400V抽屜式開(kāi)關(guān)柜CD2型電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)改型探究

沈 欣 韓 煦 卞春兵 張立堅(jiān)

（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

江蘇省淮安抽水站變電所400V低壓配電室于2009年改造后，共有7個(gè)間隔，其中6個(gè)間隔各配5臺(tái)抽屜式開(kāi)關(guān)，隨后電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)小規(guī)模損壞現(xiàn)象（1～2只），然而近兩年連續(xù)出現(xiàn)大批量的損壞現(xiàn)象（5～6只），截至目前，共計(jì)損壞16只電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。這樣的損壞率如果不分析原因，必然會(huì)給工程運(yùn)行埋下安全隱患，因此，針對(duì)此類現(xiàn)象進(jìn)行分析探究很有必要。

1 CD2型電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)損壞原因分析

經(jīng)拆卸損壞產(chǎn)品后，發(fā)現(xiàn)該類產(chǎn)品是由電路板加齒輪機(jī)構(gòu)構(gòu)成，電源采用AC230V/DC220V供電（本站采用AC供電），內(nèi)部由24V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電路板為呈U型的異型電路板，內(nèi)部元件結(jié)構(gòu)非常緊密，部分廠家設(shè)計(jì)的CD2-100型號(hào)電路布線有高低壓回路同邊的情況。損壞現(xiàn)象有保險(xiǎn)管燒毀、變壓器燒毀、電容爆裂等。

主要損壞區(qū)域集中在電路電源部分，由此考慮兩種情況：一是由于站內(nèi)電壓值高于產(chǎn)品額定電壓造成損壞；二是由于電路設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致?lián)p壞率較高。經(jīng)查閱運(yùn)行記錄資料，該站220V電壓一直處于231～233V之間，雖然最高電壓稍高于該產(chǎn)品的額定電壓，但是按照供電端5%～10%的電壓補(bǔ)償，這樣的電壓完全沒(méi)有問(wèn)題，因而排除站內(nèi)電壓?jiǎn)栴}。其次分析該產(chǎn)品線路布局，由于該產(chǎn)品電路元件分布在U型板上，元器件布置非常緊密，外加塑殼封閉，封閉后電路板與塑殼頂部間隙狹小，再位于抽屜開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，交流電源處于常年帶電狀態(tài)，發(fā)熱元件的熱量不得有效流通降溫，這一系列因素，極有可能是該產(chǎn)品元件加速老化失效甚至損壞的原因之一。

2 改型方案探究

2.1 改型方案分析

在簡(jiǎn)要分析電動(dòng)操作損壞的可能原因后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以考慮兩種改型方案：方案一，通過(guò)增加柜內(nèi)和機(jī)構(gòu)內(nèi)部散熱裝置來(lái)解決問(wèn)題；方案二，考慮拆分交直流電源，操作機(jī)構(gòu)內(nèi)電路板只保留24V繼電器及接線端子。經(jīng)分析，方案一由于抽屜開(kāi)關(guān)內(nèi)部及操作機(jī)構(gòu)布局緊湊，實(shí)施難度較大。方案二經(jīng)設(shè)計(jì)可行，優(yōu)先考慮。

2.2 解決方案

2.2.1 直流電機(jī)保護(hù)

由表1可知50～100A配型電動(dòng)操作，工作電流按0.4A計(jì)，保護(hù)熔絲按2.5倍計(jì)，可得熔絲電流為1A；200A配型電動(dòng)操作，工作電流按0.6A計(jì)，可得熔絲電流為1.5A，均小于堵轉(zhuǎn)電流，能可靠保護(hù)直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.2.2 控制回路設(shè)計(jì)及材料選型

（1）繼電器為OMRON（G5V-2），其參數(shù)為工作電壓DC24V，工作接點(diǎn)電流最大值2A，具有2副常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)（實(shí)際損壞操作機(jī)構(gòu)中，繼電器均未損壞，可拆件使用，降低改型成本）。

（2）開(kāi)關(guān)電源為Schneider（ABL2REM24065K）DC24V 150W可供一個(gè)間隔5臺(tái)抽屜式開(kāi)關(guān)柜電動(dòng)操作電源。

（3）端子為KF128-5.08 其工作電流10A，符合設(shè)計(jì)要求。

（4）電路板為FR-4覆銅板，采用三氯化鐵蝕刻法印刷電路，根據(jù)PCB設(shè)計(jì)銅箔厚度、線寬與電流關(guān)系，見(jiàn)表2。

（5）FR-4覆銅板為1OZ即35μM，按電流1-1.5A計(jì)，選擇0.6MM線寬，兩種電路可通用。

表1 電機(jī)數(shù)據(jù)測(cè)定表

表2 PCB設(shè)計(jì)銅箔厚度、線寬和電流關(guān)系表

圖1 單繼電器版本原理圖

圖2 雙繼電器版本原理圖

圖3 齒輪齒數(shù)圖

圖4 運(yùn)行后凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)位置圖

（6）電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)機(jī)械部分留用原損壞電路板的電動(dòng)操作。

2.2.3 控制回路設(shè)計(jì)

控制回路設(shè)計(jì)有以下兩種方案：

（1）單繼電器配合行程開(kāi)關(guān)、按鈕控制，單繼電器版本原理圖見(jiàn)圖1。

工作原理：SQ1實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)合閘，電動(dòng)合閘過(guò)程中當(dāng)按下SB1按鈕通過(guò)SQ3常閉接點(diǎn)使繼電器工作，其閉合常開(kāi)觸點(diǎn)，自保持，并使電機(jī)工作，當(dāng)機(jī)構(gòu)上緣觸發(fā)SQ3及凸輪觸發(fā)SQ2后，常閉接點(diǎn)打開(kāi)，合閘工作完成，同時(shí)做好分閘準(zhǔn)備。當(dāng)按下SB2，接通繼電器工作，同理，電機(jī)工作，機(jī)構(gòu)下行，脫離SQ3、SQ2，使其復(fù)位，分閘工作完成，做好合閘準(zhǔn)備。SB1、SB2常開(kāi)觸點(diǎn)互鎖分合閘回路。

實(shí)驗(yàn)中，該方案布線簡(jiǎn)潔、元件使用少，可實(shí)現(xiàn)分合閘功能，而且免除了手動(dòng)分合閘后合閘回路未就緒的問(wèn)題，但是出現(xiàn)小概率分閘后重復(fù)合閘的問(wèn)題，原因分析是當(dāng)機(jī)構(gòu)分閘后由于慣性，機(jī)構(gòu)上緣觸碰到上行程開(kāi)關(guān)SQ3，導(dǎo)致分閘回路繼續(xù)導(dǎo)通，重復(fù)合閘（模擬分閘按鈕不復(fù)位情況）。通過(guò)觀察，去除機(jī)構(gòu)上緣一角，增加其觸碰距離，問(wèn)題依舊，方案一中無(wú)其他接點(diǎn)可用于分?jǐn)嗫刂?，根?jù)問(wèn)題優(yōu)化后可設(shè)計(jì)雙繼電器版本。

（2）雙繼電器配合行程開(kāi)關(guān)、按鈕控制，雙繼電器版本原理圖見(jiàn)圖2。

工作原理：SQ1實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)合閘；電動(dòng)合閘過(guò)程中（SQ2已觸發(fā)）當(dāng)按下SB2按鈕接通2#繼電器工作，自保持并使電機(jī)工作，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)上行合閘，當(dāng)機(jī)構(gòu)凸輪脫離SQ2后斷開(kāi)電路，合閘完成；當(dāng)按下SB1按鈕接通1#繼電器工作，同理，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)下行，當(dāng)機(jī)構(gòu)凸輪觸發(fā)SQ2后斷開(kāi)電路，分閘完成；SB1、SB2常開(kāi)觸點(diǎn)互鎖分合閘回路。

當(dāng)手動(dòng)分合閘后會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)脫離兩只控制行程開(kāi)關(guān)的情況，即SQ2、SQ3均未觸發(fā)，而斷路器處于分閘狀態(tài)中，SQ2未就位，合閘回路并未接通，不符合實(shí)際操作要求，該方案中SQ3可實(shí)現(xiàn)通電（自動(dòng)操作位）后，電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)自動(dòng)合閘就位功能。

該方案設(shè)計(jì)通過(guò)雙繼電器與SQ2、SQ3的配合避免了方案一中的重復(fù)合閘問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了合閘回路未就緒的就位功能，能夠正常分合閘。

2.2.4 機(jī)構(gòu)部分改型

控制電路完成后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合閘行程出現(xiàn)越位現(xiàn)象，掉牌顯示是脫扣狀態(tài)（斷路器并未脫扣，工作正常）與實(shí)際操作不符，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)原電路合閘時(shí)間應(yīng)為0.2s，而改型電路中無(wú)時(shí)間控制單元，凸輪脫離行程開(kāi)關(guān)再到繼電器動(dòng)作，其中的延時(shí)，是越位的形成原因。

實(shí)測(cè)電機(jī)處齒輪直徑為8.44mm（齒頂圓da），齒數(shù)為15齒，根據(jù)公式m=da/（z+2），求得模數(shù)m為0.496，分別測(cè)量其他齒輪直徑，求得個(gè)齒輪齒數(shù)如圖3（實(shí)際驗(yàn)證與得數(shù)相同）。

根據(jù)圖3求得傳動(dòng)比i為135，經(jīng)查資料獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速為19800r/m即330r/s；求得凸輪轉(zhuǎn)速為2.44r/s；即凸輪為401.868mm/s。實(shí)際運(yùn)行后凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)位置如圖4。

原電路合閘后凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)180°停止，可計(jì)算得出原電路合閘時(shí)間為：82.35/401.868=0.2s。

而改型電路合閘后位置夾角為228°可得凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)了104.31mm，繼而可得分?jǐn)鄷r(shí)間為104.31/401.868=0.26s。

多出0.06s，計(jì)算可得401.868×0.06=24.11mm，繼而可得角度24.11×360/164.7=53°。

由于計(jì)算及測(cè)量因素不是十分精確，實(shí)際操作中采取原分離點(diǎn)往后減少53°～55°進(jìn)行改型，按105°進(jìn)行校核已達(dá)實(shí)際需要。分合閘位置對(duì)應(yīng)正確，越位消除。

3 結(jié)語(yǔ)

CD2型電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)是成熟可靠的，損壞的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)都是電路板，直接整體更換成本較高。改型后成本只需原成本的15%～20%，電動(dòng)操作的外形結(jié)構(gòu)與外部接線（無(wú)閉鎖）布置無(wú)改變，有閉鎖的外部接線有小改動(dòng)，開(kāi)關(guān)柜內(nèi)線路基本不動(dòng)，后期成型的維護(hù)更加簡(jiǎn)單便捷■