手車開關工作位置強制分閘裝置的研制

國網浙江省電力有限公司衢州供電公司 余露峰 吳 超 吳鑫劍 姚 然 黃 劍

1 背景技術及現狀分析

手車開關作為變電設備的重要組成，在電網設備中數量十分龐大。而其在工作位置運行過程中，如遇無法分閘缺陷需檢修人員緊急處理，否則可能產生開關越級跳閘等情況造成事故擴大化。該缺陷可能原因較多，包括輔助接點切換不到位、電源缺失、回路中端子松動脫落等電氣原因，也有機械卡澀、機構半分半合等機械原因，其中大部分原因無法帶電消除。對于這種缺陷，在排除帶電消缺的可能后，現有處理方法分為兩種。

臨時申請母線停電，將開關分閘并拉至柜外。此種方法能保證作業人員人身安全，但不可避免地存在許多問題：這種母線臨時停役的大型操作未經提前計劃及相關隱患分析，存在一定安全風險；相關運維操作班組承載力不足，無法及時抽調充足操作人員進行操作；母線停役操作手續復雜，停役時間長，若停役過程中故障開關線路故障，將造成設備越級跳閘；相關線路負荷受到影響，不利于公司對外樹立良好形象。

作業人員直接手動強制分閘。這種方法對電網運行無影響，但開關實際故障原因較多，其中大部分缺陷需停電檢查后才能準確判斷、處理。在無法準確判斷故障原因的情況下強制進行分閘操作，可能產生開關分閘異常，嚴重時甚至會發生爆炸。目前的開關柜體分為自帶緊急分閘按鈕和不帶緊急分閘按鈕兩類，其中柜門上自帶緊急分閘按鈕的開關柜，可在開關柜的柜門關閉情況下，通過按下緊急分閘按鈕來實現緊急分閘；柜門上不帶緊急分閘按鈕的開關柜需要開啟柜門，然后通過按下開關柜內的分閘按鈕來實現分閘。由此可見，無論哪種開關柜體都需操作者靠近開關柜進行操作，當開關發生爆炸時將嚴重危害操作人員的人身安全。

筆者對公司近期發生的手車開關運行狀態下報控制回路斷線的缺陷及處理方式進行收集梳理發現，為處理缺陷，母線停役5次、手動強制分閘2次，另有1次可帶電消缺。而隨著近年來安全生產要求逐步提高及以人為本的觀念逐步深化，為充分保證作業人員安全，母線停役數量明顯提升，基本做到能停必停，由此母線停役操作人數多、操作時間長、對運行符合影響大等缺點充分暴露。

2 風險評估

鑒于母線停役對現場工作影響較大，存在較多缺點無法克服，同時現場用電負荷情況復雜，存在較多重要負荷無法短時間的切除，因此直接將故障開關強制分閘的處理方式仍有一定積極意義。為充分評估該工作存在的風險，本文采用LECD風險評價體系進行評價，其由美國安全專家K.J.格雷厄姆和K.F.金尼提出，是一種對具有潛在危險性作業環境中的危險源進行半定量的安全評價方法，結合歷史經驗數據和半定量的計算方法，用于評價操作人員在具有潛在危險性環境中作業時的危險性、危害性。其計算公式為D=LEC，L指該事故的可能性大小；E指人體或設備暴露于該環境的頻度；C指發生該事故可能會造成的傷害后果；D指危險值，用來綜合評價該工作的危險程度[1]。

結合相關歷史經驗及現場實際結果如下。L：開關爆炸概率極小，但存在這種可能，各地有過多次相關報道記錄，因此取值1.5；E：該缺陷發生頻率不高，但只要進行該工作將連續暴露在危險中，結合歷史經驗綜合取值4；C：后果非常嚴重，甚至可能造成2～3人死亡，取值30；計算可得D=180，為高度危險，需立即進行整改。因此本文考慮研制一種手車開關工作位置強制分閘裝置，可遙控進行開關機械分閘，在L不變的情況下，因分閘瞬間作業人員遠離開關，暴露頻率E可降為0.5、C降至1，最終D=0.75，降為可接受、容忍的風險。

3 裝置技術要求及裝置情況簡介

3.1 裝置情況簡介

通過對現場各型號開關柜和相關消缺情況的綜合分析，確認裝置需滿足以下功能：

固定功能：裝置需可靠固定在開關柜上，作為下一步分閘的基礎。該功能需滿足現場實際條件，適應不同廠家、柜型，同時具備一定的擴展功能，實現特殊情況（如需將裝置固定在地面上）等要求；旋鈕鎖緊功能：據統計，大部分開關柜緊急分閘裝置都需旋轉機械旋鈕啟動[2]，裝置需滿足將機械旋鈕鎖緊在啟動位置的功能；遙控功能：為充分保證人身安全，裝置需具備一定距離下遠程遙控的能力。

機械分閘功能：裝置在啟動后需具備機械頂動分閘按鈕，將開關強制分閘的功能；自動、手動停止功能：裝置應同時具備自動、手動兩種停止功能，在開關分閘后自動停止，或有其他意外情況作業人員可遠程手動停止裝置運行；過載自保護功能：開關分閘失敗存在內部機構故障的可能，這種情況下機械分閘也無法成功，若裝置持續運行可能裝置損壞和開關進一步損壞，因此裝置應可設置相關力矩，保證裝置在達到設定值仍未將開關分閘時，會自動停止運行或者脫扣空載運行。

3.2 相關模塊

本設計裝置主要由以下幾部分組成：安裝固定模塊，觸動模塊，遙控模塊，電源，控制箱以及輔助模塊。

固定模塊：固定模塊主體部分是一副三角架。如圖：三腳架垂直桿頂部設置夾具固定橫向支架，可安裝裝置動作主體原件（包括觸動元件、鎖緊元件等），同時垂直桿具備高度調整功能，滿足不同開關柜通用性要求。同時，在三腳架靠下部加裝下支架，設有開關式磁力座，可以通過磁力座吸附在開關柜的柜體或柜門上，以提高支撐架的穩定性。

觸動模塊：該模塊為裝置核心模塊，安裝在橫向支架上，實現裝置將開關機械分閘的功能。模塊主要由馬達、齒輪組、頂桿及外殼組成，由電機帶動齒輪使頂桿伸縮實現對按鈕的按壓，最終實現開關分閘（圖1）。馬達電機采用直流電機，可用12V電池供電，滿足現場工作靈活性的要求。同時，為防止特殊情況發生，裝置另配有電源適配器，可直接采用220V交流供電。

圖1 觸動模塊結構示意圖

旋鈕固定模塊：針對本身帶有緊急分閘裝置的開關柜，裝置增設旋鈕固定模塊（圖2）。該模塊主體為固定在安裝支架上的旋轉盤，盤上設有若干繞安裝盤周向分布的弧形長孔，孔上設有兩個沿腰槽移動的圓柱螺母，旋轉盤的圓心與安裝盤的軸線、推桿的軸線重合。如此，可通過調節圓柱螺母固定位置，實現其相對距離的調整，可適應不同開關柜不同緊急分閘裝置的多種旋鈕尺寸。同時，調整旋轉盤安裝角度，可實現緊急分閘裝置的啟動，因其調整裕度大，可滿足不同緊急分閘裝置啟動角度不同的要求，增加裝置通用性。

圖2 旋鈕固定模塊機構示意圖

遙控模塊：裝置遙控模塊由控制模塊和遙控器組成。通過遙控模塊使得電機正反轉而使頂桿伸縮，從而實現分閘、中途停止、中途反向復位等功能。本裝置采用的遙控模塊理論可用距離為直線300m，經實際試驗，間隔2扇鐵門、在直線距離30m處遙控功能正常，可完全滿足現場工作的安全需求。

3.3 保護限位模塊

因手車開關拒分原因多樣，部分情況下無法通過機械頂動分閘按鈕實現分閘（包括但不限于機械連桿卡死、斷裂，機構實際半分半合等）。針對此類情況，因作業人員需遠離作業現場，無法及時發現并停機，裝置持續輸出至極限，易造成裝置本身損壞、開關元件二次破壞的不良后果。因此裝置增加了保護限位模塊，保證裝置輸出力矩超出一般合理值范圍時，裝置可自動停機。該模塊主要有安裝板、彈簧、接近開關等組成（圖3）。當頂桿接觸按鈕并按動按鈕到位后，隨著頂桿的繼續伸長，頂桿會將觸動模塊的外殼部分向另一個方向推動，彈簧壓縮，到一定位置，連接在外殼尾部的金屬片觸發接近開關動作，從而斷開電機電源，頂桿停止動作。

圖3 保護限位模塊結構示意圖

因不同品牌不同型號規格的手車開關，按鈕的按壓深度及力度均會有所不同，為保證裝置普適性，相關力矩、頂桿伸出長度需具備可調功能。該模塊力矩調整方式可分為2種：通過調整彈簧限位擋塊可調整彈簧預壓縮量，實現相關力矩的調整。該調整方法簡單便捷，調整裕度相對較小，可滿足大部分型號開關要求，為主要調整方式；通過更換不同參數彈簧實現力矩的調整。該方法較為繁瑣，但調整裕度大，可針對某些力矩與其他開關差別較大的特殊型號開關，作為方式⑴的補充，基本可實現所有型號開關的適配。經試驗，一般采用2.0mm（線徑）×20mm（直徑）×60mm（高度）參數彈簧，可滿足大部分開關分閘要求。

因不同開關按壓深度差別不大，故頂桿伸出長度調整方式為調整后方接近開關位置，基本可滿足各型號開關要求。裝置原計劃增加分閘后自停功能，需將開關位置信號接點傳入裝置回路。因該工作必須現場進行、將耗費一定時間，考慮到開關拒分狀態下線路故障越級跳閘的風險，決定舍棄該功能，利用保護限位模塊實現開關分閘后的裝置停機功能。開關分閘成功后，裝置繼續輸出力矩，頂桿后推外殼直至靠近接近開關，最終實現裝置停機。

3.4 輔助部分

主要包括控制箱、定制手提盒等。現場可將電源，控制模塊等置于控制箱內，較為整潔。平時裝置存放于定制手提盒中，防止臨時消缺時部件遺失等情況發生。裝置總體布置圖4。

圖4 裝置整體結構示意圖

4 安裝及使用說明

現場將三腳架置于合適位置，安裝開關式磁力座，確保底座穩固。通過抱箍及固定桿將觸動模塊及旋鈕固定板固定在三角架上，使用時調整抱箍在固定桿上的位置將頂桿調節至合適位置。

觸動模塊和保護限位模塊作為一個整體部件，旋鈕固定模塊也是預先裝配的部件，并針對柜門上是否自帶緊急分閘按鈕確定是否調整旋鈕固定模塊。若開關柜帶緊急分閘按鈕，則需要先旋轉旋鈕至合適位置，并用固定板卡住，保證原開關柜的緊急分閘按鈕的內部頂桿處于升起狀態。若開關柜不帶緊急分閘按鈕，則應將柜門打開，通過固定桿和抱箍調整觸動機構的初始位置，此時旋鈕固定組件無需調整。確認各部分都連接到位，確保人員轉移至安全區域，便可通過遙控器來控制觸動模塊的頂桿來觸動按鈕實現分閘。經測試，使用該裝置可在10～15分鐘內完成故障開關分閘，可滿足現場消缺需求。

綜上，利用該裝置處理手車開關工作位置控回斷線缺陷，可在保證作業人員安全的前提下，無需耗費大量的時間倒負荷、停母線，短時間內將故障開關分閘，大大降低了相關線路故障導致設備越級跳閘的可能性，對降低電網風險、提高供電可靠性有著積極意義。