開關(guān)柜電動底盤車的過去、現(xiàn)在和未來

/溫州興機電器有限公司 章如海 王瑞元/

開關(guān)柜電動底盤車的過去、現(xiàn)在和未來

/溫州興機電器有限公司 章如海 王瑞元/

本文介紹電動底盤車的開發(fā)目的、發(fā)展歷史、技術(shù)參數(shù)、各種結(jié)構(gòu)的傳動特性以及各自的優(yōu)缺點；并對電動底盤車進行系統(tǒng)的分類，介紹了電動底盤車智能配套，模擬檢測方法以及現(xiàn)階段電動底盤車的問題點匯總。此外還介紹了電動底盤車的整個發(fā)展情況，電動底盤車的研發(fā)史，分析了電動底盤車的后續(xù)發(fā)展動態(tài)及達到世界先進企業(yè)所需采取的措施。

自能電網(wǎng)；電動底盤車；控制模塊；離合器；斷路器；智能模塊

0　引言

鎧裝移開式開關(guān)柜中手車的蓬勃發(fā)展到電動底盤車的出現(xiàn)并非偶然。

我國核電、高鐵、機場等高端產(chǎn)品的出口量在不斷上升，與其配套的高壓開關(guān)柜必須有高的供電連續(xù)性，以保證對各場所的供電可靠性。高端產(chǎn)品配套的12～40.5kV鎧裝高壓開關(guān)柜有鎧裝移開式與鎧裝固定式兩種類型，固定式與移開式相比較哪一種更好？判斷設(shè)備是否實用的主要準則應(yīng)該是：開關(guān)設(shè)備的運行連續(xù)性。

圖1所示故障不可避免，為了增加開關(guān)設(shè)備的可靠性和連續(xù)運行性。第一，要降低產(chǎn)品的故障率，使產(chǎn)品的平均無故障時間加長（曲線2所示）；第二，由于故障不可避免，要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上采取措施，萬一發(fā)生故障時，可以通過快速維護維修恢復(fù)其功能，滿足供電連續(xù)性的要求。

圖1　設(shè)備故障率浴盆曲線示意

固定柜（包括C-GIS和AIS等）的優(yōu)點在于絕緣結(jié)構(gòu)和機械傳動結(jié)構(gòu)相對簡單，出現(xiàn)故障的幾率會低（線2）。但其缺點是出現(xiàn)故障時，檢修非常不方便，停電時間長。

移開式（KYN）的優(yōu)點是安裝在開關(guān)柜的手車能快速更換，因而出現(xiàn)故障后，停電時間大為縮短。

由于移開式手車上的斷路器性能的不斷提高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定成熟，產(chǎn)品的平均無故障時間不斷加長。為了進一步提高KYN（可移出式開關(guān)柜）的可靠性，需要不斷加強底盤車的可靠性增長和創(chuàng)新工作。

1　電動底盤車的主要功能

1.1 常規(guī)底盤車的功能

底盤車在抽出式開關(guān)柜中用于承載故障率較高的電器元器件，如斷路器、負荷開關(guān)，互感器、接地開關(guān)等，將其推進及退出開關(guān)柜，與開關(guān)柜供電回路接通或斷開。在相應(yīng)電氣元器件出現(xiàn)故障時，能在很短時間內(nèi)進行更換，以大大縮短停電時間，提高供電連續(xù)性。

功能齊全：車架用于斷路器承載，鎖板和左板用于斷路器聯(lián)鎖，絲桿用于搖進搖出，靜車架部分用于手車固定和拉出，聯(lián)鎖板用于配合接地開關(guān)聯(lián)鎖。

底盤車與斷路器機構(gòu)及相應(yīng)電氣元器件中的聯(lián)鎖機構(gòu)配合工作時，能滿足GB3906中的“五防”聯(lián)鎖要求。

1.2 底盤車的兩個位置狀態(tài)

底盤車和元器件裝配后，按照整體狀態(tài)可以分為柜外隔離位置狀態(tài)（斷路器處于分斷狀態(tài)，二次回路斷開：試驗位置狀態(tài)）和柜內(nèi)位置狀態(tài)（使用狀態(tài)：工作位置狀態(tài)）。

根據(jù)位置狀態(tài)不同，手車式可以設(shè)計成以下四種推進方式：四連桿式手車；剪刀式手車；直推式手車；絲桿搖進進式手車。

KYN28柜中的絲桿搖進式，以其精簡的結(jié)構(gòu)、完善的功能和合理的人性化操作慢慢占領(lǐng)了大部分中壓柜的市場。

底盤車的三個階段：手動底盤車——自動底盤車——智能底盤車。

現(xiàn)階段我國已經(jīng)初步展開手動到電動的過程，為將來智能化做鋪墊。

2　底盤車和電動底盤車的發(fā)展

電動底盤車的第一代研發(fā)至今已經(jīng)有十幾年的歷史。

迄今為止，電動底盤車產(chǎn)品已經(jīng)從第一代升級到第四代，控制模塊也已經(jīng)發(fā)展到第四代智能控制器。

2.1 電動底盤車的四代內(nèi)容

本公司電動底盤車的研發(fā)過程，基本代表了國內(nèi)電動底盤車的發(fā)展史，四代電動底盤車的結(jié)構(gòu)代表了現(xiàn)在流行通用的幾種模式。

第一代：電動底盤車電機水平安裝到定位機構(gòu)上。第二代：電動底盤車電機垂直安裝在斷路器內(nèi)部。第三代：電動底盤車電機放置于固定板內(nèi)部，采用兩種傳動結(jié)構(gòu)，絲桿傳動結(jié)構(gòu)和絲母傳動結(jié)構(gòu)。

第四代：電動底盤車電機、離合分離塊式結(jié)構(gòu)。

2.2 電動底盤車的發(fā)展簡述第一代與日企合作開發(fā)，靜車架搖進機構(gòu)式電動底盤車。第二代吸收國外優(yōu)秀的底盤車標準化概念，電機垂直型設(shè)計。

第三代自主研發(fā)臥式電動底盤車，并設(shè)計兩種傳動原理，開創(chuàng)國內(nèi)自主專利的電動底盤車先河。

第四代自主發(fā)明新型小型化高強度超越離合器，優(yōu)化電動底盤車結(jié)構(gòu)。

從自主研發(fā)開始，興機電器已經(jīng)開始設(shè)計小型化電機，將電機安裝到底盤車之內(nèi)，解決了國內(nèi)外眾多電動底盤車通用性的要求，讓電動底盤車迅速發(fā)展。第一次采用小型化電機設(shè)計；采用臥式電動底盤車結(jié)構(gòu)，電機放置底盤車內(nèi)部；采用新型離合器；從原理開始分化絲母傳動和絲桿傳動兩種傳動方式。

現(xiàn)在這種臥式電動底盤車已經(jīng)被國內(nèi)外各大知名企業(yè)采用，成為電動底盤車市場的主流結(jié)構(gòu)。

未來電動智能底盤車會向著電機越來越小、傳動性能越來越好、結(jié)構(gòu)越來越簡單、實用性越來越強等幾個方向發(fā)展。

3　電動底盤車的分類與分析

3.1 電動底盤車的詳細分類及優(yōu)化選擇過程

電動底盤車的作用：自動控制、信息傳遞、手動和電動搖進搖出。

結(jié)構(gòu)可以分：手動底盤車、電動機、連接傳動部分和控制部分。結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點：設(shè)備的可靠性、運行連續(xù)性及市場適應(yīng)性。

電動底盤車的設(shè)計歷程如圖2所示。

圖2　電動底盤車進化分解

經(jīng)過不斷優(yōu)化、不斷驗證，選擇最為合理的結(jié)構(gòu)——臥式電機鏈輪型絲桿傳動電動底盤車。

3.1.1 外傳動和內(nèi)傳動的優(yōu)先選擇——內(nèi)傳動

外傳動推進底盤車機構(gòu)（電動柜）：傳動部分在柜體之上，底盤車只做承載和相關(guān)聯(lián)鎖的作用。

內(nèi)傳動電動推進底盤車機構(gòu)（電動底盤車）：傳動系統(tǒng)在底盤車上，并且滿足原先手動底盤車的所有功能。

由于內(nèi)傳動結(jié)構(gòu)對柜體和斷路器要求不高、結(jié)構(gòu)緊湊，擁有超強適配性，所以電動底盤車的設(shè)計也是朝著這個方向發(fā)展，經(jīng)過十多年的努力，電動底盤車慢慢走向成熟，下面對這種底盤車自身電動結(jié)構(gòu)進行分解。

3.1.2 內(nèi)傳動的傳動結(jié)構(gòu)分解——絲桿傳動

切換的兩種結(jié)構(gòu)：

1）絲母型傳動。手動搖動時，絲母鎖定，絲桿搖動；電動操作時絲桿鎖定，絲母轉(zhuǎn)動，用此分離手動和電動之間的切換。

2）絲桿型傳動。手動和電動操作絲母都不動，都使用絲桿搖動，通過離合器分離手動和電動之間的切換。

傳動的兩種位置：

1）定位架傳動。電機安裝在定位架上。

2）動車架傳動。電機安裝在動車架上。

3.1.3 絲母型傳動

絲母型傳動又叫獨立式傳動（見圖3），手動電動各自獨立，我公司于十幾年前就申報了發(fā)明專利。

這種結(jié)構(gòu)電動部件有電機（帶減速機）、傳動部分、活動絲母、絲杠四個部分。根據(jù)傳動部分的傳動方式不同，大致可以分為：傘齒輪傳動、普通直齒輪傳動、鏈傳動。

圖3　絲母型傳動

優(yōu)點：電機小型化；機械保護性離合器；絲母絲桿獨立傳動。

缺點：輔助切換繁瑣；到位精度差；結(jié)構(gòu)非常規(guī)。

電動底盤車的傳動速度都不高，傳動效率近似，所以三種傳動方式都可以適用。

3.1.4 絲桿型傳動

絲桿型傳動是比較直接的傳動方式。

電動部分比較簡單，電機搖進只要聯(lián)系到絲桿上面，代替人工操作，便可以實現(xiàn)搖進、搖出的功能，重點在于如何實現(xiàn)斷路器的手動和電動的可靠切換。

手動電動的相互切換——離合器如圖4所示。

圖4　離合器的分解

3.1.5 絲桿型傳動分解——動車架傳動

絲桿型傳動是基于圖4幾種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)生成的電動設(shè)計（見圖5）。

圖5　絲桿型傳動

（1）定位架型傳動（手動分離）

電機安裝到定位架上進行的絲桿傳動，這種結(jié)構(gòu)對定位架空間要求比較大，結(jié)構(gòu)比較直接，目前的定位架型傳動都是手動進行分離，這種傳動結(jié)構(gòu)可分為兩個方案：T形傳動；π形傳動。

T形傳動電動底盤車的使用范圍有限，成本太高。定位架π形傳動，雙側(cè)同步運動，是一款概念型電動推進機構(gòu)。其摒棄了固有的絲桿傳動的思路，目前處于試驗階段。

（2）動車架型傳動

傳動電機及傳動機構(gòu)安裝在動車架上，結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、原理簡單、性能優(yōu)良，另外包含了其他很多優(yōu)點，是絲桿式傳動的主要方式。

這種結(jié)構(gòu)電動部件有電機（帶減速機）、傳動部分、離合器、絲杠四個部分。

根據(jù)傳動部分的傳動方式不同，大致也可以分為三種：傘齒輪傳動、普通直齒輪傳動、鏈傳動。

3.1.6 動車架型傳動升級——臥式傳動

根據(jù)使用效果可以分為垂直型電機傳動、水平型電機傳動。

（1）電機垂直型傳動

優(yōu)點：自動離合器；電機更換維修方便；外形尺寸常規(guī)。缺點：電機太大；斷路器通用性差。

主要優(yōu)點比較明顯，缺點也很明顯，比上面幾種機構(gòu)已經(jīng)改進很多，但是通用性太差，不能適應(yīng)市場的多樣性。

（2）電機臥式型傳動

優(yōu)點：高強度迷你離合器；結(jié)構(gòu)小型化；結(jié)構(gòu)常規(guī)。

缺點：維修麻煩；手動優(yōu)先獨立。

電機結(jié)構(gòu)縮小對電機外形、離合器結(jié)構(gòu)、減速箱分布、電機功率和耐壓提出了很多新的要求。傳動和離合方面，我公司新發(fā)明的離合器，填補了離合器的相關(guān)空白，使得底盤車結(jié)構(gòu)更加合理小巧簡單。

主要優(yōu)點明顯，缺點不多，這種結(jié)構(gòu)相對其他結(jié)構(gòu)來講比較完美，能適應(yīng)市場的多樣性，性價比高，生產(chǎn)成本和速度都比較合理，外觀無變動。

有這么多的優(yōu)點，也同步符合了市場的大眾口味，所以這款底盤車是電動底盤車里面比較成熟的品種，并且不斷在優(yōu)化和改進，得到了市場的認可。

3.2 臥式鏈輪形絲桿傳動電動底盤車優(yōu)缺點

上文介紹了大概三個大類傳動類型的底盤車，六種傳動形式。有手車直推式、絲母形傳動式、T形π型定位架傳動式、垂直電機動車架傳動式、臥式電機動車架傳動式等。這些結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性已經(jīng)慢慢得到分化，許多40.5kV開關(guān)柜斷路器搖進機構(gòu)，或者直流斷路器的搖進機構(gòu)也慢慢借用這些電動傳動結(jié)構(gòu)。

總的看來，臥式動車架傳動最為簡單合理，使用性能突出，比較適應(yīng)發(fā)展方向。

3.3 電動底盤車的模塊控制器

電動底盤車智能控制的環(huán)節(jié)所在，第一就是底盤車實現(xiàn)自動控制，第二就是智能電網(wǎng)系統(tǒng)的智能監(jiān)控。

電動底盤車的控制器，也隨著電動底盤車的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段。

3.3.1 繼電器控制

電動控制需要實現(xiàn)電動搖進與搖出這個功能。

最初的原理就是電動底盤車在試驗位置和工作位置，給電機送電，讓電機運行或停止的簡易功能。

所以最初的設(shè)計就是通過繼電器，根據(jù)電機正反轉(zhuǎn)、底盤車S8、S9相關(guān)輔助開關(guān)進行組合控制，電動底盤車的搖進和停止。

3.3.2 模塊化控制

繼電器控制也就是初期簡單的電氣組合，占用二次線室空間比較大，而且接線相當麻煩，整個線路接線錯誤，需要逐條線路進行排查。

為了簡化控制，將整個功能集成在一張線路板上，也就出現(xiàn)了第一代的控制模塊。

控制模塊是為了電動底盤車配套開發(fā)的，一般是安裝在開關(guān)柜的低壓室中，用于電動手車電動進出控制、保護裝置，可簡化工程設(shè)計，減少開關(guān)柜二次接線工作量，提高可靠性，提高了機械結(jié)構(gòu)使用壽命。

第一代控制模塊沒有過流保護；第二代增加了位置指示和過流保護調(diào)節(jié)功能；第三代增加了軟啟動功能，過流保護調(diào)節(jié)改為分段過流設(shè)置，增加人性化功能。

另外還有DD-3A、DD-3B、DD-3C、DD-4型幾款控制模塊。

3.3.3 EMC、RS-485等到智能模塊集成

目前電磁兼容（EMC、EMI）已經(jīng)在三代上實現(xiàn)，另外一對一無線遙控、可視化人機界面操作模塊等，智能化模塊已經(jīng)在計劃中。

現(xiàn)階段的模塊已經(jīng)可以實現(xiàn)RS485、EMC、觸摸顯示器及相關(guān)的半自動化控制，后期還有更加廣闊的空間。包括智能化的語音控制系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)、全自動網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、手機軟件、智能國網(wǎng)系統(tǒng)和智能家庭電控服務(wù)系統(tǒng)等等，網(wǎng)絡(luò)一體化的集成。

智能化模塊的出現(xiàn)，使得操作更為人性化、大眾化，將大大降低人為誤操作，降低控制者的專業(yè)化要求。

4　結(jié)束語

“中國制造2025”是工業(yè)由大變強的重要機遇，“十三五”期間，國內(nèi)外高鐵、核電、機場、對供電設(shè)備的性能和可靠性的要求越來越高，電動底盤車作為可移出式開關(guān)柜的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，其性能和可連續(xù)運行性的要求更高。我公司有信心為國內(nèi)外開關(guān)企業(yè)提供高水平的電動底盤車。

高壓開關(guān)制造2025的目標也是非常清晰：要成為世界電動底盤車制造業(yè)競爭力強的生產(chǎn)和創(chuàng)新強國，產(chǎn)品質(zhì)量上乘，智能綠色、環(huán)保，適用性高、性價比高，在關(guān)鍵問題上如機械強度高、轉(zhuǎn)變工作位置時準確、靈活，在各個位置工作穩(wěn)定可靠、運行連續(xù)性方面有重大突破。

只要堅持正確的思路和采取科學(xué)有效的方法，“以好求多”，“以強求大”，電動底盤車就一定能實現(xiàn)走向世界前列的目標。

［1］機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］西安高壓電器研究所.高壓電器產(chǎn)品樣本［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［3］中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒-2014［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2015.

［4］全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會.電磁兼容性標準實施指南［M］.北京：標準出版社，1999.

［5］Khan，Zulfiqar A.EMI/EMC analysis of electronic systems subject to near zone illuminations［M］.Dissertation Abstracts International，2007.

［6］KripaK.Varanasi Samir A.Nayfeh.The dynamics of lead-screw drives：loworder modeling and experiments，2004.

［7］曲秀全，陸念力，車仁煒. 超越離合器概述［J］.機械傳動，2005（1）.