一種變電站10kV開(kāi)關(guān)柜手車開(kāi)關(guān)操作把手的研制

賴寶鵬 黃文東

摘要：傳統(tǒng)的10kV高壓開(kāi)關(guān)柜手車開(kāi)關(guān)操作需要借助“Z”子型搖把手動(dòng)搖入推出，但傳統(tǒng)的搖把容易出現(xiàn)“拖把”問(wèn)題，手動(dòng)操作較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不同廠家生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)柜所配置的搖把往往無(wú)法通用。因此，本文研制一種轉(zhuǎn)接頭可更換、不易“拖把”的電動(dòng)搖把來(lái)解決上述問(wèn)題

關(guān)鍵詞：操作把手;電動(dòng)搖把

10kV開(kāi)關(guān)柜是變電站中的重要設(shè)備之一。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、占地面積不大、操作和檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，變電站10kV設(shè)備大多采用開(kāi)關(guān)柜的形式，在開(kāi)關(guān)柜的前中柜中裝載著10kV手車開(kāi)關(guān)（斷路器）。手車開(kāi)關(guān)是指能夠關(guān)合、承載和開(kāi)斷正常回路條件下的電流，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)承載和開(kāi)斷異?；芈窏l件下的電流的開(kāi)關(guān)裝置。在一個(gè)變電站中，10kV開(kāi)關(guān)柜開(kāi)關(guān)或者線路轉(zhuǎn)冷備用的操作需要把手車開(kāi)關(guān)拉出至試驗(yàn)位置。目前主要是采用手持傳統(tǒng)“Z”型操作把手手動(dòng)操作的方法，該種操作把手在操作10kV開(kāi)關(guān)柜時(shí)較容易出現(xiàn)“拖把”現(xiàn)象。不同廠家所生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)柜由于轉(zhuǎn)換頭不一致往往需要配置不同類型的“Z”型操作把手，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用。對(duì)于類似整段10kV母線停送電的操作，可能存在運(yùn)維人員體力消耗過(guò)度，搖不動(dòng)把手的情況，這將延長(zhǎng)了停送電時(shí)間，大大降低倒閘操作的效率，甚至可能存在無(wú)法按時(shí)完成操作的情況，常常影響了送電的時(shí)間，對(duì)電力公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)及電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行造成負(fù)面影響[1]。因此，急需設(shè)計(jì)一種電動(dòng)、安全性高、通用型的操作把手。

1設(shè)計(jì)需求

為了研制一種電動(dòng)的、轉(zhuǎn)接頭可更換、不易“拖把”、更為實(shí)用的變電站10kV開(kāi)關(guān)柜手車開(kāi)關(guān)操作把手，提出了如下的選擇方案。

2方案選擇

2.1轉(zhuǎn)換頭類型

轉(zhuǎn)換頭是操作把手和手車開(kāi)關(guān)直接連接部位，其類型的選擇直接影響倒閘操作的質(zhì)量。通過(guò)查閱資料與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同廠家不同型號(hào)開(kāi)關(guān)柜匹配的操作把手的轉(zhuǎn)換頭樣式不一致。通過(guò)總結(jié)形成兩種轉(zhuǎn)接頭方案：1. 可更換式套筒;2.蜂巢式魔術(shù)套筒?？筛鼡Q式套筒就是收集現(xiàn)有的傳統(tǒng)“Z”型操作把手，然后進(jìn)行歸類，打磨制作多種類型的套筒。蜂巢式魔術(shù)套筒通過(guò)彈簧帶動(dòng)內(nèi)置鋼針的伸縮以適用不同接頭。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蜂巢式魔術(shù)套筒較容易損壞，一體成型的可更換式套筒較不易變形。因此，本設(shè)計(jì)最終選擇套筒直接更換的方式，便于應(yīng)用。

2.2電機(jī)類型

電機(jī)是電動(dòng)操作把手的動(dòng)力部分，需要對(duì)其容量及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及調(diào)速方式等進(jìn)行考慮，常見(jiàn)的電機(jī)為直流電機(jī)和交流電機(jī)，通過(guò)查閱資料，對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行綜合對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比可得直流電機(jī)的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性遠(yuǎn)勝于交流電機(jī)，且交流電機(jī)自身完成不了調(diào)速，需要借助變頻設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的改變，直流電機(jī)只需要改變輸入或者勵(lì)磁電流就可以實(shí)現(xiàn)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，不需要其它設(shè)備配合[2]。因此選擇直流電機(jī)有利于平穩(wěn)地進(jìn)行倒閘操作。

2.3 傳動(dòng)部分

傳動(dòng)部分是電機(jī)與轉(zhuǎn)接頭的連接部分，定軸齒輪即當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各齒輪的軸線相對(duì)于機(jī)架的位置都是固定不動(dòng)的，其傳動(dòng)比是固定的。行星齒輪包括太陽(yáng)輪、行星輪、行星架和外齒圈等部件。由于手車開(kāi)關(guān)質(zhì)量較大，使用電動(dòng)操作把手操作時(shí)要保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且需要較大的傳動(dòng)力，因此決定選擇行星齒輪結(jié)構(gòu)作為傳動(dòng)部分。

2.4 電源類型

電動(dòng)工具直接連接操作地點(diǎn)附近的電源是最直接的方式，但受到現(xiàn)場(chǎng)電源接入點(diǎn)及其距離操作地點(diǎn)位置遠(yuǎn)近的限制，當(dāng)需要使用電動(dòng)操作把手同時(shí)對(duì)十幾個(gè)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行操作時(shí)，電源點(diǎn)與最遠(yuǎn)的開(kāi)關(guān)柜之間需要很長(zhǎng)的電線進(jìn)行連接，很容易導(dǎo)致電線易纏繞;電池充電式具有便于攜帶，輕便實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，采用分體式方案以便于對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)更換。鋰離子電池成本相對(duì)較高，但具有能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、適用溫度范圍寬等特點(diǎn)，同時(shí)其體積小、重量輕也是電動(dòng)把手必須必備的，因此選擇鋰電池作為操作把手的電源供給。

綜上我們選擇了鋰電池充電式電源+直流電機(jī)+行星齒輪結(jié)構(gòu)+可更換式套筒作為變電站10kV開(kāi)關(guān)柜手車開(kāi)關(guān)操作把手的最佳方案。

3?控制策略設(shè)計(jì)

3.1?電機(jī)調(diào)速控制電路

本裝置電機(jī)擬采用555時(shí)基電路構(gòu)成的PWM信號(hào)發(fā)生器電路作為電機(jī)調(diào)速控制電路。VCC通過(guò)電阻R1和R為電容C1充電，當(dāng)觸發(fā)電壓小于1/3VCC時(shí)，上比較器輸出低電平，下比較器輸出高電平，RS觸發(fā)器置1，輸出為高電平;當(dāng)觸發(fā)電壓大于1/3VCC且小于2/3VCC時(shí)，上比較器輸出低電平，下比較器輸出高電平，RS觸發(fā)器保持，輸出仍為高電平;當(dāng)觸發(fā)電壓大于2/3VCC時(shí)，上比較器輸出高電平，下比較器輸出低電平，RS觸發(fā)器置0，輸出為低電平，此時(shí)電容C1通過(guò)電阻R的右半部分電阻放電[3]。555時(shí)基電路構(gòu)成的PWM信號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

通常R1電阻值比電位器的電阻值小很多，這樣我們就可以控制電路中99%的充放電電阻。555時(shí)基電路的控制腳5在電路中沒(méi)有使用，可以連接一個(gè)100nF的電容到地，目的是消除外部干擾。復(fù)位引腳4是默認(rèn)低電平，因此需要把它連接到VCC，以防止不小心造成電路復(fù)位。PWM信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率通過(guò)改變電阻R1和電容C1來(lái)調(diào)整，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R的阻值可以改變輸出端3腳的輸出脈沖寬度，即可以改變脈沖的占空比，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。555時(shí)基電路輸出可以承載200mA的電流供負(fù)載使用，為了獲得更大的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，我們就需要額外使用晶體管或MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本設(shè)計(jì)中使用了一個(gè)（TIP122）達(dá)林頓晶體管，它可以輸出高達(dá)5A的電流供負(fù)載使用[4]。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)原理圖進(jìn)行PCB布板，系統(tǒng)PCB板實(shí)物圖如下圖3所示。

4 效果檢查

新型手車開(kāi)關(guān)電動(dòng)操作把手研制成功后，分別使用普通Z字型操作把手與新型手車開(kāi)關(guān)電動(dòng)操作把手對(duì)110kV朝陽(yáng)變二期擴(kuò)建10kVⅡ段母線上12個(gè)開(kāi)關(guān)柜的手車開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作，為了更好地體現(xiàn)對(duì)比性，本次操作由女性組員進(jìn)行，12次對(duì)比試驗(yàn)的操作用時(shí)折線圖如圖4所示。

從圖4可得，對(duì)于傳統(tǒng)的“Z”型操作把手，隨著操作次數(shù)的增加，人員體力耗費(fèi)加大，每次的操作時(shí)間呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其每次操作的用時(shí)比也在遞增;而新型手車開(kāi)關(guān)電動(dòng)操作把手在12次操作中均保持比較固定的操作時(shí)間，其操作用時(shí)比斜率也相對(duì)固定。由于電動(dòng)操作旋轉(zhuǎn)部位為轉(zhuǎn)接頭，因此不會(huì)出現(xiàn)“拖把”現(xiàn)象。小組成員也選擇110kV建元變、110kV官山變及110kV朝陽(yáng)變等新建或二期擴(kuò)建站分別進(jìn)行電動(dòng)操作把手的試驗(yàn)，均不會(huì)出現(xiàn)“拖把”現(xiàn)象。因此，該新型手車開(kāi)關(guān)操作把手的應(yīng)用不僅可以杜絕“脫把”，同時(shí)也能很大程度上減少操作時(shí)間及操作人員的體力消耗。

5結(jié)論

該新型變電站10kV開(kāi)關(guān)柜手車開(kāi)關(guān)操作把手的運(yùn)用可有效降低脫把率，保護(hù)人員和設(shè)備安全，減輕運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，縮短停電時(shí)間，保障電力設(shè)備安全性，提高電網(wǎng)供電可靠性，提升供電服務(wù)質(zhì)量和公司形象，具有良好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳新安， 唐建斌， 王亮才. 高壓開(kāi)關(guān)柜的電動(dòng)搖把研制及應(yīng)用分析[J]. 電子世界， 2021（3）：2.

[2]覃全興， 陳小元， 陳超，等. 電動(dòng)螺絲刀用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)[J]. 微特電機(jī)， 2014， 42（12）：5.

[3]張濤， 張曉宇， 王輝俊. 基于PWM和PID的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2014， 033（007）：134-138.

[4]倪曉宇， 崔瑞龍， 劉威，等. 基于TMS320F28035+DRV8412兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2020， 28（7）：5.

作者簡(jiǎn)介：賴寶鵬（1990.05—），男，工程師，研究生，主要從事變電運(yùn)維。

黃文東（1992.04—），男，助理工程師，研究生，主要從事變電運(yùn)維。