變電站開關(guān)柜調(diào)高校準裝置載荷計算與分析

牛碩豐 唐玉奇 吳衍達 李 震 陳 偉 李兆鵬

（1、國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000 2、太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030000）

變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力的流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施[1]。變電站開關(guān)柜是金屬封閉開關(guān)設(shè)備的俗稱，在母線分段系統(tǒng)中，作為接受和分配電能，并對電力電路實行控制、保護、監(jiān)視和測量之用，具有開斷、滅弧、隔離功能的高壓設(shè)備，直供用戶用電，是電能傳輸環(huán)節(jié)的重要環(huán)節(jié)[1]。

開關(guān)柜柜門緊固螺栓在出廠時均需按照要求配套設(shè)置，可正常緊固。由于在運輸和安裝過程中，可能引起柜體與柜門結(jié)構(gòu)微變形，導(dǎo)致在柜門關(guān)閉，緊固螺栓時，螺栓與柜體螺孔不在同一中心線。在現(xiàn)場開關(guān)柜整體連接固定施工中，由于其重達幾噸，需多人用千斤頂及撬杠等工器具將開關(guān)柜調(diào)整，工作效率低下且具有一定安全隱患。

液壓傳動輸出力或轉(zhuǎn)矩大，可實現(xiàn)低速大噸位運動，具有重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快，易于實現(xiàn)系列化、標準化和通用化等優(yōu)點，便于設(shè)計、制造、維修和推廣使用[1]。針對變電站開關(guān)柜存在的上述問題，本文設(shè)計了一種主體為液壓千斤頂?shù)淖詣诱{(diào)高與校準成套裝置。載荷計算和分析是液壓千斤頂選型的前提，也是調(diào)高與校準裝置設(shè)計的難點和重點之一[1]，本文在詳細描述調(diào)高與校準裝置工作原理基礎(chǔ)上，對變電站開關(guān)柜進行了載荷計算和分析，并利用ADAMS軟件完成了仿真驗證。

1 設(shè)計原則及工作原理

由于變電站特殊的工作環(huán)境，變電站開關(guān)柜柜門自動調(diào)高與校準裝置應(yīng)滿足以下設(shè)計原則：

1.1 操作千斤頂?shù)牧α繎?yīng)盡量小，保證安裝過程只需兩人，一人操控裝置另一人緊固螺栓。

1.2 千斤頂抬升速度不能過快，保證報警裝置報警后能夠立即制動。

1.3 校準精度高，在很短工時內(nèi)即可完成，節(jié)省大量人力、物力的同時，還可大大提升工作效率，保證一定的工作安全性。

1.4 因開關(guān)柜體積較大，且在室內(nèi)安裝，千斤頂要能夠抬起柜門且體積不應(yīng)過大。

變電站開關(guān)柜柜門自動調(diào)高校準裝置主要由液壓千斤頂，短、長定位桿，傳感器以及報警裝置組成，操作裝置機構(gòu)組成如圖1 所示。裝置主體是液壓千斤頂，在千斤頂上加裝可伸縮式標桿（分為A、B、C），千斤頂自帶支撐爪D。標桿B上安裝有光電傳感器，并將傳感器接入到語音報警電氣回路中，當光電傳感器觸發(fā)后，報警回路導(dǎo)通，蜂鳴器告知到位。

圖1 調(diào)高校準轉(zhuǎn)置機構(gòu)組成

使用時將千斤頂放置在易操作位置，將支撐爪D 與柜門底部緊密結(jié)合，延伸A，拉開標桿B，使得B 與柜體螺栓孔中心平齊，將標桿A 緊固，拉直標桿C，將標桿C 與柜體螺栓中心平齊。操作千斤頂操作機構(gòu)，此時支撐爪D 和標桿C 同步向上移動，當C 與B 緊密貼合后，報警回路導(dǎo)通，告知人員無需繼續(xù)操作，并對千斤頂操作機構(gòu)進行限位，嚴防繼續(xù)操作對開關(guān)柜產(chǎn)生損壞。

2 載荷計算

變電站開關(guān)柜型號較多，各個型號的開關(guān)柜參數(shù)不同，即使同一型號的開關(guān)柜因使用場地不同，尺寸規(guī)格也不相同。考慮到裝置的適用性，本文選用KYN（鎧裝式交流金屬封閉開 關(guān) 設(shè) 備） 系 列， 其 標 準 尺 寸 寬× 深× 高 為1200mm*3100mm*2600mm，柜門尺寸取寬×厚×高為1200mm*50mm*2500mm，柜門采用冷軋鋼板為材料，其密度為7.9g/cm3,則柜門重量為：

依據(jù)設(shè)計要求，千斤頂需要能將開關(guān)柜柜門頂升到對應(yīng)位置，開關(guān)柜柜門受力分布如圖2 所示。

圖2 開關(guān)柜柜門受力分布

對圖2 中間合頁中心取矩，由式（2）可得式（3）：

因三個合頁共同支撐柜門，且連接方式相同，中間合頁與柜門質(zhì)心位于同一直線上，根據(jù)理論力學(xué)靜力學(xué)分析有式（4）：

柜門重力的作用，導(dǎo)致合頁有一水平方向的分力，要使設(shè)計的裝置能夠達到頂起柜門的要求，理論上合頁應(yīng)不再受到水平方向上的分力。當合頁水平方向不受力時，柜門剛好處在被頂起的零界點。

調(diào)高校準裝置工作時千斤頂在柜門遠離合頁的一端向上頂撐，如圖2 所示，柜門同時受到自受重力G 和千斤頂向上的頂撐力F。由力系平衡原理和力矩平衡原理可知，若要使千斤頂能將柜門向上抬升，則千斤頂?shù)耐屏χ辽僖_到平衡力，圖2 中Fx1、Fx2、Fx3為零，F(xiàn)y1、Fy2、Fy3為合頁受到的豎直方向上的力，F(xiàn) 為千斤頂對柜門施加的力，對中間合頁中心取矩，由（1）式得：

計算得到若要千斤頂能夠頂起柜門，則千斤頂?shù)捻敁瘟χ辽贋?806.5N。

3 靜力學(xué)分析

為驗證上述載荷分析的準確性，首先在SolidWorks 中建立圖1 中所示幾何模型，導(dǎo)入到ADAMS 中，對其施加轉(zhuǎn)動約束，施加載荷時考慮到柜門受力的兩種情況，無頂升動作時柜門只受到到自身重力G 的作用，有頂升動作時柜門除了受到自身重力，還受到一豎直向上的頂撐力F，并使其數(shù)值從零線性增加到5806.5N。如圖3 所示。

圖3 ADAMS 柜門載荷仿真模型

合頁在X 方向受到的力為0 時，柜門能被千斤頂頂升，大于0 時，柜門不能被千斤頂頂升。三個合頁受力情況是一致的，本文只對合頁1 進行受力分析。在液壓千斤頂有無頂升動作兩種工況下進行開關(guān)柜柜門載荷仿真，仿真結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 千斤頂頂升前合頁1 受到的水平分力

圖5 千斤頂頂升時合頁1 受到的水平分力

圖4 表明液壓千斤頂無頂升動作時，此時柜門只承受重力，合頁1 受到來自柜門的拉力，其X 軸方向的分力f 數(shù)值為4354.37N。圖5 表明，液壓千斤頂有頂升動作時，由于在柜門右下角施加一個豎直向上的頂撐力F，合頁1X 軸方向上的力f 隨著頂撐力F 的增大而減小，當頂撐力達到5806.5N時，柜門X 軸方向上的力f 為0，此時柜門能被千斤頂頂升，系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài)，選用頂撐力大于5806.5N 的液壓千斤頂即能滿足設(shè)計要求。

結(jié)束語

高低壓開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于變電站、發(fā)電廠、廠礦企業(yè)、冶金、電信、輕工、紡織、大樓賓館、市政建設(shè)等，然而柜體稍有變形即可導(dǎo)致柜門螺孔與柜體螺孔不在同一水平線上，給開關(guān)柜安裝帶來很大困難。本文設(shè)計的自動調(diào)高校準裝置，不僅能提高變電站開關(guān)柜安裝效率，也可廣泛應(yīng)用于其他相關(guān)行業(yè)。考慮開關(guān)柜柜門變形量通常數(shù)值很小，一般為毫米級變形，利用ADAMS 軟件進行了靜力學(xué)仿真分析，仿真結(jié)果與載荷計算結(jié)果是一致的，表明自動調(diào)高校準裝置的總體設(shè)計是合理的。