變電站高壓開關(guān)柜智能手車操作工具研究

胡 俊，徐嘉偉，季珊珊

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

高壓開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于35 kV及以下電壓等級(jí)電力系統(tǒng)中[1]。隨著國家整體經(jīng)濟(jì)水平的提升，供電需求的增加，高壓開關(guān)柜的安全運(yùn)行要求也在提高。高壓開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)手車主要采用人工使用專用的搖桿手動(dòng)操作方式，這對(duì)操作人員體力有一定要求。尤其是女性員工在操作時(shí)，幾乎無法將小車一鼓作氣搖出，當(dāng)觸頭分閘時(shí)不能快速搖動(dòng)，易造成拉弧時(shí)間過長，影響斷路器觸頭壽命，存在安全隱患[1-3]。

機(jī)器人代替人工的技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)成熟和智能化，但在電網(wǎng)系統(tǒng)，尤其是超高壓領(lǐng)域，由于對(duì)供電可靠性具有極高要求，以及涉及電力機(jī)密問題，因此工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)駐門檻會(huì)相對(duì)提高，系統(tǒng)內(nèi)部在采用機(jī)器代人領(lǐng)域比較謹(jǐn)慎。目前在手車操作方面，只查詢到有開關(guān)手車操作搖柄的改進(jìn)以及類似電動(dòng)鉆的操作方式。因此，本文以實(shí)際工作需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套高壓開關(guān)柜智能手車操作工具。

1 高壓開關(guān)柜智能手車操作工具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款高壓開關(guān)柜智能手車操作工具，設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

高壓開關(guān)柜智能手車操作工具整體結(jié)構(gòu)分為3部分：操作裝置整機(jī)、操作控制面板、電源操作面板。

在功能設(shè)計(jì)上，包括：控制模塊的設(shè)計(jì)，主要為設(shè)計(jì)信號(hào)的傳輸、接收、響應(yīng)模式，實(shí)現(xiàn)搖控操作裝置對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的控制；激光傳感器的配置與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)軸連接目標(biāo)位置的監(jiān)察和尋跡；操作控制器自適應(yīng)功能，解決控制器握持機(jī)構(gòu)與開關(guān)柜手柄不能完全同軸的問題；智能力矩限制功能，應(yīng)對(duì)在操作過程中的突發(fā)狀況。

2 控制模塊的設(shè)計(jì)

在手車搖進(jìn)搖出的工作環(huán)境中，高壓開關(guān)柜智能手車操作工具首先水平移動(dòng)，與手車操作孔實(shí)現(xiàn)垂直對(duì)位，然后通過升降臺(tái)微調(diào)，實(shí)現(xiàn)與手車操作孔的精準(zhǔn)對(duì)位。按下操作按鈕，搖桿開始緩慢位移，插入手車操作孔中，并開始均速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手車的搖進(jìn)搖出。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)后，高壓開關(guān)柜智能手車操作工具停止旋轉(zhuǎn)，搖桿收回，工作結(jié)束。

該控制分為3個(gè)過程：高壓開關(guān)柜智能手車操作工具搖桿與手車操作孔對(duì)位；搖桿位置檢測(cè)；搖手車力矩與圈數(shù)檢測(cè)。對(duì)于高壓開關(guān)柜智能手車操作工具控制，實(shí)質(zhì)上是對(duì)于各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度、扭矩的控制。控制系統(tǒng)具體控制步驟如圖2所示。

3 激光傳感器的配置與應(yīng)用設(shè)計(jì)

針對(duì)手車操作孔對(duì)位不精準(zhǔn)的問題，提出一種基于激光掃描技術(shù)的手車操作孔中軸線對(duì)位搖手車工具中軸線的法線方向的算法。計(jì)算線激光傳感器掃描獲取的手車操作孔法向量，并將6種獲取法線的算法進(jìn)行對(duì)比，用效果最優(yōu)的算法計(jì)算模型上各點(diǎn)的法線坐標(biāo)，利用離線編程使兩者實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位。

激光掃描技術(shù)如圖3所示。

4 操作控制器自適應(yīng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)適用于手車操作孔的花鍵式萬向軸嚙合結(jié)構(gòu)(見圖4)，通過數(shù)值仿真分析軟件，對(duì)嚙合結(jié)構(gòu)的靜載能力、抗疲勞能力與抗磨損能力進(jìn)行了分析。受力分析結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 智能力矩限制功能設(shè)計(jì)

在實(shí)際操作中，可能會(huì)遇到手車導(dǎo)軌卡死現(xiàn)象，而普通電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)無法感知到工作對(duì)象的卡死現(xiàn)象，于是在電機(jī)的輸出軸上設(shè)計(jì)了智能力矩限制裝置(見圖5)。利用墊片間的摩擦和力的傳導(dǎo)作用，通過改變彈簧片的張力，在一定程度上現(xiàn)了可改變機(jī)械旋轉(zhuǎn)力大小的傳遞和控制，實(shí)現(xiàn)智能控制輸出力矩大小的寬范圍調(diào)節(jié)。當(dāng)手車軌道出現(xiàn)卡死時(shí)，電機(jī)工作而搖桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，光柵傳感器感應(yīng)到該現(xiàn)象，系統(tǒng)發(fā)出聲光告警，從而解決了在操作中可能遇到手車軌道卡死問題。

圖5 智能力矩限制裝置

6 電源供電模式和驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

高壓開關(guān)柜智能手車操作工具動(dòng)力供電系統(tǒng)采用鋰電池直流供電模式與外接應(yīng)急操作電源的雙重供電模式。電源控制采用多項(xiàng)保護(hù)措施，確保動(dòng)力供電安全可靠。

電源系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如下。

(1)直流工作模式：DC23.5-29.6 V；功率：350 W；額定電流<10 A。

(2)交流工作模式：AC220 V±5%；功率為350 W；額定電流<3 A。

(3)充電模式：AC220 V(1±5%)；輸入功率<4 A；充電時(shí)間不大于10 h，具有充滿自停功能；

在交流供電工作模式下，選定直接從墻面檢修電源箱插座取220 V交流電作為裝置電源。在對(duì)上海市域35 kV變電站調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，開關(guān)柜距墻面插座最大長度約19.8 m，因此最終選定長度為5 m的電源線外加15 m移動(dòng)電源線盤。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)操作速度約為1.5圈/s，手車搖柄長度為0.14 m。本文選擇的單相交流異步電機(jī)功率為400 W。

7 結(jié)語

高壓開關(guān)柜手車輔助操作工具投入使用后，在操作過程中能夠有效減輕工作負(fù)擔(dān)，特別是由于連續(xù)疲勞工作可能造成的潛在危險(xiǎn)；提高電網(wǎng)操作智能化水平，使公司向操作機(jī)器代人方向邁進(jìn)一大步。