一種新型變電站內(nèi)狹窄區(qū)域軌道運(yùn)輸車的研究應(yīng)用

國網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司 解詩銳 孫思昂 陳 琦

1 引言

當(dāng)前，我國對電力產(chǎn)生較大的需求，大型智能電網(wǎng)的構(gòu)建是電力系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，而變電站是電網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的部分。

變電站內(nèi)大型電氣設(shè)備在正常使用情況下導(dǎo)致的老化，或偶然因素導(dǎo)致的相關(guān)設(shè)備損壞，會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。變電站現(xiàn)場維修環(huán)境具有線路復(fù)雜，設(shè)備繁多，空間狹窄等特殊性，如何在降低成本的情況下，滿足電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行是當(dāng)前亟須解決的問題。

因此，從安全角度進(jìn)行考量變電站狹窄區(qū)域施工，針對電力設(shè)備吊裝作業(yè)的不便之處，研制了一套作業(yè)于狹窄區(qū)域大件電氣設(shè)備的軌道運(yùn)輸車，以期解決吊裝作業(yè)時(shí)相鄰設(shè)備不需陪停，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)檢修過程主網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 吊機(jī)設(shè)備作業(yè)過程的問題

2.1 擴(kuò)大停電范圍

電氣設(shè)備發(fā)生異常、故障需停電更換處理時(shí)，由于電力設(shè)備物理空間緊湊，容易出現(xiàn)吊機(jī)安全作業(yè)距離不足的情況，這需要相鄰的帶電間隔、母線工作陪停，以確保吊機(jī)的安全運(yùn)行。

以某500kV變電站35kV設(shè)備為例，單間隔設(shè)備與相鄰間隔通常為4m，距離最近的只有2.2m；單間隔檢修設(shè)備距離35kV母線的最小距離為3m，均不滿足電力安全規(guī)定的施工機(jī)械作業(yè)安全距離（35kV≥4m，220kV≥6m，）吊機(jī)無法進(jìn)入施工。

因相鄰間隔或母線不滿足吊機(jī)安全作業(yè)距離時(shí)，只能將相鄰間隔或整條母線陪停，擴(kuò)大了電力設(shè)備的停電范圍，降低了電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。如果遇到陪停的間隔為保供電間隔，不滿足陪停條件，則會造成整個(gè)檢修工作進(jìn)度的延期，若需檢修的設(shè)備無法及時(shí)更換，會增加電網(wǎng)運(yùn)行的不穩(wěn)定性，甚至造成電力系統(tǒng)事故。

2.2 安全隱患

變電站狹窄區(qū)域進(jìn)行檢修工作通常需要使用吊機(jī)，但受限于變電站設(shè)備間空間大小，部分區(qū)域無法使小型汽車起重機(jī)順利進(jìn)入并更換大型電氣設(shè)備，而且留給吊機(jī)的安全作業(yè)空間有限，存在觸電的安全風(fēng)險(xiǎn)。

變電站內(nèi)場地地面有電纜蓋板、草坪和石子路，這類型路況容易下陷，且電纜蓋板承重有限，導(dǎo)致吊機(jī)支撐受力情況復(fù)雜，增加吊機(jī)使用的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，對其監(jiān)護(hù)缺失或?qū)嶋H可操作環(huán)境有偏差時(shí)，存在安全隱患，易發(fā)生安全事故。

3 專用吊架作業(yè)中存在的問題

變電站內(nèi)除了使用吊機(jī)進(jìn)行吊裝，通常還會使用一種專用吊架進(jìn)行吊裝。圍繞檢修設(shè)備四周搭建吊架，在吊架頂部裝有吊裝裝置。吊裝裝置將檢修設(shè)備拆除吊裝至一旁，再運(yùn)輸至空地。此種吊裝方式下，吊架在被吊設(shè)備周圍1m內(nèi)便可完成組裝，吊裝平臺的使用高度能調(diào)整并固定，組裝、操作人員在吊架內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，橫向、縱向作業(yè)距離精準(zhǔn)可控[1]。

專用吊架在狹窄區(qū)域的實(shí)用性更強(qiáng)，但目前仍難以解決的問題是吊裝下的電氣設(shè)備需要靠人力運(yùn)輸至空地，狹窄空間不利于人員安全作業(yè)。

由于變電站內(nèi)地形復(fù)雜，道路高低不平，電力設(shè)備較重，人力運(yùn)輸?shù)跹b拆下的檢修設(shè)備比較困難，且存在諸多不安全因素，因此研制一套狹窄區(qū)域大件電氣設(shè)備軌道運(yùn)輸車，與專用吊架配套使用對主網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

4 軌道運(yùn)輸車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及技術(shù)路線

該軌道運(yùn)輸車主要由臺車（車架）、驅(qū)動(dòng)裝置、平車輪組、連接緩沖裝置及供電導(dǎo)電裝置、電氣控制系統(tǒng)及其相關(guān)附件組成。設(shè)備采用軌道平臺式結(jié)構(gòu)，由電氣控制平臺車在軌道上做來回運(yùn)動(dòng)，達(dá)到短距離運(yùn)輸電力設(shè)備的目的。

軌道運(yùn)輸車采用電力驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性能較機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)要快得多，因此軌道運(yùn)輸車具備良好的加減速能力[2]。整車平臺運(yùn)輸適用于狹窄區(qū)域電氣設(shè)備的運(yùn)輸，且該設(shè)計(jì)能保證平板車裝運(yùn)、運(yùn)行穩(wěn)定、安全，無掉軌、卡軌和脫軌等故障，各機(jī)構(gòu)的布置應(yīng)合理，安裝、維護(hù)和拆卸更換方便，備品備件易于采購[3]。

4.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)選型

4.1.1 車軌

車軌是軌道運(yùn)輸車行走的保障，也是整個(gè)軌道運(yùn)輸車的基礎(chǔ)部件，主要由80m的12#型H型鋼作為主要材料，0.1m×0.25m×150m的矩形管作為軌道枕，0.08m×0.4m×0.008m的軌道搭接板作為連接體，不僅能承受車身質(zhì)量，而且能夠讓車身順暢地進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 H型鋼軌

軌道運(yùn)輸車在作業(yè)過程中，車體將受到不同方向的載荷傳遞給車軌，分別包括垂向載荷、橫向載荷和縱向載荷，還需要克服車輪與鋼軌之間的牽引力及制動(dòng)力。同時(shí)，車輪和鋼軌之間產(chǎn)生的黏著力能夠控制運(yùn)輸車分別進(jìn)行高、低速作業(yè)并實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

4.1.2 車身結(jié)構(gòu)

軌道運(yùn)輸車由車載電源作為動(dòng)力源，共有兩個(gè)0.8kW電機(jī)，該車采用后輪驅(qū)動(dòng)的形式，主要用于軌道車輛的走行操作，同時(shí)采用遠(yuǎn)程控制運(yùn)輸車的行進(jìn)。

實(shí)際在電力系統(tǒng)維修中的道路環(huán)境較為復(fù)雜，主要為電纜蓋板、草坪和石子路，軌間距為1m，為了應(yīng)對復(fù)雜的道路環(huán)境，導(dǎo)向輪必然選擇H型重型軌道輪，導(dǎo)向輪與鐵軌之間為彈性接觸，主要作用是確保車體可以在軌道環(huán)境上運(yùn)行，不僅需要分擔(dān)車體重量，同時(shí)抑制車體在高速行駛時(shí)可能出現(xiàn)的側(cè)向偏移。4只直徑為120mm的H型重型軌道輪作用于H型鋼上，在鐵軌上的運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

為了能夠承受車身重量及更換的電氣設(shè)備的重量，車架采用板架結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足主要承重構(gòu)件材質(zhì)和厚度使用要求，采用國標(biāo)大型工字鋼，型號為1.5m×1.5m×0.005m的不銹鋼板架，同時(shí)臺面開檢修孔，檢修孔蓋板強(qiáng)度不低于臺面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了減小電氣設(shè)備對軌道運(yùn)輸車的沖擊力，在板架材料上添加一層1.5m×1.5m×0.008m的橡膠墊，如圖2所示。

圖2 軌道運(yùn)輸車

在滿足變電站內(nèi)狹窄區(qū)域通過的前提下，可運(yùn)輸電抗電容器（油抗、油容）、所用變、流變、壓變、避雷器、開關(guān)極柱等電氣設(shè)備。

4.2 導(dǎo)向裝置

為了滿足解決故障部位大型電氣設(shè)備需求，軌道車設(shè)置轉(zhuǎn)向和懸掛系統(tǒng)，采用導(dǎo)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來控制車體的直線運(yùn)行[4]。導(dǎo)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是為了滿足狹窄區(qū)域變電站內(nèi)的軌道路面。導(dǎo)向系統(tǒng)包括導(dǎo)向輪、導(dǎo)向橋和導(dǎo)向架。導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)靈活自如，軸承采用國產(chǎn)名牌產(chǎn)品。軸承座和減速機(jī)軸承蓋內(nèi)裝潤滑脂，尤其在透蓋的密封槽處，需要充滿潤滑脂。由于變電站內(nèi)的工程要求，軌道車能夠在一條鐵軌上直線往復(fù)運(yùn)行，導(dǎo)向橋設(shè)計(jì)為前后兩對。導(dǎo)向架是連接導(dǎo)向橋和車身的裝置，也起著固定導(dǎo)向輪的作用。

4.3 制動(dòng)系統(tǒng)

軌道運(yùn)輸車采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率大小是軌道運(yùn)輸車效率的關(guān)鍵因素，其運(yùn)行性能主要取決于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型和性能。軌道運(yùn)輸車前端的電纜卷筒將380V電纜線接入軌道運(yùn)輸車的電氣控制系統(tǒng)，通過直流牽引電機(jī)作用，給軌道運(yùn)輸車電機(jī)提供動(dòng)力。電纜卷筒安裝在軌道運(yùn)輸車下方，通過軌道運(yùn)輸車的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)電纜線的收放。

電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩大系統(tǒng)共同組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其技術(shù)路線圖如圖3所示。機(jī)械系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)車輪和傳動(dòng)裝置構(gòu)成，電氣系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器及各種傳感器等組成的控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)的主要任務(wù)是通過外部傳感器的信號輸入，再通過內(nèi)部處理后，輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，達(dá)到控制電機(jī)輸入功率的目的，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，電機(jī)輸出的動(dòng)力通過變速器傳動(dòng)裝置傳遞到軌道運(yùn)輸車的車輪，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎等走行步驟。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

軌道運(yùn)輸車通過配備減速機(jī)實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)的目的，采用電動(dòng)平板車專用抱軸式減速機(jī)，齒面為中硬齒面，齒輪副精度不低于GB10095中的887級。一對嚙合齒輪的齒面硬度：小齒輪不得低于240HB，大齒輪不得低于187HB。減速機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音不大于82（dB）A，減速機(jī)箱體采用板焊結(jié)構(gòu)。

4.4 電氣系統(tǒng)要求

軌道運(yùn)輸車采用三相低壓供電形式。操作方式為按鈕開關(guān)盒隨車操作，按鈕盒設(shè)有正、反、停三個(gè)按鈕[5]。軌道運(yùn)輸車電氣控制箱內(nèi)設(shè)有短路保護(hù)、過流保護(hù)等功能。短路保護(hù)。總電源回路設(shè)置的自動(dòng)空氣開關(guān)，作為軌道運(yùn)輸車的短路保護(hù)，控制回路設(shè)置熔斷或小容量空氣開關(guān)作為短路保護(hù)。過流保護(hù)。軌道運(yùn)輸車走行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)設(shè)有單獨(dú)的過流繼電器，作為過流保護(hù)，其瞬間動(dòng)作的整定值為所保護(hù)電動(dòng)機(jī)額定電流的2.5倍。

軌道運(yùn)輸車的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證傳動(dòng)性能、控制性能和保護(hù)性能安全、準(zhǔn)確可靠。電氣設(shè)備和電氣元件應(yīng)與軌道運(yùn)輸車的機(jī)構(gòu)特性、工況條件、環(huán)境條件和使用條件相適應(yīng)。所有電氣設(shè)備，特別是電氣柜、位置開關(guān)等均應(yīng)為防潮、防塵。在額定條件下工作時(shí)，其溫升及其他技術(shù)指標(biāo)符合相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4.5 控制系統(tǒng)

為避免軌道運(yùn)輸車在工作狀態(tài)對變電站內(nèi)電氣設(shè)備造成損壞，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要通過激光雷達(dá)、紅外傳感器等感知設(shè)備對軌道運(yùn)輸車進(jìn)行感知和控制。激光雷達(dá)系統(tǒng)在變電站內(nèi)能夠?qū)壍肋\(yùn)輸車周邊電氣設(shè)備等障礙物全向感知，得到障礙目標(biāo)的深度信息，檢測精度至厘米級。

利用多個(gè)傳感器采集變電站內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取軌道周圍電氣設(shè)備等障礙物信息，對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。環(huán)境感知模塊為軌道運(yùn)行車提供其周圍障礙物相對距離等數(shù)據(jù)，為后續(xù)控制決策提供數(shù)據(jù)支撐。軌道運(yùn)輸車的運(yùn)動(dòng)控制模塊分為縱向控制和橫向控制，縱向控制是對車速進(jìn)行跟蹤，通過制動(dòng)系統(tǒng)保證車輛安全穩(wěn)定運(yùn)行，由橫向控制實(shí)現(xiàn)無人車的路徑跟蹤。通過以上傳感器信號的處理，對軌道運(yùn)輸車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和終止程序，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，避免發(fā)生事故。

5 軌道運(yùn)輸車的應(yīng)用

500kV XX變6號主變2號電容器限流電抗器、6號主變3號電容器限流電抗器需要停電更換。經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，需要更換的限流電抗器正上方存在6號主變220kV跨線。6號主變220kV跨線高度14m，弧垂為1.5m，跨線實(shí)際和5m高的限流電抗器相差6.5m。如果使用吊機(jī)更換限流電抗器，考慮到吊機(jī)大勾、鋼絲繩、吊帶、吊臂的高度，吊機(jī)的作業(yè)距離小于6米，不滿足施工機(jī)械作業(yè)安全距離，220kV要大于等于6m。此時(shí)，更換6號主變2號電容器串抗和6號主變3號電容器串抗需要將6號主變陪停，擴(kuò)大了檢修工作的停電范圍。結(jié)合以上情況，現(xiàn)場采用電動(dòng)軌道運(yùn)輸車和專用吊架吊裝的方法。

一種軌道板運(yùn)輸車的電控系統(tǒng)建筑機(jī)械化在拆除電抗器連接導(dǎo)線后，在單個(gè)電抗器四周和旁邊的空地上搭建鋁合金吊架，組成“雙口”字結(jié)構(gòu)。吊架共計(jì)三層，分為支撐層、中間層、吊裝層，最大高度為6.3m，與帶電跨線距離為6.2m，滿足施工機(jī)械作業(yè)安全距離。

吊架安裝完畢后，吊裝層的吊裝裝置負(fù)責(zé)吊起舊電抗器，然后拉動(dòng)吊裝裝置移動(dòng)平臺上的鏈條葫蘆，使吊裝裝置帶著舊電抗器平移到相鄰的吊架框架內(nèi)部，再緩慢放下舊電抗器落在電動(dòng)軌道運(yùn)輸車上。用吊帶將舊電抗器固定，軌道運(yùn)輸車將舊電抗器拉至空曠的材料堆放區(qū)，并裝載新電抗器運(yùn)回并安裝。采用電動(dòng)軌道運(yùn)輸車和專用吊架吊裝結(jié)合使用的方法，減少了電力設(shè)備的停電范圍，加強(qiáng)了吊裝作業(yè)的安全性，保證了狹窄區(qū)域內(nèi)檢修作業(yè)的工期進(jìn)度。

6 結(jié)論

綜上所述，本軌道運(yùn)輸車適用于變電站狹窄區(qū)域的電力設(shè)備的運(yùn)輸，與專用吊架配合使用，減少了更換大型電氣設(shè)備所帶來的安全隱患，提升大件電氣設(shè)備運(yùn)輸安全管控，減少電力設(shè)備停電時(shí)間，降低經(jīng)濟(jì)影響范圍，提高了電網(wǎng)的可靠性。同時(shí)，適用于各電壓等級、各類型大件電氣設(shè)備吊裝更換，經(jīng)濟(jì)效益明顯，實(shí)用性強(qiáng)。