一種新型變電站內狹窄區域軌道運輸車的研究應用

國網浙江省電力有限公司超高壓分公司 解詩銳 孫思昂 陳 琦

1 引言

當前，我國對電力產生較大的需求，大型智能電網的構建是電力系統未來的發展趨勢，而變電站是電網系統不可或缺的部分。

變電站內大型電氣設備在正常使用情況下導致的老化，或偶然因素導致的相關設備損壞，會影響電力系統的穩定運行。變電站現場維修環境具有線路復雜，設備繁多，空間狹窄等特殊性，如何在降低成本的情況下，滿足電力系統安全可靠運行是當前亟須解決的問題。

因此，從安全角度進行考量變電站狹窄區域施工，針對電力設備吊裝作業的不便之處，研制了一套作業于狹窄區域大件電氣設備的軌道運輸車，以期解決吊裝作業時相鄰設備不需陪停，實現電力系統檢修過程主網安全穩定運行。

2 吊機設備作業過程的問題

2.1 擴大停電范圍

電氣設備發生異常、故障需停電更換處理時，由于電力設備物理空間緊湊，容易出現吊機安全作業距離不足的情況，這需要相鄰的帶電間隔、母線工作陪停，以確保吊機的安全運行。

以某500kV變電站35kV設備為例，單間隔設備與相鄰間隔通常為4m，距離最近的只有2.2m；單間隔檢修設備距離35kV母線的最小距離為3m，均不滿足電力安全規定的施工機械作業安全距離（35kV≥4m，220kV≥6m，）吊機無法進入施工。

因相鄰間隔或母線不滿足吊機安全作業距離時，只能將相鄰間隔或整條母線陪停，擴大了電力設備的停電范圍，降低了電力系統安全運行的可靠性。如果遇到陪停的間隔為保供電間隔，不滿足陪停條件，則會造成整個檢修工作進度的延期，若需檢修的設備無法及時更換，會增加電網運行的不穩定性，甚至造成電力系統事故。

2.2 安全隱患

變電站狹窄區域進行檢修工作通常需要使用吊機，但受限于變電站設備間空間大小，部分區域無法使小型汽車起重機順利進入并更換大型電氣設備，而且留給吊機的安全作業空間有限，存在觸電的安全風險。

變電站內場地地面有電纜蓋板、草坪和石子路，這類型路況容易下陷，且電纜蓋板承重有限，導致吊機支撐受力情況復雜，增加吊機使用的安全風險。另外，作業人員經驗不夠豐富，對其監護缺失或實際可操作環境有偏差時，存在安全隱患，易發生安全事故。

3 專用吊架作業中存在的問題

變電站內除了使用吊機進行吊裝，通常還會使用一種專用吊架進行吊裝。圍繞檢修設備四周搭建吊架，在吊架頂部裝有吊裝裝置。吊裝裝置將檢修設備拆除吊裝至一旁，再運輸至空地。此種吊裝方式下，吊架在被吊設備周圍1m內便可完成組裝，吊裝平臺的使用高度能調整并固定，組裝、操作人員在吊架內進行作業，橫向、縱向作業距離精準可控[1]。

專用吊架在狹窄區域的實用性更強，但目前仍難以解決的問題是吊裝下的電氣設備需要靠人力運輸至空地，狹窄空間不利于人員安全作業。

由于變電站內地形復雜，道路高低不平，電力設備較重，人力運輸吊裝拆下的檢修設備比較困難，且存在諸多不安全因素，因此研制一套狹窄區域大件電氣設備軌道運輸車，與專用吊架配套使用對主網安全穩定運行具有重要意義。

4 軌道運輸車的關鍵結構及技術路線

該軌道運輸車主要由臺車（車架）、驅動裝置、平車輪組、連接緩沖裝置及供電導電裝置、電氣控制系統及其相關附件組成。設備采用軌道平臺式結構，由電氣控制平臺車在軌道上做來回運動，達到短距離運輸電力設備的目的。

軌道運輸車采用電力驅動，電動機的響應性能較機械傳動系統要快得多，因此軌道運輸車具備良好的加減速能力[2]。整車平臺運輸適用于狹窄區域電氣設備的運輸，且該設計能保證平板車裝運、運行穩定、安全，無掉軌、卡軌和脫軌等故障，各機構的布置應合理，安裝、維護和拆卸更換方便，備品備件易于采購[3]。

4.1 關鍵結構選型

4.1.1 車軌

車軌是軌道運輸車行走的保障，也是整個軌道運輸車的基礎部件，主要由80m的12#型H型鋼作為主要材料，0.1m×0.25m×150m的矩形管作為軌道枕，0.08m×0.4m×0.008m的軌道搭接板作為連接體，不僅能承受車身質量，而且能夠讓車身順暢地進行轉動，如圖1所示。

圖1 H型鋼軌

軌道運輸車在作業過程中，車體將受到不同方向的載荷傳遞給車軌，分別包括垂向載荷、橫向載荷和縱向載荷，還需要克服車輪與鋼軌之間的牽引力及制動力。同時，車輪和鋼軌之間產生的黏著力能夠控制運輸車分別進行高、低速作業并實現制動功能。

4.1.2 車身結構

軌道運輸車由車載電源作為動力源，共有兩個0.8kW電機，該車采用后輪驅動的形式，主要用于軌道車輛的走行操作，同時采用遠程控制運輸車的行進。

實際在電力系統維修中的道路環境較為復雜，主要為電纜蓋板、草坪和石子路，軌間距為1m，為了應對復雜的道路環境，導向輪必然選擇H型重型軌道輪，導向輪與鐵軌之間為彈性接觸，主要作用是確保車體可以在軌道環境上運行，不僅需要分擔車體重量，同時抑制車體在高速行駛時可能出現的側向偏移。4只直徑為120mm的H型重型軌道輪作用于H型鋼上，在鐵軌上的運行平穩可靠。

為了能夠承受車身重量及更換的電氣設備的重量，車架采用板架結構，應滿足主要承重構件材質和厚度使用要求，采用國標大型工字鋼，型號為1.5m×1.5m×0.005m的不銹鋼板架，同時臺面開檢修孔，檢修孔蓋板強度不低于臺面結構強度。為了減小電氣設備對軌道運輸車的沖擊力，在板架材料上添加一層1.5m×1.5m×0.008m的橡膠墊，如圖2所示。

圖2 軌道運輸車

在滿足變電站內狹窄區域通過的前提下，可運輸電抗電容器（油抗、油容）、所用變、流變、壓變、避雷器、開關極柱等電氣設備。

4.2 導向裝置

為了滿足解決故障部位大型電氣設備需求，軌道車設置轉向和懸掛系統，采用導向系統結構來控制車體的直線運行[4]。導向系統的設計也是為了滿足狹窄區域變電站內的軌道路面。導向系統包括導向輪、導向橋和導向架。導向輪轉動靈活自如，軸承采用國產名牌產品。軸承座和減速機軸承蓋內裝潤滑脂，尤其在透蓋的密封槽處，需要充滿潤滑脂。由于變電站內的工程要求，軌道車能夠在一條鐵軌上直線往復運行，導向橋設計為前后兩對。導向架是連接導向橋和車身的裝置，也起著固定導向輪的作用。

4.3 制動系統

軌道運輸車采用電機驅動，電機功率大小是軌道運輸車效率的關鍵因素，其運行性能主要取決于電機驅動系統的類型和性能。軌道運輸車前端的電纜卷筒將380V電纜線接入軌道運輸車的電氣控制系統，通過直流牽引電機作用，給軌道運輸車電機提供動力。電纜卷筒安裝在軌道運輸車下方，通過軌道運輸車的運行來實現電纜線的收放。

電氣系統和機械系統兩大系統共同組成電機驅動系統，其技術路線圖如圖3所示。機械系統主要由驅動車輪和傳動裝置構成，電氣系統主要由電機驅動器、控制器及各種傳感器等組成的控制系統和電機驅動器構成。控制系統的主要任務是通過外部傳感器的信號輸入，再通過內部處理后，輸入到電機驅動器中，達到控制電機輸入功率的目的，實現對電動機轉速和轉矩的控制，電機輸出的動力通過變速器傳動裝置傳遞到軌道運輸車的車輪，從而實現運輸車的前進、后退及轉彎等走行步驟。

圖3 電機驅動系統

軌道運輸車通過配備減速機實現安全作業的目的，采用電動平板車專用抱軸式減速機，齒面為中硬齒面，齒輪副精度不低于GB10095中的887級。一對嚙合齒輪的齒面硬度：小齒輪不得低于240HB，大齒輪不得低于187HB。減速機空運轉時噪音不大于82（dB）A，減速機箱體采用板焊結構。

4.4 電氣系統要求

軌道運輸車采用三相低壓供電形式。操作方式為按鈕開關盒隨車操作，按鈕盒設有正、反、停三個按鈕[5]。軌道運輸車電氣控制箱內設有短路保護、過流保護等功能。短路保護。總電源回路設置的自動空氣開關，作為軌道運輸車的短路保護，控制回路設置熔斷或小容量空氣開關作為短路保護。過流保護。軌道運輸車走行機構電動機設有單獨的過流繼電器，作為過流保護，其瞬間動作的整定值為所保護電動機額定電流的2.5倍。

軌道運輸車的電氣系統設計必須保證傳動性能、控制性能和保護性能安全、準確可靠。電氣設備和電氣元件應與軌道運輸車的機構特性、工況條件、環境條件和使用條件相適應。所有電氣設備，特別是電氣柜、位置開關等均應為防潮、防塵。在額定條件下工作時，其溫升及其他技術指標符合相關現行標準的規定。

4.5 控制系統

為避免軌道運輸車在工作狀態對變電站內電氣設備造成損壞，采用自動控制系統，主要通過激光雷達、紅外傳感器等感知設備對軌道運輸車進行感知和控制。激光雷達系統在變電站內能夠對軌道運輸車周邊電氣設備等障礙物全向感知，得到障礙目標的深度信息，檢測精度至厘米級。

利用多個傳感器采集變電站內環境數據，獲取軌道周圍電氣設備等障礙物信息，對獲取的數據進行處理。環境感知模塊為軌道運行車提供其周圍障礙物相對距離等數據，為后續控制決策提供數據支撐。軌道運輸車的運動控制模塊分為縱向控制和橫向控制，縱向控制是對車速進行跟蹤，通過制動系統保證車輛安全穩定運行，由橫向控制實現無人車的路徑跟蹤。通過以上傳感器信號的處理，對軌道運輸車實現前進、后退和終止程序，實現安全預警，避免發生事故。

5 軌道運輸車的應用

500kV XX變6號主變2號電容器限流電抗器、6號主變3號電容器限流電抗器需要停電更換。經現場勘查發現，需要更換的限流電抗器正上方存在6號主變220kV跨線。6號主變220kV跨線高度14m，弧垂為1.5m，跨線實際和5m高的限流電抗器相差6.5m。如果使用吊機更換限流電抗器，考慮到吊機大勾、鋼絲繩、吊帶、吊臂的高度，吊機的作業距離小于6米，不滿足施工機械作業安全距離，220kV要大于等于6m。此時，更換6號主變2號電容器串抗和6號主變3號電容器串抗需要將6號主變陪停，擴大了檢修工作的停電范圍。結合以上情況，現場采用電動軌道運輸車和專用吊架吊裝的方法。

一種軌道板運輸車的電控系統建筑機械化在拆除電抗器連接導線后，在單個電抗器四周和旁邊的空地上搭建鋁合金吊架，組成“雙口”字結構。吊架共計三層，分為支撐層、中間層、吊裝層，最大高度為6.3m，與帶電跨線距離為6.2m，滿足施工機械作業安全距離。

吊架安裝完畢后，吊裝層的吊裝裝置負責吊起舊電抗器，然后拉動吊裝裝置移動平臺上的鏈條葫蘆，使吊裝裝置帶著舊電抗器平移到相鄰的吊架框架內部，再緩慢放下舊電抗器落在電動軌道運輸車上。用吊帶將舊電抗器固定，軌道運輸車將舊電抗器拉至空曠的材料堆放區，并裝載新電抗器運回并安裝。采用電動軌道運輸車和專用吊架吊裝結合使用的方法，減少了電力設備的停電范圍，加強了吊裝作業的安全性，保證了狹窄區域內檢修作業的工期進度。

6 結論

綜上所述，本軌道運輸車適用于變電站狹窄區域的電力設備的運輸，與專用吊架配合使用，減少了更換大型電氣設備所帶來的安全隱患，提升大件電氣設備運輸安全管控，減少電力設備停電時間，降低經濟影響范圍，提高了電網的可靠性。同時，適用于各電壓等級、各類型大件電氣設備吊裝更換，經濟效益明顯，實用性強。