力差，从而使活塞运动来驱动断路器进行分合闸操作。
如图4.53所示的工作缸中活塞的位置，表明开关处于合闸状态。合闸时，阀门7关闭，阀门8打开，高压油2通向活塞4的右边，因为活塞左侧面积大于右侧，右侧面上受的力小于左侧，使活塞向右运动，带动开关合闸，活塞处于工作缸的右端。分闸时，关闭阀门8，打开阀门7，活塞左边通向低压的贮油池6，活塞向左移动，活塞杆5带动开关分闸。工作缸3中左边的油排入贮油池，高压油补充到活塞的右边，最后活塞处在工作缸的左侧。高压油泵9将油自贮油池压入贮压筒1内，使预压缩的氮气进一步压缩，获得高压力和高能量。
图4.53 液压操动机构的基本工作原理图
1—贮压筒；2—高压油；3—工作缸；4—活塞；5—活塞杆（接开关的连杆）；6—贮油池（低压油）；7、8—阀门；9—油泵
3. CY3型液压操动机构
CY3型液压操动机构是一种简易型液压操动机构，采用液压、连杆混合传动，控制部分采用一个主控阀和两个分合闸控制阀，元件少、结构简单，其结构如图4.54所示。
CY3型液压操动机构的动作原理如下：
（1）机构储能
启动油泵电机，带动油泵3工作。油箱中的低压油经滤油器2进入油泵，高压油进入储压筒7内。当储压筒活塞杆使油泵停止微动开关动作时，油泵即停止工作，储能结束。运行中，当储压筒活塞杆向下位移使油泵启动微动开关动作时，油泵自动运转补压。
由于在电路中没有油泵零压闭锁，在零压时油泵不能自启动打压，因此需要人为地将闭锁回路临时短接一下（或人为地按动）。
图4.54 CY3型液压操动机构
l、4、6、8、9、11、2l、25、26—管道；2—过滤油；3—油泵；5、17—逆止阀；7—储压筒；
10—管接头；12—一级控制阀；13—工作缸；14—活塞；15—一级启动阀；16—泄油孔；
18—二级启动阀；19—二级阀钢球；20、24—排油孔；22—分闸阀钢球；23—保持阀；
27—合闸电磁铁；28—分闸电磁铁；29—电触点压力表；
30—微动开关；31—辅助开关；32—高压放油阀
（2）合闸及合闸自保持
当合闸电磁铁27接到合闸命令或者手按合闸按钮时，合闸电磁铁的可动铁芯向下运动，推动合闸一级启动阀15的阀杆运动，先堵住阀座下的泄油孔16，然后打开一级球阀，于是从合闸控制油管11来的高压油通过被推开的球阀阀口，并经过内部通道推动交流接触器的动铁芯。当油压高于低压力异常闭锁压力时，油泵的起停才能自动进行。打开合闸保持逆止阀17，高压油进入二级启动阀18的上部，推动该阀芯高速向下运动。它首先预封住阀座上泄油孔20的通路，然后推开二级阀钢球19。二级启动阀18利用其锥面密封住二级阀的上阀口，并堵住排油回路。从合闸进油管9进来的高压油经二级阀的下阀口和管道25进入工作缸13的合闸腔，此时，工作缸活塞两端均受到相同压强的高压油作用，由于合闸侧受压面积大得多，使活塞向合闸方向运动，直到合闸为止。此时，辅助开关31也完成了切换，合闸电磁铁失电，合闸一级阀在其复位弹簧力的作用下返回，合闸一级阀腔中的高压油通过泄油孔泄放。同时，由于高压油自保持回路的作用，操动机构得以保持在合闸状态。
为了保持合闸状态，必须使二级阀锥阀芯处于合闸位置，即在合闸操作后，该锥阀芯上部必须始终保持有高压油作用，以保证该二级阀的下阀口打开，而上阀口关闭。
为了防止由于慢性渗漏使锥阀芯上部的油压降到零，机构设置了自保持的高压油补充回路，它由管道26、带0.5 mm节流孔的接头、保持阀23和管道21等部分组成，借此来实现合闸自保持。
（3）分 闸
当分闸电磁铁28接到分闸指令或者手按分闸按钮时，分闸电磁铁的动铁芯推动分闸一级阀的阀杆向下运动，从而使分闸阀钢球22阀口打开。合闸保持回路的高压油经管路21和分闸一级阀阀口，通过阀座上泄油孔24排放到低压油箱中。二级启动阀18在其下部高压油作用下立即向上返回，先将上阀口打开，工作缸合闸侧腔内的高压油经管道25和上阀口以及阀座上的泄油孔20排到低压油箱中。工作缸活塞在分闸侧高压油的作用下向分闸方向运动，最终完成分闸操作。同时，辅助开关31也完成了切换，将分闸电磁铁的电路断开。
在二级阀上阀口打开的同时，二级阀钢球19在其复位弹簧作用下，迅速将下阀口关闭，使高压油不会过多地被泄放。
4. 结构特点
液压操动机构优点：输出功率大，操作平稳，冲击振动小，传动快，动作准确，负载特性配合好，速度易调整，可靠性高，维修方便，不需要直流电源，暂时失去电源时仍可操作多次等。
缺点：结构复杂，价格较贵，加工工艺要求高，如果制造或装配不良，容易渗漏油，速度特性易受环境温度的影响。
三、弹簧型操动机构的结构与原理
弹簧操动机构是一种通过弹簧储能、机械杆件传递操作功的机构。在城市轨道交通供电系统中，中压（35 kV或10 kV）真空断路器一般配用弹簧操动机构。
1. 结 构
如图4.55所示为弹簧操动机构的结构图，它主要包括：储能机构、锁定机构、合闸弹簧、分闸弹簧、主传动轴、缓冲器和控制装置等。弹簧操动机构的外形如图4.56所示。
图4.55 弹簧操动机构的结构图
1—减速箱；2—合闸弹簧；3—凸轮；4—三角形杠杆；5—电动机；6—手摇把；7—分闸油缓冲器；
8—合闸橡皮缓冲器；9—连杆；10—分闸电磁铁；11—合闸电磁铁；12—分闸弹簧；
13—合闸锁扣；14—辅助开关；15—分闸锁扣；16—主轴；17—绝缘拉杆；
18—转向杠杆；19—万向接头；20—真空灭弧室
2. 工作原理
如图4.57所示为弹簧操动机构动作原理图。
（1）储 能
利用电动机对合闸弹簧储能，储能完毕后通过合闸锁扣装置使弹簧保持在储能状态，然后切断电动机电源。
（2）合 闸
在断路器的合闸信号到来时，合闸锁扣解锁，利用合闸弹簧释放的能量通过传动机构使断路器合闸，当合闸弹簧能量释放完毕后，电动机立即启动，通过储能机构使合闸弹簧重新储能，为下一次合闸作准备，与此同时，对分闸弹簧储能，为分闸作准备。
（3）分 闸
在断路器的分闸信号到来时，自由脱扣机构解锁，利用分闸弹簧释放的能量操动断路器分闸。
图4.56 弹簧操动机构外形图
1—铭牌；2—弹簧；3—接线端子排
图4.57 弹簧操动机构动作原理图
l—凸轮；2—分闸弹簧；3—棘轮；4—棘轮轴；5—合闸弹簧；6—储能保持掣子；
7—合闸掣子；8—合闸电磁铁；9—掣子；10—分闸电磁铁；11—铁芯；
12—分闸掣子；13—合闸保持掣子；14—拐臂；15—拐臂轴；
16—棘爪；17—棘爪轴；18—拐臂
3. 结构特点
弹簧操动机构优点：成套性强，性能稳定，运行可靠；不需大功率的储能源，可手动储能；动作时间快，缩短合闸时间；结构紧凑，体积小，可靠性高，维护工作量少；安装方便，操作灵活。
缺点是结构复杂，机械工艺高，合闸冲击力大，要有缓冲装置。
四、弹簧液压型操动机构的结构与原理
弹簧液压操动机构是将弹簧作为储能部件，液压油作为传动载体的机构，它综合了弹簧储能和液压机构的优点，避免了由于氮气储能和管路连接带来的缺点。
1. 结 构
弹簧液压操动机构主要由储能部件、控制部件、控制回路、分合闸速度调节阀组成。储能部件包括电动机、液压泵、碟形弹簧、储能活塞及储能提升杆等；控制部件有行程开关；控制回路包括辅助开关、分合闸阀、切换阀。
AHM A弹簧液压操动机构将全部液压元件汇集在高压区，各部件环绕中央高压区主轴排列，结构非常紧凑，取消了外部连接管路，其实物及结构如图4.58所示。AHM A弹簧液压操动机构的工作原理如图4.59所示。
图4.58 AHM A弹簧液压操动机构实物及结构图
1—盘形弹簧柱；2—固定皮革；3—高压部件；4—控制阀；5—油泵；6—电动机；7—压力释放螺栓；8—耦合器；9—连接法兰；10—外罩；11—油量表；12—断路器位置指示器；13—连接插座
（1）充 压
液压泵8将油加压输送到高压蓄压器14，蓄压器的储能活塞5与组装碟形弹簧圆柱1连接。依靠弹簧的压缩行程指示弹簧圆柱的储能状态，通过控制连杆10带动液压泵控制系统的小开关。液压泵与高压蓄压器之间装有逆止阀，防止停泵时压力下跌。
（2）合 闸
工作活塞3带有操作杆的一侧是常充压的，工作活塞顶端侧与低压储油器13连接，由于一端常充压就能可靠地保持在分闸状态。当合闸导向阀7动作，主阀6切换，隔绝工作活塞顶端侧与低压储油箱通路，同时将高压蓄压器14与工作活塞顶端侧接通，工作活塞两端都接入高压系统，由于工作活塞顶端侧形状是盘形，大于工作活塞带操作杆侧的环形面积，工作活塞就移动到合闸位置。在工作活塞停留在关合位置期间，液压系统一直处在工作压力状态下，关合力一直存在，断路器不会受振动或其他原因分闸，防失压慢分闭锁15由液压力控制，防止当压力下跌时处在合闸位置的工作活塞向分闸方向移动。
图4.59 AHM A弹簧液压操动机构原工作理图
1—碟形弹簧圆柱；2—拉紧螺栓；3—工作活塞；4—高压部件；5—储能活塞；6—主阀；
7—向导阀；8—液压泵；9—电动机；10—控制连杆；11—辅助开关；12—安全阀；
13—低压储油箱；14—高压储压器；15—防失压慢分闭锁；16—放油阀；
17—压力释放阀；18—连接轴；19—连接法兰；20—罩壳
（3）分 闸
当分闸导向阀7动作，主阀6转换到初始位置，工作活塞顶端侧液压介质流向低压储油箱13，工作活塞即移动到分闸位置。
合闸和分闸的操作速度，可通过各自独立的节流丝杆来调节。
（4）其 他
用机械方法操作安全阀12来防止弹簧储能过度和高压油系统压力过高，从储能活塞5的位置来控制各种程序的联锁触点。
电气控制回路由插入式触指引出，辅助开关11由工作活塞机械联动。可在外部直接观察到工作活塞3是在分闸或合闸位置，弹簧圆柱1是在储能状态还是释放状态。
3. 机构特点
① 氮气储能改弹簧储能，高压区集中，结构紧凑；
② 机械方法操作溢油阀，可靠地静密封以减少环境污染；
③ 机械位置指示清晰，工作活塞及弹簧储能状态外部可观；
④ 输出功率大，噪声小，维修方便；
⑤ 安装方法简单，维护工作量小。
五、电动操动机构的结构与原理
电动操动机构是高压隔离开关配套用的一种操动机构，通过二级齿轮变速和涡轮蜗杆减速，在无载流情况下操作开关，以切换线路，并对电器设备与带电的高压线路进行电气隔离，操动机构的外形如图4.60（a）所示，内部结构如图4.60（b）所示。
1. 结 构
电动操动机构主要由电动机、齿轮、蜗轮、蜗杆、减速装置、定位装置、辅助开关、控制电器和保护电器等组成，装于密封金属箱内，可以在现场控制或者远方遥控。
CJ6型电动操动机构是常用的操动机构，该机构主要由电动机、机械减变传递系统、电气控制系统和箱壳组成。
电动机为三相交流异步电动机；机械减速传动系统包括齿轮、蜗轮、蜗杆机构及输出转轴；在蜗杆端部设有方轴，以便于手动摇柄插入进行手动操作，当手动摇柄插入时，自动切断电源，从而保证了安全。
电气控制部分包括控制按钮、交流接触器、电源转换开关、行程开关、热继电器及辅助开关等。
箱壳由钢板制成，起支撑及保护作用，在正面及侧面各有一个门。
图4.60 电动操动机构的外形结构图
1—蜗杆；2—涡轮；3—微动开关；4—主轴；5—橡皮定位杆；6—分合指示；
7—接线座；8—辅助开关；9—按钮；10—交流接触器；
11—热继电器；12—电动机；13—齿轮
2. 原 理
电动机采用交直流两用电动机驱动，通过机械变速传动系统，将动力传动给机械输出轴，安装时借助钢管等与隔离开关相连接，以实现驱动隔离开关合闸与分闸。
3. 机构特点
电动操动机构操作隔离开关时，可以使操作更加方便、省力和安全，且便于在隔离开关和断路器间实现闭锁，以防止误操作。电动操动机构结构复杂、价格贵、维护工作量大，但可以实现远方操作，主要用于户内式重型隔离开关。
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