“西門子”刀閘手動(dòng)操作遠(yuǎn)控電鉆裝置的研究與設(shè)計(jì)

【摘 要】目前，部分500 kV“西門子”刀閘由于機(jī)構(gòu)受潮、繼電器銹蝕等問題導(dǎo)致無法電動(dòng)分合閘，需要操作人員通過鋰電鉆配合專用電鉆頭進(jìn)行就地手動(dòng)解鎖操作，然而該手動(dòng)操作存在人員及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、消耗體力、操作不便、電池續(xù)航能力不足導(dǎo)致操作中斷等問題。文章結(jié)合就地手動(dòng)操作存在的問題，研究設(shè)計(jì)一種裝置，實(shí)現(xiàn)了通過遠(yuǎn)方控制的方式對(duì)“西門子”刀閘進(jìn)行手動(dòng)操作，從而降低手動(dòng)操作風(fēng)險(xiǎn)和體力支出，提高操作可靠性、便捷性，滿足變電站安全倒閘操作的迫切需求。

【關(guān)鍵詞】“西門子”刀閘;手動(dòng)操作;遠(yuǎn)方控制

【中圖分類號(hào)】TM63 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）01-0048-03

0 引言

刀閘又稱隔離開關(guān)，在電力系統(tǒng)中主要起隔離電源、改變電力系統(tǒng)運(yùn)行方式等作用，是在變電站中與斷路器配合使用的一種主要設(shè)備。變電倒閘操作中，對(duì)刀閘進(jìn)行分合閘操作方式主要是通過五防解鎖鑰匙在斷路器端子箱遠(yuǎn)方遙控的方式進(jìn)行。但是在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部控制回路異?；蚶^電器銹蝕卡澀等原因，導(dǎo)致刀閘在倒閘操作中頻繁發(fā)生遙控分合閘拒動(dòng)或失靈等異常現(xiàn)象，此時(shí)需要操作人員采用解鎖操作方式——就地手動(dòng)操作進(jìn)行分合刀閘。

當(dāng)前，500 kV“西門子”刀閘手動(dòng)操作的方法如下：操作人員通過操作解鎖審批后，斷開西門子刀閘故障相的電機(jī)電源及控制電源，雙手手持“西門子”刀閘產(chǎn)家配備的高速鋰電鉆，配合夾緊該“西門子”刀閘機(jī)構(gòu)專用的操作鉆頭，垂直向上插入“西門子”刀閘機(jī)構(gòu)箱正下方的手動(dòng)操作孔，通過鋰電鉆工作時(shí)鉆頭的快速正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“西門子”刀閘的合閘與分閘。整個(gè)操作過程，操作人需蹲在機(jī)構(gòu)箱下方，雙手發(fā)力持穩(wěn)鋰電鉆工作，同時(shí)抬頭觀察正上方的刀閘動(dòng)作過程，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。

這種通過操作人員手持鋰電鉆手動(dòng)操作“西門子”刀閘的方法雖然可以分合刀閘，但是存在以下不足與生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

（1）操作過程中，操作人員需要蹲下身子，雙手用力托住、持穩(wěn)鋰電鉆，使電鉆保持垂直，同時(shí)需要抬頭觀察正上方的刀閘動(dòng)作過程，由于不符合人機(jī)功效，操作人員會(huì)感到身體不舒適，脖子酸痛，手腳麻痹乏力，造成疲勞作業(yè)。

（2）刀閘動(dòng)作過程中產(chǎn)生電弧，甚至噴射火花，對(duì)于處于正下方的操作人員，存在火花灼傷眼睛及威脅人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）產(chǎn)家配備的鋰電鉆是使用鋰電池作為電動(dòng)電源，不具備鋰電池剩余電量顯示功能。手動(dòng)操作刀閘分合閘過程中，一旦出現(xiàn)鋰電池電量不足時(shí)，將導(dǎo)致刀閘動(dòng)作中斷。如果正處于拉弧階段時(shí)，拉弧時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)燒壞刀閘出頭或均壓環(huán)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致開關(guān)兩側(cè)均壓電容炸裂;燃燒或炸裂的設(shè)備跌落有可能造成火災(zāi)和人身傷害，造成電力設(shè)備事故和人身事故。

1 研究思路

基于500 kV“西門子”刀閘手動(dòng)操作存在的不足與風(fēng)險(xiǎn)，本文研究一個(gè)設(shè)計(jì)方案，將“西門子”廠家配備的高速鋰電鉆改造成一種可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作遠(yuǎn)方控制的裝置，即將改造的高速鋰電鉆固定于專用平臺(tái)，讓操作人站在遠(yuǎn)方位置一邊觀察刀閘分合閘動(dòng)作位置變化過程，一邊通過遙控器遠(yuǎn)方操作，控制高速鋰電鉆動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)500 kV“西門子”刀閘手動(dòng)操作分合閘功能。

研究思路包括以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，將鋰電鉆改造成裝置的一部分，通過裝置替代人力，確保鋰電鉆能正常分合刀閘。

（2）裝置具備升降功能或高度調(diào)節(jié)。利用升降輔助裝置實(shí)現(xiàn)控制鋰電鉆的升降，實(shí)現(xiàn)電鉆升降省時(shí)省力、定位精準(zhǔn)，同時(shí)確保升降輔助裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)固牢靠。

（3）電鉆工作時(shí)基礎(chǔ)穩(wěn)固，不發(fā)生位置偏移、抖動(dòng)。裝置與地面之間的接觸采用摩擦力大的防滑固定裝置，實(shí)現(xiàn)將裝置穩(wěn)固地放置在地面上，防止工作中因電鉆轉(zhuǎn)動(dòng)的反作用力導(dǎo)致的裝置位移、抖動(dòng)。

（4）電鉆頭空間位置可調(diào)節(jié)。通過限位螺絲調(diào)整并固定裝置自身的水平角度，以及與機(jī)構(gòu)箱之間的垂直角度。

（5）遙控操作。改造的電鉆可實(shí)現(xiàn)通過遠(yuǎn)方操作遙控器，控制電鉆的開啟與正反鉆。

（6）電源可靠。改造后的電鉆既能連接220 V電源操作，又能通過鋰電池操作;同時(shí)，將剩余電量實(shí)時(shí)顯示在平臺(tái)上。

2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述的研究思路及設(shè)計(jì)目標(biāo)，下面將詳細(xì)闡述對(duì)應(yīng)的改造設(shè)計(jì)方案?！拔鏖T子”刀閘手動(dòng)操作遠(yuǎn)控電鉆裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

原配操作鉆頭長(zhǎng)度為280 mm，按照原配操作鉆頭的尺寸和形狀，使用不銹鋼圓棒材料分別加工成長(zhǎng)度為80 mm、100 mm、180 mm、220 mm及250 mm等多個(gè)尺寸，用于適用不同離地高度的500 kV“西門子”刀閘機(jī)構(gòu)箱。

產(chǎn)家原配鋰電鉆通過改造后，保留電鉆電機(jī)、雙速齒輪箱和夾頭部分。其中，夾頭用于固定操作鉆頭，齒輪箱用于調(diào)節(jié)電鉆的扭矩。根據(jù)電鉆電機(jī)的尺寸和形狀，設(shè)計(jì)加工電鉆夾緊裝置，使電機(jī)可以被穩(wěn)固夾緊，并通過螺絲組合安裝在升降輔助裝置上。

升降輔助裝置采用直流電機(jī)電動(dòng)推桿伸縮的方式，上下兩端內(nèi)置限位開關(guān)，只要下降到最低和上升到最高位置便會(huì)自動(dòng)斷電停止。升降平臺(tái)采用的電源是18 V直流電源，因此可以與電鉆共用電源。升降平臺(tái)的升降速度為24 mm/s，經(jīng)測(cè)試可以承受40 kg的重量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足操作時(shí)的承重要求。升降輔助裝置采用一個(gè)三擋正反開關(guān)控制，安裝在裝置外殼的面板上，方便操作人員進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

為了克服操作過程中電鉆轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反作用力及不平衡走位，本研究設(shè)計(jì)出專用的升降導(dǎo)軌，壁厚5 mm，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。在給升降裝置提供滑向的同時(shí)，限制電鉆夾緊裝置座的位移空間，起到固定電鉆作用，避免了電鉆轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反作用力及不平衡走位。

裝置底座采用4個(gè)不銹鋼增強(qiáng)尼龍固定調(diào)節(jié)腳作為支撐腳。4個(gè)固定調(diào)節(jié)腳可以通過旋轉(zhuǎn)底盤調(diào)節(jié)支撐高度，既可以調(diào)節(jié)裝置的整體高度、橫向水平，控制電鉆頭的垂直角度，又可以解決高壓場(chǎng)地地面的不平整問題。

裝置的電源采用18 V直流鋰電池和220 V交流電兩種模式。通過電源切換把手進(jìn)行切換選擇，分別設(shè)置“停用”“外接電源”和“內(nèi)置電源”3個(gè)檔位。當(dāng)切換把手切換至“停用”位置時(shí)，裝置失電不能工作;當(dāng)切換把手切換至“外接電源”位置時(shí)，裝置采用220 V交流電供電;當(dāng)切換把手切換至“內(nèi)置電源”位置時(shí)，裝置采用鋰電池供電。18 V直流鋰電池配置剩余電量顯示器，操作人員在使用裝置前可以查看鋰電池余量，選擇使用合適的電源模式，同時(shí)對(duì)鋰電池及時(shí)充電，滿足工作需求，避免了操作中刀閘動(dòng)作中斷而出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。

利用遙控器控制電鉆的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。在遙控器設(shè)置正反轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)速選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。讓操作人員可以站在合理的位置操作刀閘分合閘和察看刀閘動(dòng)作過程，避免處于刀閘設(shè)備下方因電弧火花等造成的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

3 加工制作

（1）結(jié)構(gòu)加工。包括裝置的外殼、操作鉆頭、電鉆夾緊裝置、升降平臺(tái)固定面板、升降導(dǎo)軌等部件加工。均采用Solid Works三維建模軟件對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并對(duì)建模文件進(jìn)行CNC數(shù)控機(jī)床加工和激光切割加工。采用鋁合金和不銹鋼作為加工材料。

（2）元器件選用。電鉆夾頭選用13 mm最大口徑夾頭，滿足夾持操作電鉆頭要求;電源切換把手選用LW26-25/2型雙電源切換開關(guān)，額定電流為25 A，滿足電鉆電機(jī)最大工作電流要求;剩余電量顯示器選用雙顯電量電壓表顯示器，上行顯示電池電量，下行電壓表顯示電池電壓;使用兩組空氣開關(guān)分別作為鋰電池充電和外接電源開關(guān)。

（3）電路設(shè)計(jì)。“西門子”刀閘手動(dòng)操作遠(yuǎn)控電鉆裝置電路設(shè)計(jì)接線如圖2所示。

本裝置采用18 V鋰電池和市電220 V交流電兩種供電模式。鋰電池供電模式：通過電源切換把手，直接向電鉆電機(jī)和升降平臺(tái)供電。當(dāng)鋰電池電量不足時(shí)，操作人員通過剩余電量顯示器顯示可直接觀察，通過220 VAC插頭插入站用電源插座，合上電池充電空氣開關(guān)，通過鋰電池充電保護(hù)器對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。市電220 V交流電供電模式：將220 VAC插頭插入站用電源插座，合上外接電源空氣開關(guān)，220 V交流電通過整流器整定后輸出18 V直流電，再經(jīng)過電源切換把手，向電鉆電機(jī)和升降平臺(tái)供電。

遙控器則通過調(diào)節(jié)電鉆的電機(jī)輸入電流大小控制電鉆的轉(zhuǎn)速;通過控制電流的正反流向控制電鉆的正反轉(zhuǎn)。

4 成果試用

根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)“西門子”刀閘手動(dòng)操作遠(yuǎn)控電鉆裝置進(jìn)行加工制作，得出成品（如圖3所示）。

在某500 kV變電站某500 kV開關(guān)由冷備用轉(zhuǎn)檢修的操作中進(jìn)行實(shí)際試用（該500 kV開關(guān)兩側(cè)刀閘和地刀均為“西門子”廠家，機(jī)構(gòu)相同），使用該“西門子”刀閘手動(dòng)操作遠(yuǎn)控電鉆裝置分別對(duì)501117地刀三相和501127地刀三相進(jìn)行就地手動(dòng)分合閘操作。18 V鋰電池和市電220 V交流電兩種供電模式均能進(jìn)行正常的工作。整個(gè)操作過程非常便捷、可靠和安全，實(shí)現(xiàn)了通過遠(yuǎn)方控制的方式對(duì)“西門子”刀閘進(jìn)行手動(dòng)操作，以降低手動(dòng)操作風(fēng)險(xiǎn)和體力支出、提高操作可靠性、便捷性的研究目標(biāo)，滿足變電站安全倒閘操作的迫切需求。

5 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)電力的需要越來越大，500 kV變電站在電力系統(tǒng)的重要性是不可或缺的。本文提出了一種“西門子”刀閘手動(dòng)操作遠(yuǎn)控電鉆裝置，涉及變電運(yùn)行倒閘操作領(lǐng)域，改變了“西門子”刀閘原始的就地手動(dòng)操作模式，通過遠(yuǎn)方控制的方式對(duì)“西門子”刀閘進(jìn)行手動(dòng)操作，避免了就地手動(dòng)操作造成的體力支出和人身及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，提高操作可靠性、便捷性，滿足變電站安全倒閘操作的迫切需求，提升了電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行水平，社會(huì)效益顯著。

參 考 文 獻(xiàn)

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