手車開關(guān)工作位置強制分閘裝置的研制

國網(wǎng)浙江省電力有限公司衢州供電公司 余露峰 吳 超 吳鑫劍 姚 然 黃 劍

1 背景技術(shù)及現(xiàn)狀分析

手車開關(guān)作為變電設(shè)備的重要組成，在電網(wǎng)設(shè)備中數(shù)量十分龐大。而其在工作位置運行過程中，如遇無法分閘缺陷需檢修人員緊急處理，否則可能產(chǎn)生開關(guān)越級跳閘等情況造成事故擴大化。該缺陷可能原因較多，包括輔助接點切換不到位、電源缺失、回路中端子松動脫落等電氣原因，也有機械卡澀、機構(gòu)半分半合等機械原因，其中大部分原因無法帶電消除。對于這種缺陷，在排除帶電消缺的可能后，現(xiàn)有處理方法分為兩種。

臨時申請母線停電，將開關(guān)分閘并拉至柜外。此種方法能保證作業(yè)人員人身安全，但不可避免地存在許多問題：這種母線臨時停役的大型操作未經(jīng)提前計劃及相關(guān)隱患分析，存在一定安全風險；相關(guān)運維操作班組承載力不足，無法及時抽調(diào)充足操作人員進行操作；母線停役操作手續(xù)復雜，停役時間長，若停役過程中故障開關(guān)線路故障，將造成設(shè)備越級跳閘；相關(guān)線路負荷受到影響，不利于公司對外樹立良好形象。

作業(yè)人員直接手動強制分閘。這種方法對電網(wǎng)運行無影響，但開關(guān)實際故障原因較多，其中大部分缺陷需停電檢查后才能準確判斷、處理。在無法準確判斷故障原因的情況下強制進行分閘操作，可能產(chǎn)生開關(guān)分閘異常，嚴重時甚至會發(fā)生爆炸。目前的開關(guān)柜體分為自帶緊急分閘按鈕和不帶緊急分閘按鈕兩類，其中柜門上自帶緊急分閘按鈕的開關(guān)柜，可在開關(guān)柜的柜門關(guān)閉情況下，通過按下緊急分閘按鈕來實現(xiàn)緊急分閘；柜門上不帶緊急分閘按鈕的開關(guān)柜需要開啟柜門，然后通過按下開關(guān)柜內(nèi)的分閘按鈕來實現(xiàn)分閘。由此可見，無論哪種開關(guān)柜體都需操作者靠近開關(guān)柜進行操作，當開關(guān)發(fā)生爆炸時將嚴重危害操作人員的人身安全。

筆者對公司近期發(fā)生的手車開關(guān)運行狀態(tài)下報控制回路斷線的缺陷及處理方式進行收集梳理發(fā)現(xiàn)，為處理缺陷，母線停役5次、手動強制分閘2次，另有1次可帶電消缺。而隨著近年來安全生產(chǎn)要求逐步提高及以人為本的觀念逐步深化，為充分保證作業(yè)人員安全，母線停役數(shù)量明顯提升，基本做到能停必停，由此母線停役操作人數(shù)多、操作時間長、對運行符合影響大等缺點充分暴露。

2 風險評估

鑒于母線停役對現(xiàn)場工作影響較大，存在較多缺點無法克服，同時現(xiàn)場用電負荷情況復雜，存在較多重要負荷無法短時間的切除，因此直接將故障開關(guān)強制分閘的處理方式仍有一定積極意義。為充分評估該工作存在的風險，本文采用LECD風險評價體系進行評價，其由美國安全專家K.J.格雷厄姆和K.F.金尼提出，是一種對具有潛在危險性作業(yè)環(huán)境中的危險源進行半定量的安全評價方法，結(jié)合歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)和半定量的計算方法，用于評價操作人員在具有潛在危險性環(huán)境中作業(yè)時的危險性、危害性。其計算公式為D=LEC，L指該事故的可能性大??；E指人體或設(shè)備暴露于該環(huán)境的頻度；C指發(fā)生該事故可能會造成的傷害后果；D指危險值，用來綜合評價該工作的危險程度[1]。

結(jié)合相關(guān)歷史經(jīng)驗及現(xiàn)場實際結(jié)果如下。L：開關(guān)爆炸概率極小，但存在這種可能，各地有過多次相關(guān)報道記錄，因此取值1.5；E：該缺陷發(fā)生頻率不高，但只要進行該工作將連續(xù)暴露在危險中，結(jié)合歷史經(jīng)驗綜合取值4；C：后果非常嚴重，甚至可能造成2～3人死亡，取值30；計算可得D=180，為高度危險，需立即進行整改。因此本文考慮研制一種手車開關(guān)工作位置強制分閘裝置，可遙控進行開關(guān)機械分閘，在L不變的情況下，因分閘瞬間作業(yè)人員遠離開關(guān)，暴露頻率E可降為0.5、C降至1，最終D=0.75，降為可接受、容忍的風險。

3 裝置技術(shù)要求及裝置情況簡介

3.1 裝置情況簡介

通過對現(xiàn)場各型號開關(guān)柜和相關(guān)消缺情況的綜合分析，確認裝置需滿足以下功能：

固定功能：裝置需可靠固定在開關(guān)柜上，作為下一步分閘的基礎(chǔ)。該功能需滿足現(xiàn)場實際條件，適應不同廠家、柜型，同時具備一定的擴展功能，實現(xiàn)特殊情況（如需將裝置固定在地面上）等要求；旋鈕鎖緊功能：據(jù)統(tǒng)計，大部分開關(guān)柜緊急分閘裝置都需旋轉(zhuǎn)機械旋鈕啟動[2]，裝置需滿足將機械旋鈕鎖緊在啟動位置的功能；遙控功能：為充分保證人身安全，裝置需具備一定距離下遠程遙控的能力。

機械分閘功能：裝置在啟動后需具備機械頂動分閘按鈕，將開關(guān)強制分閘的功能；自動、手動停止功能：裝置應同時具備自動、手動兩種停止功能，在開關(guān)分閘后自動停止，或有其他意外情況作業(yè)人員可遠程手動停止裝置運行；過載自保護功能：開關(guān)分閘失敗存在內(nèi)部機構(gòu)故障的可能，這種情況下機械分閘也無法成功，若裝置持續(xù)運行可能裝置損壞和開關(guān)進一步損壞，因此裝置應可設(shè)置相關(guān)力矩，保證裝置在達到設(shè)定值仍未將開關(guān)分閘時，會自動停止運行或者脫扣空載運行。

3.2 相關(guān)模塊

本設(shè)計裝置主要由以下幾部分組成：安裝固定模塊，觸動模塊，遙控模塊，電源，控制箱以及輔助模塊。

固定模塊：固定模塊主體部分是一副三角架。如圖：三腳架垂直桿頂部設(shè)置夾具固定橫向支架，可安裝裝置動作主體原件（包括觸動元件、鎖緊元件等），同時垂直桿具備高度調(diào)整功能，滿足不同開關(guān)柜通用性要求。同時，在三腳架靠下部加裝下支架，設(shè)有開關(guān)式磁力座，可以通過磁力座吸附在開關(guān)柜的柜體或柜門上，以提高支撐架的穩(wěn)定性。

觸動模塊：該模塊為裝置核心模塊，安裝在橫向支架上，實現(xiàn)裝置將開關(guān)機械分閘的功能。模塊主要由馬達、齒輪組、頂桿及外殼組成，由電機帶動齒輪使頂桿伸縮實現(xiàn)對按鈕的按壓，最終實現(xiàn)開關(guān)分閘（圖1）。馬達電機采用直流電機，可用12V電池供電，滿足現(xiàn)場工作靈活性的要求。同時，為防止特殊情況發(fā)生，裝置另配有電源適配器，可直接采用220V交流供電。

圖1 觸動模塊結(jié)構(gòu)示意圖

旋鈕固定模塊：針對本身帶有緊急分閘裝置的開關(guān)柜，裝置增設(shè)旋鈕固定模塊（圖2）。該模塊主體為固定在安裝支架上的旋轉(zhuǎn)盤，盤上設(shè)有若干繞安裝盤周向分布的弧形長孔，孔上設(shè)有兩個沿腰槽移動的圓柱螺母，旋轉(zhuǎn)盤的圓心與安裝盤的軸線、推桿的軸線重合。如此，可通過調(diào)節(jié)圓柱螺母固定位置，實現(xiàn)其相對距離的調(diào)整，可適應不同開關(guān)柜不同緊急分閘裝置的多種旋鈕尺寸。同時，調(diào)整旋轉(zhuǎn)盤安裝角度，可實現(xiàn)緊急分閘裝置的啟動，因其調(diào)整裕度大，可滿足不同緊急分閘裝置啟動角度不同的要求，增加裝置通用性。

圖2 旋鈕固定模塊機構(gòu)示意圖

遙控模塊：裝置遙控模塊由控制模塊和遙控器組成。通過遙控模塊使得電機正反轉(zhuǎn)而使頂桿伸縮，從而實現(xiàn)分閘、中途停止、中途反向復位等功能。本裝置采用的遙控模塊理論可用距離為直線300m，經(jīng)實際試驗，間隔2扇鐵門、在直線距離30m處遙控功能正常，可完全滿足現(xiàn)場工作的安全需求。

3.3 保護限位模塊

因手車開關(guān)拒分原因多樣，部分情況下無法通過機械頂動分閘按鈕實現(xiàn)分閘（包括但不限于機械連桿卡死、斷裂，機構(gòu)實際半分半合等）。針對此類情況，因作業(yè)人員需遠離作業(yè)現(xiàn)場，無法及時發(fā)現(xiàn)并停機，裝置持續(xù)輸出至極限，易造成裝置本身損壞、開關(guān)元件二次破壞的不良后果。因此裝置增加了保護限位模塊，保證裝置輸出力矩超出一般合理值范圍時，裝置可自動停機。該模塊主要有安裝板、彈簧、接近開關(guān)等組成（圖3）。當頂桿接觸按鈕并按動按鈕到位后，隨著頂桿的繼續(xù)伸長，頂桿會將觸動模塊的外殼部分向另一個方向推動，彈簧壓縮，到一定位置，連接在外殼尾部的金屬片觸發(fā)接近開關(guān)動作，從而斷開電機電源，頂桿停止動作。

圖3 保護限位模塊結(jié)構(gòu)示意圖

因不同品牌不同型號規(guī)格的手車開關(guān)，按鈕的按壓深度及力度均會有所不同，為保證裝置普適性，相關(guān)力矩、頂桿伸出長度需具備可調(diào)功能。該模塊力矩調(diào)整方式可分為2種：通過調(diào)整彈簧限位擋塊可調(diào)整彈簧預壓縮量，實現(xiàn)相關(guān)力矩的調(diào)整。該調(diào)整方法簡單便捷，調(diào)整裕度相對較小，可滿足大部分型號開關(guān)要求，為主要調(diào)整方式；通過更換不同參數(shù)彈簧實現(xiàn)力矩的調(diào)整。該方法較為繁瑣，但調(diào)整裕度大，可針對某些力矩與其他開關(guān)差別較大的特殊型號開關(guān)，作為方式⑴的補充，基本可實現(xiàn)所有型號開關(guān)的適配。經(jīng)試驗，一般采用2.0mm（線徑）×20mm（直徑）×60mm（高度）參數(shù)彈簧，可滿足大部分開關(guān)分閘要求。

因不同開關(guān)按壓深度差別不大，故頂桿伸出長度調(diào)整方式為調(diào)整后方接近開關(guān)位置，基本可滿足各型號開關(guān)要求。裝置原計劃增加分閘后自停功能，需將開關(guān)位置信號接點傳入裝置回路。因該工作必須現(xiàn)場進行、將耗費一定時間，考慮到開關(guān)拒分狀態(tài)下線路故障越級跳閘的風險，決定舍棄該功能，利用保護限位模塊實現(xiàn)開關(guān)分閘后的裝置停機功能。開關(guān)分閘成功后，裝置繼續(xù)輸出力矩，頂桿后推外殼直至靠近接近開關(guān)，最終實現(xiàn)裝置停機。

3.4 輔助部分

主要包括控制箱、定制手提盒等?，F(xiàn)場可將電源，控制模塊等置于控制箱內(nèi)，較為整潔。平時裝置存放于定制手提盒中，防止臨時消缺時部件遺失等情況發(fā)生。裝置總體布置圖4。

圖4 裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

4 安裝及使用說明

現(xiàn)場將三腳架置于合適位置，安裝開關(guān)式磁力座，確保底座穩(wěn)固。通過抱箍及固定桿將觸動模塊及旋鈕固定板固定在三角架上，使用時調(diào)整抱箍在固定桿上的位置將頂桿調(diào)節(jié)至合適位置。

觸動模塊和保護限位模塊作為一個整體部件，旋鈕固定模塊也是預先裝配的部件，并針對柜門上是否自帶緊急分閘按鈕確定是否調(diào)整旋鈕固定模塊。若開關(guān)柜帶緊急分閘按鈕，則需要先旋轉(zhuǎn)旋鈕至合適位置，并用固定板卡住，保證原開關(guān)柜的緊急分閘按鈕的內(nèi)部頂桿處于升起狀態(tài)。若開關(guān)柜不帶緊急分閘按鈕，則應將柜門打開，通過固定桿和抱箍調(diào)整觸動機構(gòu)的初始位置，此時旋鈕固定組件無需調(diào)整。確認各部分都連接到位，確保人員轉(zhuǎn)移至安全區(qū)域，便可通過遙控器來控制觸動模塊的頂桿來觸動按鈕實現(xiàn)分閘。經(jīng)測試，使用該裝置可在10～15分鐘內(nèi)完成故障開關(guān)分閘，可滿足現(xiàn)場消缺需求。

綜上，利用該裝置處理手車開關(guān)工作位置控回斷線缺陷，可在保證作業(yè)人員安全的前提下，無需耗費大量的時間倒負荷、停母線，短時間內(nèi)將故障開關(guān)分閘，大大降低了相關(guān)線路故障導致設(shè)備越級跳閘的可能性，對降低電網(wǎng)風險、提高供電可靠性有著積極意義。