開關柜電動底盤車的過去、現在和未來

/溫州興機電器有限公司 章如海 王瑞元/

開關柜電動底盤車的過去、現在和未來

/溫州興機電器有限公司 章如海 王瑞元/

本文介紹電動底盤車的開發目的、發展歷史、技術參數、各種結構的傳動特性以及各自的優缺點；并對電動底盤車進行系統的分類，介紹了電動底盤車智能配套，模擬檢測方法以及現階段電動底盤車的問題點匯總。此外還介紹了電動底盤車的整個發展情況，電動底盤車的研發史，分析了電動底盤車的后續發展動態及達到世界先進企業所需采取的措施。

自能電網；電動底盤車；控制模塊；離合器；斷路器；智能模塊

0　引言

鎧裝移開式開關柜中手車的蓬勃發展到電動底盤車的出現并非偶然。

我國核電、高鐵、機場等高端產品的出口量在不斷上升，與其配套的高壓開關柜必須有高的供電連續性，以保證對各場所的供電可靠性。高端產品配套的12～40.5kV鎧裝高壓開關柜有鎧裝移開式與鎧裝固定式兩種類型，固定式與移開式相比較哪一種更好？判斷設備是否實用的主要準則應該是：開關設備的運行連續性。

圖1所示故障不可避免，為了增加開關設備的可靠性和連續運行性。第一，要降低產品的故障率，使產品的平均無故障時間加長（曲線2所示）；第二，由于故障不可避免，要在產品結構上采取措施，萬一發生故障時，可以通過快速維護維修恢復其功能，滿足供電連續性的要求。

圖1　設備故障率浴盆曲線示意

固定柜（包括C-GIS和AIS等）的優點在于絕緣結構和機械傳動結構相對簡單，出現故障的幾率會低（線2）。但其缺點是出現故障時，檢修非常不方便，停電時間長。

移開式（KYN）的優點是安裝在開關柜的手車能快速更換，因而出現故障后，停電時間大為縮短。

由于移開式手車上的斷路器性能的不斷提高，結構穩定成熟，產品的平均無故障時間不斷加長。為了進一步提高KYN（可移出式開關柜）的可靠性，需要不斷加強底盤車的可靠性增長和創新工作。

1　電動底盤車的主要功能

1.1 常規底盤車的功能

底盤車在抽出式開關柜中用于承載故障率較高的電器元器件，如斷路器、負荷開關，互感器、接地開關等，將其推進及退出開關柜，與開關柜供電回路接通或斷開。在相應電氣元器件出現故障時，能在很短時間內進行更換，以大大縮短停電時間，提高供電連續性。

功能齊全：車架用于斷路器承載，鎖板和左板用于斷路器聯鎖，絲桿用于搖進搖出，靜車架部分用于手車固定和拉出，聯鎖板用于配合接地開關聯鎖。

底盤車與斷路器機構及相應電氣元器件中的聯鎖機構配合工作時，能滿足GB3906中的“五防”聯鎖要求。

1.2 底盤車的兩個位置狀態

底盤車和元器件裝配后，按照整體狀態可以分為柜外隔離位置狀態（斷路器處于分斷狀態，二次回路斷開：試驗位置狀態）和柜內位置狀態（使用狀態：工作位置狀態）。

根據位置狀態不同，手車式可以設計成以下四種推進方式：四連桿式手車；剪刀式手車；直推式手車；絲桿搖進進式手車。

KYN28柜中的絲桿搖進式，以其精簡的結構、完善的功能和合理的人性化操作慢慢占領了大部分中壓柜的市場。

底盤車的三個階段：手動底盤車——自動底盤車——智能底盤車。

現階段我國已經初步展開手動到電動的過程，為將來智能化做鋪墊。

2　底盤車和電動底盤車的發展

電動底盤車的第一代研發至今已經有十幾年的歷史。

迄今為止，電動底盤車產品已經從第一代升級到第四代，控制模塊也已經發展到第四代智能控制器。

2.1 電動底盤車的四代內容

本公司電動底盤車的研發過程，基本代表了國內電動底盤車的發展史，四代電動底盤車的結構代表了現在流行通用的幾種模式。

第一代：電動底盤車電機水平安裝到定位機構上。第二代：電動底盤車電機垂直安裝在斷路器內部。第三代：電動底盤車電機放置于固定板內部，采用兩種傳動結構，絲桿傳動結構和絲母傳動結構。

第四代：電動底盤車電機、離合分離塊式結構。

2.2 電動底盤車的發展簡述第一代與日企合作開發，靜車架搖進機構式電動底盤車。第二代吸收國外優秀的底盤車標準化概念，電機垂直型設計。

第三代自主研發臥式電動底盤車，并設計兩種傳動原理，開創國內自主專利的電動底盤車先河。

第四代自主發明新型小型化高強度超越離合器，優化電動底盤車結構。

從自主研發開始，興機電器已經開始設計小型化電機，將電機安裝到底盤車之內，解決了國內外眾多電動底盤車通用性的要求，讓電動底盤車迅速發展。第一次采用小型化電機設計；采用臥式電動底盤車結構，電機放置底盤車內部；采用新型離合器；從原理開始分化絲母傳動和絲桿傳動兩種傳動方式。

現在這種臥式電動底盤車已經被國內外各大知名企業采用，成為電動底盤車市場的主流結構。

未來電動智能底盤車會向著電機越來越小、傳動性能越來越好、結構越來越簡單、實用性越來越強等幾個方向發展。

3　電動底盤車的分類與分析

3.1 電動底盤車的詳細分類及優化選擇過程

電動底盤車的作用：自動控制、信息傳遞、手動和電動搖進搖出。

結構可以分：手動底盤車、電動機、連接傳動部分和控制部分。結構設計的重點：設備的可靠性、運行連續性及市場適應性。

電動底盤車的設計歷程如圖2所示。

圖2　電動底盤車進化分解

經過不斷優化、不斷驗證，選擇最為合理的結構——臥式電機鏈輪型絲桿傳動電動底盤車。

3.1.1 外傳動和內傳動的優先選擇——內傳動

外傳動推進底盤車機構（電動柜）：傳動部分在柜體之上，底盤車只做承載和相關聯鎖的作用。

內傳動電動推進底盤車機構（電動底盤車）：傳動系統在底盤車上，并且滿足原先手動底盤車的所有功能。

由于內傳動結構對柜體和斷路器要求不高、結構緊湊，擁有超強適配性，所以電動底盤車的設計也是朝著這個方向發展，經過十多年的努力，電動底盤車慢慢走向成熟，下面對這種底盤車自身電動結構進行分解。

3.1.2 內傳動的傳動結構分解——絲桿傳動

切換的兩種結構：

1）絲母型傳動。手動搖動時，絲母鎖定，絲桿搖動；電動操作時絲桿鎖定，絲母轉動，用此分離手動和電動之間的切換。

2）絲桿型傳動。手動和電動操作絲母都不動，都使用絲桿搖動，通過離合器分離手動和電動之間的切換。

傳動的兩種位置：

1）定位架傳動。電機安裝在定位架上。

2）動車架傳動。電機安裝在動車架上。

3.1.3 絲母型傳動

絲母型傳動又叫獨立式傳動（見圖3），手動電動各自獨立，我公司于十幾年前就申報了發明專利。

這種結構電動部件有電機（帶減速機）、傳動部分、活動絲母、絲杠四個部分。根據傳動部分的傳動方式不同，大致可以分為：傘齒輪傳動、普通直齒輪傳動、鏈傳動。

圖3　絲母型傳動

優點：電機小型化；機械保護性離合器；絲母絲桿獨立傳動。

缺點：輔助切換繁瑣；到位精度差；結構非常規。

電動底盤車的傳動速度都不高，傳動效率近似，所以三種傳動方式都可以適用。

3.1.4 絲桿型傳動

絲桿型傳動是比較直接的傳動方式。

電動部分比較簡單，電機搖進只要聯系到絲桿上面，代替人工操作，便可以實現搖進、搖出的功能，重點在于如何實現斷路器的手動和電動的可靠切換。

手動電動的相互切換——離合器如圖4所示。

圖4　離合器的分解

3.1.5 絲桿型傳動分解——動車架傳動

絲桿型傳動是基于圖4幾種基礎結構生成的電動設計（見圖5）。

圖5　絲桿型傳動

（1）定位架型傳動（手動分離）

電機安裝到定位架上進行的絲桿傳動，這種結構對定位架空間要求比較大，結構比較直接，目前的定位架型傳動都是手動進行分離，這種傳動結構可分為兩個方案：T形傳動；π形傳動。

T形傳動電動底盤車的使用范圍有限，成本太高。定位架π形傳動，雙側同步運動，是一款概念型電動推進機構。其摒棄了固有的絲桿傳動的思路，目前處于試驗階段。

（2）動車架型傳動

傳動電機及傳動機構安裝在動車架上，結構緊湊、布局合理、原理簡單、性能優良，另外包含了其他很多優點，是絲桿式傳動的主要方式。

這種結構電動部件有電機（帶減速機）、傳動部分、離合器、絲杠四個部分。

根據傳動部分的傳動方式不同，大致也可以分為三種：傘齒輪傳動、普通直齒輪傳動、鏈傳動。

3.1.6 動車架型傳動升級——臥式傳動

根據使用效果可以分為垂直型電機傳動、水平型電機傳動。

（1）電機垂直型傳動

優點：自動離合器；電機更換維修方便；外形尺寸常規。缺點：電機太大；斷路器通用性差。

主要優點比較明顯，缺點也很明顯，比上面幾種機構已經改進很多，但是通用性太差，不能適應市場的多樣性。

（2）電機臥式型傳動

優點：高強度迷你離合器；結構小型化；結構常規。

缺點：維修麻煩；手動優先獨立。

電機結構縮小對電機外形、離合器結構、減速箱分布、電機功率和耐壓提出了很多新的要求。傳動和離合方面，我公司新發明的離合器，填補了離合器的相關空白，使得底盤車結構更加合理小巧簡單。

主要優點明顯，缺點不多，這種結構相對其他結構來講比較完美，能適應市場的多樣性，性價比高，生產成本和速度都比較合理，外觀無變動。

有這么多的優點，也同步符合了市場的大眾口味，所以這款底盤車是電動底盤車里面比較成熟的品種，并且不斷在優化和改進，得到了市場的認可。

3.2 臥式鏈輪形絲桿傳動電動底盤車優缺點

上文介紹了大概三個大類傳動類型的底盤車，六種傳動形式。有手車直推式、絲母形傳動式、T形π型定位架傳動式、垂直電機動車架傳動式、臥式電機動車架傳動式等。這些結構的優越性已經慢慢得到分化，許多40.5kV開關柜斷路器搖進機構，或者直流斷路器的搖進機構也慢慢借用這些電動傳動結構。

總的看來，臥式動車架傳動最為簡單合理，使用性能突出，比較適應發展方向。

3.3 電動底盤車的模塊控制器

電動底盤車智能控制的環節所在，第一就是底盤車實現自動控制，第二就是智能電網系統的智能監控。

電動底盤車的控制器，也隨著電動底盤車的發展大致經歷了三個階段。

3.3.1 繼電器控制

電動控制需要實現電動搖進與搖出這個功能。

最初的原理就是電動底盤車在試驗位置和工作位置，給電機送電，讓電機運行或停止的簡易功能。

所以最初的設計就是通過繼電器，根據電機正反轉、底盤車S8、S9相關輔助開關進行組合控制，電動底盤車的搖進和停止。

3.3.2 模塊化控制

繼電器控制也就是初期簡單的電氣組合，占用二次線室空間比較大，而且接線相當麻煩，整個線路接線錯誤，需要逐條線路進行排查。

為了簡化控制，將整個功能集成在一張線路板上，也就出現了第一代的控制模塊。

控制模塊是為了電動底盤車配套開發的，一般是安裝在開關柜的低壓室中，用于電動手車電動進出控制、保護裝置，可簡化工程設計，減少開關柜二次接線工作量，提高可靠性，提高了機械結構使用壽命。

第一代控制模塊沒有過流保護；第二代增加了位置指示和過流保護調節功能；第三代增加了軟啟動功能，過流保護調節改為分段過流設置，增加人性化功能。

另外還有DD-3A、DD-3B、DD-3C、DD-4型幾款控制模塊。

3.3.3 EMC、RS-485等到智能模塊集成

目前電磁兼容（EMC、EMI）已經在三代上實現，另外一對一無線遙控、可視化人機界面操作模塊等，智能化模塊已經在計劃中。

現階段的模塊已經可以實現RS485、EMC、觸摸顯示器及相關的半自動化控制，后期還有更加廣闊的空間。包括智能化的語音控制系統、無線控制系統、全自動網絡監控、手機軟件、智能國網系統和智能家庭電控服務系統等等，網絡一體化的集成。

智能化模塊的出現，使得操作更為人性化、大眾化，將大大降低人為誤操作，降低控制者的專業化要求。

4　結束語

“中國制造2025”是工業由大變強的重要機遇，“十三五”期間，國內外高鐵、核電、機場、對供電設備的性能和可靠性的要求越來越高，電動底盤車作為可移出式開關柜的關鍵基礎件，其性能和可連續運行性的要求更高。我公司有信心為國內外開關企業提供高水平的電動底盤車。

高壓開關制造2025的目標也是非常清晰：要成為世界電動底盤車制造業競爭力強的生產和創新強國，產品質量上乘，智能綠色、環保，適用性高、性價比高，在關鍵問題上如機械強度高、轉變工作位置時準確、靈活，在各個位置工作穩定可靠、運行連續性方面有重大突破。

只要堅持正確的思路和采取科學有效的方法，“以好求多”，“以強求大”，電動底盤車就一定能實現走向世界前列的目標。

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