變電站10kV開(kāi)關(guān)機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李雄，張強(qiáng)，李志剛，朱容

（1.國(guó)網(wǎng)杭州市臨安區(qū)供電公司，浙江 杭州 311300；2.河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300130；3.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

1 引言

10kV開(kāi)關(guān)停電轉(zhuǎn)檢修是運(yùn)維人員日常停電操作最頻繁的操作項(xiàng)目之一，而10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車是開(kāi)關(guān)在試驗(yàn)狀態(tài)與檢修狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)的必備輔助工具[1]。常規(guī)機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，成本低廉，得到了生產(chǎn)廠家的青睞，但是其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中還存在著一些缺陷比如機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車在操作過(guò)程中視線阻擋、難于固定找平、耗費(fèi)體力等[2]。因此，對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)小車在機(jī)械設(shè)計(jì)上的不足進(jìn)行改進(jìn)，不僅能提高運(yùn)維人員在操作機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車時(shí)的工作效率，還能保障運(yùn)維人員的人身及設(shè)備安全，提高電網(wǎng)的安全可靠性。目前，國(guó)內(nèi)外在機(jī)械方面的研究有許多，在輪椅上加裝機(jī)械臂來(lái)提高行動(dòng)自由度[3]，設(shè)計(jì)袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)械手來(lái)確定合理碼放順序[4]。而對(duì)于10kV開(kāi)關(guān)機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車的研究也不少，文獻(xiàn)[5]使用滾球式的滾輪、錐形導(dǎo)軌，加裝開(kāi)關(guān)小車固定裝置以及液壓機(jī)構(gòu)輔助轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)運(yùn)小車操作起來(lái)更加輕松和安全。文獻(xiàn)[6]通過(guò)液壓升降裝置對(duì)剪刀式升降臺(tái)進(jìn)行升降操作，輕松省力，同時(shí)液壓升降裝置穩(wěn)定易控，有利于剪刀式升降臺(tái)升降過(guò)程的平穩(wěn)。但是這些改進(jìn)主要集中在難于固定找平、耗費(fèi)體力方面。對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車在操作過(guò)程中存在的視野阻擋問(wèn)題始終沒(méi)有得到解決。由于承載了開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)小車高度超過(guò)了一般人體的正常視線范圍，運(yùn)維人員在將開(kāi)關(guān)從檢修狀態(tài)轉(zhuǎn)入試驗(yàn)狀態(tài)的過(guò)程中需要兩人相互配合，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)小車與開(kāi)關(guān)柜的接觸定位。這樣既浪費(fèi)了人力，又給操作人員帶來(lái)了極大的不便。

因此，對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車進(jìn)行改進(jìn)，在轉(zhuǎn)運(yùn)小車的后端和前端的定位圓柱處設(shè)計(jì)一個(gè)潛望鏡，操作人員通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)小車后端的潛望鏡來(lái)觀察轉(zhuǎn)運(yùn)小車在移動(dòng)過(guò)程中前端定位圓柱體的定位情況，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)小車的單人快速定位。

2 變電站10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車結(jié)構(gòu)

目前，變電站內(nèi)普遍使用的10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車主要有10kV出線開(kāi)關(guān)柜轉(zhuǎn)運(yùn)小車和大電流開(kāi)關(guān)柜轉(zhuǎn)運(yùn)小車。大電流開(kāi)關(guān)柜轉(zhuǎn)運(yùn)小車的柜體寬度比一般10kV出線開(kāi)關(guān)柜轉(zhuǎn)運(yùn)小車要寬，但是兩者高度一致，操作起來(lái)并無(wú)區(qū)別。一般情況下，變電站10kV出線較多，所以10kV出線開(kāi)關(guān)柜轉(zhuǎn)運(yùn)小車使用頻次較高，因此將10kV 出線開(kāi)關(guān)小車作為示例進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。10kV 出線開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車的正視圖和側(cè)視圖，如圖1所示。

圖1 10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車正視圖和側(cè)視圖Fig.1 Front View and Side View of 10kV Switch Transfer Car

從圖1可以看出，10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車分別由4個(gè)滾輪、中空金屬鎧裝柜、升降平臺(tái)以及2個(gè)對(duì)位圓柱體組成。4個(gè)滾輪分別焊接在中空金屬鎧裝柜下端部的四個(gè)邊角處，便于轉(zhuǎn)運(yùn)小車的移動(dòng)，升降平臺(tái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)四根安裝在中空金屬鎧裝柜上面四個(gè)邊角的螺柱來(lái)進(jìn)行高度的調(diào)節(jié)，以便于轉(zhuǎn)運(yùn)小車來(lái)實(shí)現(xiàn)不同高度開(kāi)關(guān)柜中的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)工作。升降平臺(tái)前端左右兩邊分別安裝了兩塊槽型鐵片，其上分別固定了一根鐵質(zhì)圓柱體，以便于轉(zhuǎn)運(yùn)小車與開(kāi)關(guān)柜上相對(duì)應(yīng)位置上圓孔的貼合，實(shí)現(xiàn)兩者之間的準(zhǔn)確對(duì)位。

2.2 10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車工作過(guò)程

10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車工作過(guò)程，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)小車工作過(guò)程Fig.2 Working Process of Transfer Trolley

當(dāng)變電站10kV 線路上的開(kāi)關(guān)需要進(jìn)行停電檢修或者試驗(yàn)時(shí)，首先將10kV轉(zhuǎn)運(yùn)小車升降平臺(tái)前端的兩個(gè)圓柱體分別對(duì)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)柜上對(duì)應(yīng)位置的圓孔，如圖2（a）所示。

對(duì)準(zhǔn)位置之后將10kV 轉(zhuǎn)運(yùn)小車與開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行緊密貼合，如圖2（b）所示。再將10kV開(kāi)關(guān)從開(kāi)關(guān)柜中拉至10kV轉(zhuǎn)運(yùn)小車平臺(tái)上，然后將承載10kV 開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)小車與開(kāi)關(guān)柜分離，如圖2（c）所示。

操作好之后再進(jìn)行開(kāi)關(guān)的停電檢修或者試驗(yàn)。在開(kāi)關(guān)停電檢修或者試驗(yàn)結(jié)束之后，再將承載開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)小車與開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行對(duì)位貼合，最后再將開(kāi)關(guān)重新推入開(kāi)關(guān)柜中，如圖2（d）所示。

3 10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于承載10kV開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)運(yùn)小車的高度一般為150cm，超過(guò)了普通人正常視線范圍，所以在開(kāi)關(guān)停電檢修或者試驗(yàn)完成之后，將開(kāi)關(guān)重新推入開(kāi)關(guān)柜時(shí)由于視野阻擋單人無(wú)法操作，需要兩名運(yùn)維人員同時(shí)進(jìn)行配合，這樣既浪費(fèi)人力，工作效率又不高?；诖?，在轉(zhuǎn)運(yùn)小車升降平臺(tái)前端固定鐵片處安裝一個(gè)只具有潛望功能的簡(jiǎn)易潛望鏡，讓操作人員通過(guò)潛望鏡觀察轉(zhuǎn)運(yùn)小車前端圓柱體與開(kāi)關(guān)柜的對(duì)位情況，從而實(shí)現(xiàn)單人快速對(duì)位。

3.1 轉(zhuǎn)運(yùn)小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

潛望鏡的基本功能是供觀察者在水下觀察海面或空中目標(biāo)，因此其基本光學(xué)系統(tǒng)是能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的望遠(yuǎn)和潛望功能的望遠(yuǎn)系統(tǒng)[7]。系統(tǒng)的基本關(guān)系式為：

式中：λ—望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率；β轉(zhuǎn)—轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的橫向放大率；、—物鏡、目鏡的焦距；σ’、σ—物方、像方的視場(chǎng)角；C、C’—系統(tǒng)入瞳和出瞳直徑；m—轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的組數(shù)。

由于轉(zhuǎn)運(yùn)小車前后端的距離不足1m，所以安裝在轉(zhuǎn)運(yùn)小車上的潛望鏡只需要考慮潛望功能。其光學(xué)原理，如圖3所示。其中，L1、L2—潛望鏡的兩塊反射鏡。

圖3 潛望鏡光學(xué)原理Fig.3 Optical Principle of Periscope

潛望鏡正前方目標(biāo)射來(lái)的平行光束經(jīng)過(guò)反射鏡L1反射后垂直向右行進(jìn)，然后再經(jīng)過(guò)反射鏡L2反射垂直向上進(jìn)入到觀察者的眼睛。為了便于潛望鏡的安裝，首先需要對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)小車進(jìn)行改進(jìn)。在轉(zhuǎn)運(yùn)小車升降平臺(tái)前端其中的一個(gè)安裝對(duì)位圓柱的鐵片上開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)方形孔，然后在轉(zhuǎn)運(yùn)小車升降平臺(tái)后端對(duì)應(yīng)的位置也開(kāi)一個(gè)長(zhǎng)方形孔，將潛望鏡通過(guò)兩個(gè)孔固定在升降平臺(tái)上，并且?guī)в蟹瓷溏R1的那一頭固定在升降平臺(tái)的前端孔，反射鏡2的那一頭固定在后端孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 改裝后開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Switch Transfer Car After Refitting

操作人員通過(guò)從后端潛望鏡觀察前端的對(duì)位情況，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)位。由于開(kāi)關(guān)柜上的兩個(gè)對(duì)位圓孔處于同一水平位置，當(dāng)其中一個(gè)圓柱體的位置對(duì)好之后，另一個(gè)圓柱體可以直接與開(kāi)關(guān)柜上的圓孔貼合，所以在轉(zhuǎn)運(yùn)小車的升降平臺(tái)上只需要安裝一個(gè)潛望鏡。

3.2 潛望鏡的改進(jìn)設(shè)計(jì)

如果在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車上安裝普通潛望鏡，其只能觀察到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車前端正下方的目標(biāo)[8?10]，而10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車升降平臺(tái)前端的對(duì)位圓柱體有一定的長(zhǎng)度，其視野范圍不在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車前端正下方，普通潛望鏡是無(wú)法觀察到圓柱體的對(duì)位情況，因此需要對(duì)安裝在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車上的潛望鏡進(jìn)行改進(jìn)。首先將安裝圓柱體的槽型鐵片分為1區(qū)和2區(qū)，1區(qū)放置潛望鏡放射鏡片L1那一端，該端所在的平面要與鐵片所在平面重合，保證圓柱體與開(kāi)關(guān)柜緊密貼合，其次將2區(qū)切割掉，保證對(duì)位圓柱體處的光線通過(guò)切割掉的2區(qū)反射至操作者的觀察窗口，如圖5所示。

圖5 槽型鐵片設(shè)計(jì)Fig.5 Design of Grooved Iron Sheet

最后將反射鏡1繞BB’軸向下旋轉(zhuǎn)將一定的角度，從而改變光路在水平面和垂直面上的方向，其光學(xué)傳播路徑，如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后潛望鏡光學(xué)傳播路徑Fig.6 Improved Optical Propagation Path of Periscope

圖中0≤θ≤45°，θ為反射鏡L1的旋轉(zhuǎn)角度，α+θ=45°，a為潛望鏡視野寬度，BCA2E為旋轉(zhuǎn)反射鏡1之后的視野范圍，BA2A3E為未旋轉(zhuǎn)反射鏡1之前的視野范圍，b為旋轉(zhuǎn)反射鏡1之前與之后視野交錯(cuò)臨界處所能觀察到的目標(biāo)的長(zhǎng)度，c為旋轉(zhuǎn)反射鏡1之前與之后視野交錯(cuò)臨界處距離反射鏡1的距離。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知，隨著θ的增大，c在逐漸減小。而且根據(jù)幾何計(jì)算得出：

4 案例分析

以某變電站10kV 大電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車為例，如圖7 所示。其轉(zhuǎn)運(yùn)小車的前端與后端的長(zhǎng)度d2=64cm，對(duì)位圓柱體的長(zhǎng)度d3=3cm，安裝對(duì)位圓柱體的鐵片的長(zhǎng)度d4=9.5cm，寬度d5=6cm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求：d3≤b，d+c≤d4，a=d。根據(jù)實(shí)際情況，取視野寬度a=4cm，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度θ為不同數(shù)值時(shí)，利用式（1）和式（2）計(jì)算c和b的數(shù)值。計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation Results

圖7 10kV大電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車Fig.7 10kV High Current Switch Transfer Car

潛望鏡的視野觀察效果取決于AA4的長(zhǎng)度，AA4的長(zhǎng)度隨偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化，其長(zhǎng)度越長(zhǎng)，視野觀察效果越好，為找到最佳視野觀察的偏轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)圖5建立目標(biāo)函數(shù)，如式（4）所示：

式中Γ(θ)—視野長(zhǎng)度AA4的長(zhǎng)度目標(biāo)函數(shù)。

考慮實(shí)例開(kāi)關(guān)小車的相關(guān)尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立約束條件，如式（5）、式（6）所示。

根據(jù)計(jì)算可知，表1中紅色方框中的偏轉(zhuǎn)角度均符合條件要求，利用目標(biāo)函數(shù)（4）和約束條件（5）、（6）進(jìn)行計(jì)算可知，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為16°時(shí)，AA4的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，視野觀察效果最好。

為了驗(yàn)證開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車改進(jìn)之后的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test Results

通過(guò)表2中的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，使用未改進(jìn)的10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車將開(kāi)關(guān)由檢修狀態(tài)推至試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)需要兩個(gè)人平均耗時(shí)約118.75s，改進(jìn)之后的轉(zhuǎn)運(yùn)小車只需要1個(gè)人，平均約30s就可以完成操作，工作效率提高了將近8倍。

5 結(jié)論

（1）闡述了10kV開(kāi)關(guān)機(jī)械轉(zhuǎn)運(yùn)小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化的改進(jìn)方法，在轉(zhuǎn)運(yùn)小車的升降平臺(tái)上安裝一個(gè)改進(jìn)后的潛望鏡，完全消除了小車在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的視野盲區(qū)，很好的解決了視野阻擋問(wèn)題。

（2）使用未改進(jìn)的10kV開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)小車將開(kāi)關(guān)由檢修狀態(tài)推至試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)需要兩個(gè)人平均耗時(shí)約118.75s，改進(jìn)之后的轉(zhuǎn)運(yùn)小車只需要1個(gè)人，平均約30s就可以完成操作，工作效率提高了將近8倍。節(jié)約了人力，提高了工作效率，不僅保障了運(yùn)維人員的人身及設(shè)備安全，還提高了電網(wǎng)的安全可靠性。

（3）該改進(jìn)方案的實(shí)施直接能使運(yùn)行專業(yè)受益，可推廣到公司所有運(yùn)行班組，提高公司經(jīng)營(yíng)效益，對(duì)今后提高運(yùn)行人員的工作效率也有重要意義。