10k V開關(guān)手車電動(dòng)操作工具的研制

山東青島供電公司 吳子雙 孫淑敏 劉立坤

0 引言

中置式開關(guān)柜主要用于發(fā)電廠，中小型發(fā)電機(jī)的送電，電力系統(tǒng)二次變電所的受電、送電，工礦企事業(yè)單位的配電，以及大型高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)等[2]。而大部分變電站內(nèi)開關(guān)柜開關(guān)手車僅能手動(dòng)操作的現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約了企業(yè)能效的提高。

1 目前開關(guān)手車操作存在的問題

開關(guān)手車的手動(dòng)操作工具為長(zhǎng)約30厘米的鐵質(zhì)搖柄，操作過(guò)程不僅耗費(fèi)體力巨大，還存在搖柄脫落的隱患。筆者在某35kV變電站進(jìn)行10kV中置式開關(guān)柜操作試驗(yàn)，記錄操作過(guò)程中出力與圈數(shù)的關(guān)系。如圖1.1-1.4所示：

圖1 .1 10kV主變開關(guān)柜出力圖

圖1 .2 10kV電容器開關(guān)柜出力圖

圖1 .3 10kV分段開關(guān)柜出力圖

圖1 .4 10kV線路開關(guān)柜出力圖

從圖中可以看出，最大瞬時(shí)出力為277.6N。以該變電站2015年6月30日?qǐng)?zhí)行的一張操作票為例，該任務(wù)要求連續(xù)操作49臺(tái)開關(guān)手車，對(duì)操作人員的體力提出了極高要求。

為了研究搖柄脫落頻率，筆者在35kV某變電站進(jìn)行10kV開關(guān)手車操作試驗(yàn)。選取5名運(yùn)維人員在同一開關(guān)柜分別進(jìn)行搖進(jìn)、搖出手車試驗(yàn)各五次，發(fā)現(xiàn)人均單次操作脫落次數(shù)為1.02次。若手車搖柄在動(dòng)靜觸頭即將接觸時(shí)突然脫落[3]，動(dòng)靜觸頭間將發(fā)生放電，開關(guān)柜處于高度危險(xiǎn)狀態(tài)[4]，操作人員人身安全難以保全。

2 本文提出的解決方法

筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款開關(guān)手車電動(dòng)操作工具，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖2所示：

圖2 開關(guān)手車電動(dòng)操作工具簡(jiǎn)圖

筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從以下6個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分解：

電源選擇、電機(jī)選擇、制動(dòng)方案設(shè)計(jì)、控制回路設(shè)計(jì)、防脫落方案設(shè)計(jì)以及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 電源的選擇

筆者選定直接從墻面插座取220V交流電作為裝置電源。 在對(duì)青島市域變電站調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，開關(guān)柜距墻面插座最大長(zhǎng)度為9.8米，因此最終選定長(zhǎng)度為10米的電源線。

2.2 電機(jī)選擇

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)操作速度約為1.5圈/秒，手車搖柄長(zhǎng)度為0.14米。依據(jù)功率計(jì)算公式[5]：

其中，F(xiàn)為力，S為手車搖柄行進(jìn)的距離，t為時(shí)間。手車搖柄行進(jìn)距離為：

計(jì)算電機(jī)所需功率為：

因此筆者選擇了一款帶調(diào)速器功率為400W的單相交流異步電機(jī)。

2.3 制動(dòng)方案

交流異步電動(dòng)機(jī)取電方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，但其本身并不具備制動(dòng)的能力。手車在操作過(guò)程中若出現(xiàn)異常情況，如機(jī)構(gòu)閉鎖、機(jī)械卡澀時(shí)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)停車，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，避免損壞開關(guān)設(shè)備[7]。筆者綜合考慮方案難度和制動(dòng)性能，選定安全離合器作為制動(dòng)裝置[8]。

根據(jù)扭矩公式：

計(jì)算最大扭矩：

根據(jù)某公司提供的型號(hào)數(shù)據(jù)，筆者最終選用TL250-2型安全離合器。

3 設(shè)計(jì)方案檢驗(yàn)

在筆者的不懈努力下，完成了電動(dòng)操作工具的安裝調(diào)試工作，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，接下來(lái)對(duì)最初設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1 做功校驗(yàn)

前文已將整個(gè)操作過(guò)程分為取操作工具、操作、放回操作工具三個(gè)過(guò)程，由此展開做功計(jì)算[9]。經(jīng)過(guò)算分析，移動(dòng)電動(dòng)工具需要施加的拉力為22.3N。

電動(dòng)操作時(shí)，忽略搖進(jìn)、搖出手車所做的功，得到：

手動(dòng)操作時(shí)忽略取、放搖柄所做的功，一次完整的停送電過(guò)程只計(jì)入操作兩次開關(guān)手車的功。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)工具需移動(dòng)距離越遠(yuǎn)，其優(yōu)勢(shì)越不明顯。然而，即便是在電動(dòng)工具距離需操作的開關(guān)柜20m的極端條件下，仍能節(jié)省做功53.6%！

3.2 脫落次數(shù)校驗(yàn)

為了有效、直觀的檢驗(yàn)電動(dòng)操作工具的防脫效果，筆者再次到某變電站進(jìn)行開關(guān)手車操作試驗(yàn)。5名運(yùn)維人員分別手動(dòng)、電動(dòng)操作同一開關(guān)柜5次，脫落次數(shù)降為0。

4 應(yīng)用前景及意義

開關(guān)手車電動(dòng)工具投入使用后，操作過(guò)程做功減少了50%以上，有效減輕工作負(fù)擔(dān)。同時(shí)改進(jìn)了傳統(tǒng)搖柄易脫落的弊端，在控制模塊中嵌入遙控裝置[10]，確保人員人身安全。10kV開關(guān)手車的電動(dòng)工具推廣使用后，有效縮短操作時(shí)間，提高工作效率，優(yōu)化資源分配，增強(qiáng)了供電可靠性和企業(yè)效益。

[1]劉英肖.10kV手車式開關(guān)柜絕緣技術(shù)改進(jìn).

[2]吳健.35kV開關(guān)手車操作搖柄的改進(jìn).

[3]梅正南.手車式開關(guān)柜安全漏洞分析及治理方案.

[4]趙俊,呂旭軍.對(duì)一起10kV封閉式開關(guān)柜手車觸頭燒毀事故的分析與建議.

[5]王秀敏.大學(xué)物理,2008.

[6]吳洪洋.高功率多電平變換器的研究和應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2000,30(2):7-12.

[7]王樹強(qiáng).10kV配電系統(tǒng)高壓柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn).

[8]許傲然,張柳,劉峰,張翼.Crowbar電路在低電壓穿越技術(shù)中的研究[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2014(1):35-37.

[9]王平.太陽(yáng)電池測(cè)試儀中數(shù)學(xué)模型的建立[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2002(4).

[10]劉志華,康現(xiàn)偉,于克訓(xùn).SVPWM 整流器的三種矢量合成方法及其比較[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2005,27(2).