一種基于分區(qū)開門結(jié)構(gòu)的高壓開關(guān)柜設(shè)計(jì)

徐寧 吳劍飛 金文軒 呂宣松 劉巍

摘要：高壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用。在現(xiàn)有的10 kV開關(guān)柜驗(yàn)電中，由于驗(yàn)電小車重量較大，需要多人操作將驗(yàn)電小車放在轉(zhuǎn)運(yùn)車上再進(jìn)行移動(dòng)，操作過(guò)程中容易夾到操作人員，造成安全事故。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及高壓開關(guān)柜，在開合過(guò)程中速度不會(huì)過(guò)快，更加安全可靠。

關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；驗(yàn)電小車；驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM76? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）10-0028-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.10.008

0? ? 引言

變電站是由高壓開關(guān)設(shè)備、低壓開關(guān)設(shè)備、配電變壓器、電能計(jì)量設(shè)備等組合成緊湊的成套配電裝置，用于居民小區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、中小型工廠、礦山油田及有臨時(shí)施工用電的場(chǎng)所[1-2]。在配電系統(tǒng)中變電站用于接收和分配電能，當(dāng)前城市變電站建設(shè)和改造采用的新型成套設(shè)備[3]既可用于環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)，也可用于雙電源或放射終端配電系統(tǒng)。

高壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、配電、電能轉(zhuǎn)換和消耗中起通斷、控制或保護(hù)等作用，主要適用于發(fā)電廠、變電站、礦山、石油化工、冶金軋鋼、輕工紡織和住宅小區(qū)等各種不同場(chǎng)合，開關(guān)柜具有架空進(jìn)出線、電纜進(jìn)出線、母線聯(lián)絡(luò)等功能。

在現(xiàn)有的10 kV開關(guān)柜驗(yàn)電中，由于驗(yàn)電小車重量較大，需要多人操作將驗(yàn)電小車放在轉(zhuǎn)運(yùn)車上再進(jìn)行移動(dòng)。而現(xiàn)有高壓開關(guān)柜的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)一般為直接帶動(dòng)活門在軌道上移動(dòng)，其開合速度較快，容易夾到操作人員。若現(xiàn)場(chǎng)工作人員誤操作，將手深入開關(guān)柜內(nèi)，就極易發(fā)生安全事故。

1? ? 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)缺陷

現(xiàn)有高壓開關(guān)柜操作過(guò)程中，為保證電力網(wǎng)安全運(yùn)行、確保設(shè)備和人身安全、防止誤操作，有五項(xiàng)防止電氣誤操作的內(nèi)容，主要包括：

（1）為防止帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)，高壓開關(guān)柜內(nèi)的真空斷路器小車在試驗(yàn)位置合閘后，小車斷路器無(wú)法進(jìn)入工作位置。

（2）為防止帶接地線合閘，高壓開關(guān)柜內(nèi)的接地刀在合位時(shí)，小車斷路器無(wú)法合閘。

（3）為防止誤入帶電間隔，高壓開關(guān)柜內(nèi)的真空斷路器在合閘工作時(shí)，盤柜后門用接地刀上的機(jī)械與柜門閉鎖。

（4）為防止帶電掛接地線，高壓開關(guān)柜內(nèi)的真空斷路器在工作時(shí)合閘，合接地刀無(wú)法投入。

（5）為防止帶負(fù)荷拉刀閘，高壓開關(guān)柜內(nèi)的真空斷路器在工作合閘運(yùn)行時(shí)，無(wú)法退出小車斷路器的工作位置。

因此，現(xiàn)有開關(guān)柜結(jié)構(gòu)為上下活門拐臂、中心軸、上下剪刀軸、剪刀軸、支撐架、固定板、彈簧；固定板安裝在高壓開關(guān)柜斷路器室內(nèi)的左右側(cè)板上，支撐架安裝在固定板上，中心軸安裝于固定板上，中心軸上套彈簧、上下活門拐臂；彈簧位于上下活門拐臂之間，上下剪刀軸安裝在上下活門拐臂上。上下活門拐臂連接在上下活門連桿靠下方的一端，上下活門連桿靠上方一端對(duì)應(yīng)連接上下活門板，上下活門板套在左右導(dǎo)桿上進(jìn)行上下滑動(dòng)，并由左右導(dǎo)桿上的定位銷限制上下運(yùn)動(dòng)的距離，相應(yīng)地就限制了上下活門拐臂間開啟的角度。該結(jié)構(gòu)有如下缺陷：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要轉(zhuǎn)運(yùn)小車操作，現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)人員可能會(huì)誤操作將手深入開關(guān)柜內(nèi)，極易造成人員觸電，形成安全隱患。

（2）開合速度較快，容易夾到操作人員，形成安全隱患。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提出了一種分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及高壓開關(guān)柜，在開合過(guò)程中速度不會(huì)過(guò)快，更加安全可靠。

2? ? 分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1? ? 分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成

分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2.2? ? 分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及高壓開關(guān)柜整體如圖2所示，該裝置為一種分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，主要包括基座、調(diào)節(jié)支架、調(diào)節(jié)從動(dòng)絲桿、驅(qū)動(dòng)軸。

（1）基座為一塊起固定作用的蓋板，用于固定調(diào)節(jié)支架與驅(qū)動(dòng)主軸。包括前蓋板和后蓋板，前蓋板和后蓋板之間安裝有左支架、右支架和驅(qū)動(dòng)軸。蓋板包括與前蓋板平行的后板體，以及與前蓋板通過(guò)螺釘連接的上折彎部、下折彎部，通過(guò)折彎部的長(zhǎng)度可以控制前蓋板和后蓋板之間的距離，該結(jié)構(gòu)只需對(duì)后蓋板進(jìn)行折彎加工，成本較低。

（2）調(diào)節(jié)支架是安裝在基座上的左支架、右支架。上折彎部的上側(cè)焊接有上橫梁套，左支架包括左上橫梁，右支架包括右上橫梁，左上橫梁和右上橫梁均安裝在橫梁套內(nèi)。左支架還包括左下橫梁，右支架還包括右下橫梁，左下橫梁和右下橫梁均安裝在下折彎部中，下折彎部中還設(shè)有橫梁導(dǎo)向塊，左下橫梁和右下橫梁上均設(shè)有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽的長(zhǎng)度方向與左支架、右支架的移動(dòng)方向相同，每個(gè)導(dǎo)向槽中至少安裝有兩個(gè)橫梁導(dǎo)向塊，橫梁導(dǎo)向塊的高度與導(dǎo)向槽的高度相同。

左上橫梁內(nèi)還安裝有左限位板，右上橫梁內(nèi)還安裝有右限位板，左限位板與左上橫梁的內(nèi)壁之間通過(guò)左拉伸彈簧連接，右限位板與右上橫梁的內(nèi)壁之間通過(guò)右拉伸彈簧連接；左限位板和右限位板上均設(shè)有限位槽，限位槽包括與驅(qū)動(dòng)軸外徑大小適配的第一轉(zhuǎn)動(dòng)槽和第二轉(zhuǎn)動(dòng)槽，第一轉(zhuǎn)動(dòng)槽和第二轉(zhuǎn)動(dòng)槽之間通過(guò)連接槽連接，連接槽的寬度小于第一轉(zhuǎn)動(dòng)槽和第二轉(zhuǎn)動(dòng)槽的內(nèi)徑，驅(qū)動(dòng)軸上設(shè)有可以在連接槽中移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)軸凹口部，高權(quán)限鎖包括用于將左限位板和右限位板在驅(qū)動(dòng)軸的軸向方向上撥到驅(qū)動(dòng)軸凹口部處的撥塊，撥塊位于左限位板和右限位板之間。

左支架上安裝有左螺套，左螺套適配安裝在左傳動(dòng)絲桿上，右支架上安裝有右螺套，右螺套適配安裝在右傳動(dòng)絲桿上。

（3）調(diào)節(jié)從動(dòng)絲桿分為左傳動(dòng)絲桿和右傳動(dòng)絲桿，一端安裝在驅(qū)動(dòng)主軸上，另一端用于調(diào)節(jié)支架。左傳動(dòng)絲桿的兩端安裝有左軸承和左軸承座，左軸承座固定安裝在蓋板上。右傳動(dòng)絲桿的兩端安裝有右軸承和右軸承座，右軸承座固定安裝在蓋板上。左支架包括左焊接件，左焊接件包括第一焊接件和第二焊接件，第一焊接件包括上安裝段、下安裝段和第一連接段，上安裝段與左上橫梁連接，下安裝段與左下橫梁連接，第二焊接件包括第二連接段和第二安裝段，第二連接段和第一連接段焊接，第二安裝段安裝在左下橫梁中。右支架包括與左焊接件結(jié)構(gòu)相同的右焊接件，該結(jié)構(gòu)使得焊接件強(qiáng)度更高。第一連接段和第二連接段相對(duì)左下橫梁的運(yùn)動(dòng)方向傾斜，傾斜的第一連接段和第二連接段可以提高對(duì)尺寸偏差的容許量。

（4）驅(qū)動(dòng)軸固定在基座下端，一端安裝有傘齒輪，用于安裝調(diào)節(jié)從動(dòng)絲桿組件。在活門開啟時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以帶動(dòng)傘齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)左傳動(dòng)絲桿和右傳動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得左螺套向左移動(dòng)，右螺套向右移動(dòng)，從而使得左支架向左移動(dòng)，右支架向右移動(dòng)，帶動(dòng)兩側(cè)的門板打開，而在活門復(fù)位過(guò)程中，即使活門受力較大，在螺套運(yùn)動(dòng)方向上的力都會(huì)被傳動(dòng)絲桿抵消，使得活門的移動(dòng)速度不會(huì)過(guò)快，更加安全可靠。

3? ? 基本原理

3.1? ? 活門傳動(dòng)原理

分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及高壓開關(guān)柜，包括前蓋板和后蓋板，前蓋板和后蓋板之間安裝有左支架、右支架和驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸的一端安裝有傘齒輪，前蓋板和后蓋板之間還安裝有左傳動(dòng)絲桿和右傳動(dòng)絲桿，左支架上安裝有左螺套，左螺套適配安裝在左傳動(dòng)絲桿上，右支架上安裝有右螺套，右螺套適配安裝在右傳動(dòng)絲桿上。通過(guò)調(diào)節(jié)支架組件與調(diào)節(jié)從動(dòng)絲桿組件的方式，實(shí)現(xiàn)輕量化的活門驅(qū)動(dòng)，操作方式簡(jiǎn)便。

開關(guān)柜的操作原理：通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以帶動(dòng)傘齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)左傳動(dòng)絲桿和右傳動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得左螺套向左移動(dòng)，右螺套向右移動(dòng)，從而使得左支架向左移動(dòng)，右支架向右移動(dòng)，帶動(dòng)兩側(cè)的門板打開。因此，該開關(guān)柜整體可看作調(diào)節(jié)支架通過(guò)調(diào)節(jié)從動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)開合，進(jìn)而帶動(dòng)兩側(cè)門板開合。

在活門復(fù)位過(guò)程中，即使活門受力較大，在螺套運(yùn)動(dòng)方向上的力都會(huì)被傳動(dòng)絲桿抵消，使得活門的移動(dòng)速度不會(huì)過(guò)快，更加安全可靠，解決了現(xiàn)有技術(shù)中高壓開關(guān)柜的活門開關(guān)速度過(guò)快，容易夾傷操作人員的問(wèn)題。當(dāng)需要進(jìn)行高壓開關(guān)柜活門驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。

3.2? ? 高壓開關(guān)柜檢修原理

開關(guān)柜內(nèi)空間包括位于中部的低權(quán)限區(qū)，以及位于低權(quán)限區(qū)兩側(cè)的高權(quán)限區(qū)。活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)還包括用于開啟開關(guān)柜內(nèi)低權(quán)限區(qū)的低權(quán)限鎖和用于進(jìn)一步開啟開關(guān)柜高權(quán)限區(qū)的高權(quán)限鎖。

高壓開關(guān)柜內(nèi)一般分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中安裝不同的組件，而不同組件對(duì)檢修人員的要求不同。例如：儀表室內(nèi)器件的電壓較低，檢查過(guò)程也以數(shù)值記錄為主，對(duì)檢修人員的要求較低；而母線室內(nèi)電壓較高，若操作不當(dāng)容易發(fā)生觸電事故。現(xiàn)有的工作環(huán)境中，一般安排固定的檢修人員同時(shí)檢修開關(guān)柜內(nèi)各個(gè)區(qū)域，對(duì)檢修人員的要求較高；而本方案中通過(guò)高權(quán)限鎖可以將檢修要求較高的區(qū)域與檢修要求較低的區(qū)域隔開，從而可以將檢修不同區(qū)域的任務(wù)分配給不同級(jí)別的檢修員，進(jìn)而節(jié)省人工成本，并且低權(quán)限的檢修員無(wú)法打開高權(quán)限區(qū)，可以避免經(jīng)驗(yàn)不足的檢修員誤操作導(dǎo)致的觸電事故。

上橫梁套內(nèi)還安裝有用于將被撥塊撥動(dòng)后的左限位板和右限位板復(fù)位的限位板復(fù)位結(jié)構(gòu)，在活門被完全關(guān)閉后，左限位板和右限位板會(huì)在驅(qū)動(dòng)軸軸向上復(fù)位，而當(dāng)左限位板和右限位板在軸向上復(fù)位前，活門的高權(quán)限區(qū)一旦打開，就處于可反復(fù)打開的狀態(tài)，便于檢修人員暫時(shí)關(guān)閉高權(quán)限區(qū)從而進(jìn)行接電測(cè)試。

需要對(duì)低權(quán)限區(qū)進(jìn)行檢修操作時(shí)，低權(quán)限鎖插銷從驅(qū)動(dòng)軸退出，從而使得驅(qū)動(dòng)軸處于可轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)兩側(cè)的門板向外打開，此時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)軸位于第一轉(zhuǎn)動(dòng)槽內(nèi)，左限位板和右限位板受到驅(qū)動(dòng)軸的限位無(wú)法水平移動(dòng)，因此，左限位板和左上橫梁、右限位板和右上橫梁之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，并使得左拉伸彈簧和右拉伸彈簧被拉長(zhǎng)，待彈簧拉伸到一定長(zhǎng)度后，左限位塊碰到左限位座，右限位塊碰到右限位座，左支架和右支架無(wú)法再繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)，低權(quán)限區(qū)被打開，而高權(quán)限區(qū)仍處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)檢修人員完成檢修后，左拉伸彈簧和右拉伸彈簧可以使得左支架和右支架自動(dòng)復(fù)位；當(dāng)需要對(duì)高權(quán)限區(qū)進(jìn)行檢修操作時(shí)，高權(quán)限的檢修人員將高權(quán)限鎖撥動(dòng)，從而使得左限位板向下?lián)軇?dòng)，右限位板向上撥動(dòng)，并且都移動(dòng)到驅(qū)動(dòng)軸凹口部處，此時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)軸凹口部可以通過(guò)連接槽，左限位板和右限位板可以在驅(qū)動(dòng)軸的徑向上移動(dòng)，從而使得左支架和右支架可以移動(dòng)更遠(yuǎn)的距離，進(jìn)而使得高權(quán)限區(qū)被打開。

當(dāng)?shù)蜋?quán)限的檢修員在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需要打開高權(quán)限區(qū)域進(jìn)行維修時(shí)，可以通知高權(quán)限的檢修員，在活門處于低權(quán)限區(qū)打開的情況下進(jìn)一步打開，其過(guò)程為：通過(guò)高權(quán)限鎖的撥塊將左限位板和右限位板撥到驅(qū)動(dòng)軸凹口部處，在左拉伸彈簧和右拉伸彈簧的作用下，左限位板向左移動(dòng)，右限位板向右移動(dòng)，使得左限位塊和左限位座分離、右限位塊和右限位座分離，此時(shí)，左支架和右支架可以進(jìn)一步向外打開。

當(dāng)高權(quán)限區(qū)域在維修過(guò)程中需要暫時(shí)關(guān)閉時(shí)，例如，母線室的母線需要更換時(shí)，需要斷電后打開高權(quán)限區(qū)，而判斷更換母線后開關(guān)柜是否正常工作需要關(guān)閉高權(quán)限區(qū)并接電進(jìn)行檢測(cè)，這會(huì)導(dǎo)致高權(quán)限區(qū)需要反復(fù)開啟，而高權(quán)限區(qū)開啟一次后，左限位板和右限位板均處于驅(qū)動(dòng)軸凹口部中，可以在不動(dòng)用高權(quán)限鎖的情況下反復(fù)開啟高權(quán)限區(qū)，直到檢修完全完成后，限位板復(fù)位結(jié)構(gòu)使得左限位板和右限位板在驅(qū)動(dòng)軸的軸向上復(fù)位，高權(quán)限區(qū)才再次處于鎖死狀態(tài)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

環(huán)網(wǎng)柜本身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、聯(lián)鎖可靠等特點(diǎn)，對(duì)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合、不同用戶要求均能提供令人滿意的技術(shù)方案。傳感技術(shù)和最新保護(hù)繼電器的采用，加上先進(jìn)的技術(shù)性能及輕便靈活的裝配方案，可以完全滿足市場(chǎng)不斷變化的要求。

但其也存在諸多操作不便的缺陷及安全隱患，而本文所設(shè)計(jì)的分區(qū)開門的活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及高壓開關(guān)柜，相比于傳統(tǒng)的10 kV開關(guān)柜具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）活門復(fù)位過(guò)程中不會(huì)移動(dòng)過(guò)快，更加安全可靠；（2）該活門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本較低；（3）該高壓開關(guān)柜活門驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高；（4）可以將檢修要求較高的區(qū)域與檢修要求較低的區(qū)域隔開，從而將檢修不同區(qū)域的任務(wù)分配給不同級(jí)別的檢修員，進(jìn)而節(jié)省人工成本；（5）高權(quán)限區(qū)被打開一次后，在活門完全關(guān)閉前可以被反復(fù)打開，便于檢修人員檢修。

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收稿日期：2023-02-06

作者簡(jiǎn)介：徐寧（1987—），男，吉林人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)配電柜。