一種一次設(shè)備接線板螺栓緊固裝置在變電站中的應(yīng)用

熊一凡，盧雨翔，孫宏彪

（國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西 南昌 330096）

0 引言

國網(wǎng)江西檢修公司所轄500 kV變電站中，戶外一次設(shè)備發(fā)熱缺陷占總?cè)毕莸?0%左右，而設(shè)備的接線板發(fā)熱情況占總發(fā)熱缺陷的80%以上。根據(jù)檢修經(jīng)驗，50%是由于接線板上螺栓的緊固力矩不夠或由于螺栓松動導(dǎo)致。當(dāng)設(shè)備接線板發(fā)熱時，根據(jù)《輸變電一次設(shè)備缺陷分類標(biāo)準(zhǔn)》定義為嚴(yán)重及以上缺陷時，該設(shè)備將不得不立即停運進行缺陷處理，這將會帶來以下2個問題：1）發(fā)熱缺陷處理不及時將造成更嚴(yán)重的后果。當(dāng)發(fā)熱缺陷處于一般缺陷情況下，隨著負荷、環(huán)境的溫度的上升，一般缺陷極有可能發(fā)展為嚴(yán)重或危及缺陷；2）重負荷情況下留給調(diào)度倒負荷的時間較短。在迎峰度夏、度冬、重大節(jié)日等重負荷情況下，調(diào)度可能拒絕受理停電申請。若設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重，需要緊急倒負荷時，留給調(diào)度部門倒負荷的時間將極為有限。

由此可知，在特殊情況時，螺栓松動或緊固力矩不夠?qū)е碌脑O(shè)備發(fā)熱缺陷將會造成非常嚴(yán)重的后果[1]。該項目將研發(fā)一種面向變電站內(nèi)220 kV及35 kV電壓等級一次設(shè)備接線板螺栓自動緊固的裝置，該裝置可在帶電情況下，對接線板處的螺栓進行緊固，可大大緩解設(shè)備的發(fā)熱程度，為申請停電獲得寶貴的時間。

1 裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

對變電站內(nèi)一次設(shè)備的尺寸、高度、安裝方式、接線板尺寸等參數(shù)進行研究后，確定以220 kV和35 kV電壓等級的設(shè)備作為試驗?zāi)繕?biāo)，并根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，確定本裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置將研制一種“]”型裝置，下端可安裝不同型號的套筒指，用于固定螺栓，上臂采用一種可遙控的電動力矩扳手，扳手上可按照工作需要安裝數(shù)顯力矩，下臂采用硌釩鋼材質(zhì)的金屬，可安裝不同尺寸的套筒。

2 執(zhí)行機構(gòu)與作業(yè)過程

2.1 遙控電動力矩扳手

遙控電動力矩扳手由兩部分組成，即遙控電動扳手及力矩數(shù)顯裝置。

遙控電動扳手是一種帶有遙控裝置的定轉(zhuǎn)矩電動扳手，其主要由遙控機構(gòu)、動力單元、扭矩放大機構(gòu)、扭矩輸出機構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。由于裝置是用于變電一次設(shè)備帶電作業(yè)，結(jié)合現(xiàn)場螺栓的實際尺寸，在設(shè)計電動扳手時優(yōu)先考慮扳手的體積和重量，特別研究了一種體積較小、扭矩最大不超過200 N·m的扳手[2]。電動扳手采用的是結(jié)構(gòu)緊湊的減速裝置、但是傳動比大的行星齒輪機構(gòu)。當(dāng)扳手電機轉(zhuǎn)動時，帶動高速行星齒輪機構(gòu)的中心輪進行旋轉(zhuǎn)，機構(gòu)的另一中心輪則與扳手外殼相連，扭矩同時由傳動桿將力矩傳動到扳手頭部，實現(xiàn)對螺栓的緊固。為了使擰緊固裝置的結(jié)構(gòu)更為緊湊，并實現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)力矩，電動扳手采用渦輪蝸桿傳動的方式輸出扭矩，同時使該裝置具有較好的自鎖功能[3]。在步進電機處增加了遙控模塊，通過遙控裝置控制電機的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)。

2.2 緊固裝置組裝

整個緊固裝置主要由電動力矩扳手和緊固裝置支架構(gòu)成。安裝時，將裝置支撐部分與電動力矩扳手上臂用螺栓固定，將一根M16的長螺桿插入裝置支撐部分，裝置支撐部件內(nèi)部有2個固定塊，M16長螺桿通過螺紋與兩固定塊相連接，在固定塊中間存在一個空心圓柱，空心圓柱與裝置下臂相連，空心圓柱上下兩頭各有一個螺帽，確保空心圓柱固定在長螺桿上。在裝置末端，長螺桿與絕緣桿連接件相連。

螺栓緊固裝置總裝圖見圖2，電機減速器帶動渦桿機構(gòu)傳動，進而帶動旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)，為順時針（緊固）和逆時針（松開）提供扭轉(zhuǎn)力矩。緊固螺栓時，螺帽完全裹覆于前端的內(nèi)六角套筒內(nèi)。為了實現(xiàn)套筒與螺母較好的對接，在套筒與旋轉(zhuǎn)軸之間一體成型，提高旋轉(zhuǎn)強度。

圖2 裝置總裝圖

2.3 目標(biāo)螺栓固定過程

作業(yè)時，由檢修人員確定需要緊固的目標(biāo)螺栓，打開遙控電動扳手本體電源及遙控器電源，檢查電動扳手電量及遙控器電量。用絕緣桿將裝置將裝置送至設(shè)備發(fā)熱螺栓處，用電動扳手的套筒指卡在目標(biāo)螺栓的螺帽上，順時針旋轉(zhuǎn)絕緣桿，絕緣桿通過絕緣桿連接件，帶動整根長螺桿一起旋轉(zhuǎn)，并使下臂可以上下活動，在將下臂套筒指卡在螺栓上時，使用遙控裝置，控制電動扳手的啟動和停止。在對螺栓力矩有要求的環(huán)境下，在力矩扳手頭上安裝帶有數(shù)顯功能的力矩指示裝置，裝置可提前設(shè)定力矩值，當(dāng)達到額定力矩后，裝置將會發(fā)出報警提示。

3 遙控與控制平臺系統(tǒng)設(shè)計與原理

控制系統(tǒng)主要由上位機（包括顯示器）、邏輯控制和顯示、主控制器單元、軸控制器單元及電機驅(qū)動器構(gòu)成。各電機驅(qū)動器及其擰緊軸中的伺服電機均是分別獨立的、標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)伺服3系統(tǒng)，它在擰緊機軸控制器單元的控制下可以完全確保各擰緊軸旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角）的精度及其穩(wěn)定性。每個擰緊軸的扭矩檢出信號分別直接進入各自的軸控制器單元，組成各自獨立的扭矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，以確保扭矩控制精度及其穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)中的每個軸控制器單元都是1套以單片機為主要核心并附加其他外圍電路等構(gòu)成的專用控制系統(tǒng)，由于它的存在，使每根擰緊軸均成為完整獨立的數(shù)據(jù)采集、計算、存儲、控制系統(tǒng)[4]。在擰緊的過程中，可直接對每根擰緊軸的扭矩、轉(zhuǎn)角進行獨立、實時地檢測和控制，從而確保了各個擰緊軸的擰緊精度及其穩(wěn)定性。

系統(tǒng)框架圖如圖3所示，配置了安卓開發(fā)環(huán)境，通過程序編寫上位機軟件。

圖3 系統(tǒng)框架

通過上位機給主機發(fā)送遙控啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)指令，遙控模塊接收到信號后，進行數(shù)據(jù)處理，然后給電機發(fā)送指令。電機可以通過指令實現(xiàn)對電機的開關(guān)。其程序設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 程序設(shè)計流程圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

在國網(wǎng)江西檢修公司某500 kV變電站220 kV運行設(shè)備上實施該套螺栓緊固裝置的檢修，用專門研制的緊固支架結(jié)構(gòu)，采用無線遙控系統(tǒng)配套伺服電機驅(qū)動、數(shù)顯力矩報警，使動作更加精確和便捷；整體裝置使用方便、功能齊全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。目前已拓展到35 kV電壓等級帶電檢修及缺陷處理，運行穩(wěn)定，實現(xiàn)不停電檢修。

以某變214線路隔離開關(guān)處理引線接頭發(fā)熱為例，該裝置使用后，既實現(xiàn)帶電作業(yè)、保障了檢修安全，又無需停電完成消缺任務(wù)，減少設(shè)備停送電時間約5 h，檢修成效顯著。按該條220 kV線路平均負荷20 MW，多供電量約為20 MW×5 h=10萬kWh，售電價格按0.65元/kWh計算，節(jié)約費用約6.5萬元[5]。此外，減少停電次數(shù)1次，節(jié)約人員差旅費、車輛損耗費用約0.1萬元。由于該裝置具備遙控操作、安全可靠等優(yōu)勢，能最大程度為檢修人員提供安全保障，節(jié)省了人力、物力。

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有研發(fā)條件，針對變電站現(xiàn)有檢修工具在使用時存在的問題和不足，研制一種一次設(shè)備接線板螺栓緊固裝置的主要思路是從帶電檢修、減少高空作業(yè)、減少停電頻次、操作簡便等方面解決實際應(yīng)用問題[6]。在未來，該套裝置還可以在以下四個方面開展研究：

1）由于需要檢修人員將絕緣棒豎起，對檢修人員的工作強度有較高要求，未來可以研究一種多節(jié)垂直升降機械的方式，自動可以將絕緣桿及裝置送至目標(biāo)位置；

2）采用機械手臂的方式，除了用于螺栓緊固，還可拓展其他功能，如帶電清掃絕緣子片等，將多種檢修裝置可在一套裝置上實現(xiàn)，并可快速更換及投入到相應(yīng)的檢修任務(wù)中，實現(xiàn)一機多用；

3）在裝置上配備帶智能識別功能的攝像頭，實現(xiàn)將畫面遠程傳輸至檢修人員，實現(xiàn)在操作的同時實時觀察設(shè)備狀態(tài)；

4）帶電緊固螺栓裝置可以針對不同規(guī)格螺栓進行力矩設(shè)定，避免緊固不到位和太緊導(dǎo)致螺栓及設(shè)備受損的情況，可將力矩數(shù)顯裝置集成到電動扳手中，縮小裝置尺寸。