变电站电动履带式爬楼机的研制.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：唐健刚（1989），男，广西桂林人，助理工程师，从事变电一次设备技术研究工作。-45-变电站电动履带式爬楼机的研制 唐健刚 倪惠浩 冯奕钧 广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000 摘要：摘要：为贯彻落实广东电网有限责任公司设备规范化检修及数字化转型工作要求，江门供电局率先开展 10kV 小车开关“工厂化轮换检修”工作，成效显著，但重型变电设备上下楼搬运困难仍然是工作的痛点。本文首先介绍了江门供电局10kV小车开关“轮换检修”工作的背景和意义，接着引出轮换检修工作中重物搬运难的“老大难”问题，随后阐述了电动履带式爬楼梯技术的原理和优势，详细介绍了该装置的设计方案、系统架构，包括机械结构、控制系统、传动系统等关键部分的设计和开发。最后，本文探讨了该装置在变电站重型变电设备、器具搬运中的应用前景，并总结了装置的创新点和技术实现的价值。关键词：关键词：轮换检修；电动履带式；搬运；爬楼机 中图分类号：中图分类号：TM564 0 引言 为落实广东电网有限责任公司设备规范化检修，江门供电局深入推进工厂化检修和轮换检修工作，2022 年超额完成了 309 台小车开关工厂化轮换检修，减少设备停电时间 66%以上，取得了显著成效，但重型设备（指 10kV 小车开关、SF6 气瓶等，下同）上下楼搬运仍然是轮换检修工作中的“老大难”问题。受限变电站现场工作环境，多数设备位于变电站二楼，小车开关、SF6 气瓶等变电设备重量高达数百斤，目前只能通过人手搬运上下楼，每次搬运至少需要 4 人，重物砸伤导致的安全事故近年来时有发生，严重影响变电人员、设备的安全。同时变电检修工作量大，变电所人手不足，还存在着日趋严重的人口老龄化问题，根据第七次人口普查显示，与 2010 年相比，我国 60岁及以上人口的比重上升 5.44 个百分点，人口老龄化程度越发严重。因此，提高电力劳动者的劳动生产率，解决重型设备上下楼搬运难的问题，保障电力设备、人员的安全，已是燃眉之急。随着现代科技日新月异的发展，电网自动化、智能化的水平逐渐提高。对于电动爬楼装置，国外已有数十年的研究历史，例如美国 Bray、奥地利 SANO、德国 ATT 电动载物爬楼机等，技术也比较成熟1。但国外品牌设备价格昂贵，采购成本过高，同时不是为变电站设备专用设计。国内对电动爬楼机研究起步较晚，虽有一些小规模生产，仍存在许多不足。为此研究一款基于电动履带式爬楼梯技术的爬楼机，专属承载 10kV 小车开关、SF6 气瓶等变电设备，能够实现对变电站设备和器具的快速、安全上下楼搬运。1 10kV 小车开关轮换检修工作的背景和意义 1.1 现有检修方式的不足 现有的10kV小车开关检修工作存在以下不足2：（1）现场开展的传统检修模式质量欠佳：按照Q/CSG1206007-2017电力设备检修试验规程的相关要求，机构 A 修需对各连杆、拐臂、联板、轴销、螺栓、各电器元件等进行检查，若损坏需更换新的零部件。目前，机构大修工作大多都是在变电站现场开展，受限于现场工作条件和工具，只能进行简单的维护工作及更换部分元器件，无法做到全面的、彻底的机构解体检查维修。（2）设备停电时间难以保障：10kV 小车开关检修工作体量大，以江门供电局为例，10kV小车开关共3000余台，每次 10kV 母线停电检修涉及开关约 20 台，如在现场进行 10kV 小车开关 A 修，因现场工作环境杂乱，同时缺乏专用的工具，将费时费力，停电时间难以保障。综上所述，由于停电时间、检修工具和人手的不足，将严重影变电设备的检修质量，给设备带来不良的安全隐患；同时停电时间长、停电范围大，将影响到供电可靠性，导致客户满意度下降。现场检修质量、时间不达标与停电时间限制之间的存在的矛盾，成为中国科技期刊数据库 工业 A-46-了确保电网安全、设备 安全和供电可靠性的最大矛盾。特别是故障应急处理时，由于备品备件等问题，往往会导致延时复电。1.2 10kV 小车开关轮换检修工作 为解决现有 10kV 母线停电检修的痛点、难点，江门供电局检修中心决定采用“工厂化+轮换检修”模式来代替传统的现场检修方式，工厂化检修有利于对10kV 移开式断路器小车进行深度的、全面的解体检修，提升设备健康水平，提前捕捉到设备可能存在的隐患，并有足够的时间对设备进行维护。提前在检修中心进行备用小车开关工厂化检修，停电当天直接将已全面检修完成的小车开关批量运到变电站工作现场进行批量更换。轮换检修的模式，有利于缩短停电时间，减少对用户的持续供电的影响；有利于提高系统的可靠性。轮换检修流程图如图 1 所示。图 1 轮换检修模式流程图 江门供电局轮换检修的模式开展，能够减少 10kV母线停电检修工作时间 66%以上，不仅保证了供电可靠性，而且提高了设备的可靠性、安全性，取得了显著成效。但是，轮换检修工作也面临着诸多困难和挑战，尤其是工作中涉及变电重型设备的上下楼搬运，多数设备高达数百斤，且位于变电站二楼，现场楼道狭隘，工作人手不足，搬运难问题始终制约着检修能力的进一步发展。2 变电站电动履带式爬楼机的研制 为解决变电站重型设备搬运难问题，本文研制了一种变电站电动履带式爬楼机，具有安全、稳定、智能化程度高等特点，能够轻松实现变电设备、器具的上下楼搬运，保障变电工作人员、设备的安全。2.1 整体结构设计 图 2 为变电站电动履带式爬楼机的整体结构图，包含平面支撑结构、载物平台、控制系统、传动系统、电 机 系 统 五 大 模 块。装 置 净 重 45kg，外 尺 寸1200*480*1100mm,高度可调 1750mm，载物平台调节角度 0-60，材质主要由碳钢、锰钢、铝金金组合，能可靠承载 200kg 以上。其中，平面支撑结构由三角形结构万向轮、坦克式履带和支架组成，用于支持整个载物系统和爬楼运动；载物平台专属设计，用于承托、固定 10kV 小车开关、SF6 气瓶等设备；控制系统包括单片机、配电系统、控制操作面板，用于控制爬楼机，实现各项指令和功能；传动系统含有倾角传感器，用于机械传动和调节装置倾角；电机系统主要包含高能电池和动力电机，用于稳定的供能。图 2 变电站电动履带式爬楼机整体结构图 2.2 平面支撑结构设计 平面支撑结构由三角形结构万向轮、坦克式履带和支架组成，用于支持整个载物系统和爬楼运动。基于对市面上已有爬楼机构的分析对比发现，由于星轮轮距和深度固定，因此该传动机构不适用于不同高度楼梯台阶的高度和宽度3-4，本设计采用坦克履带式爬楼机构，结构稳定可靠，适用于不同高度楼梯台阶的高度和宽度，履带由电机进行驱动，加厚加长，支撑装置在楼梯上自由行走，速度不小于 30-50 阶/分钟，同时采用三角形万向轮结构更为稳定，够轻松实现方中国科技期刊数据库 工业 A-47-向的控制。与传统的轮式爬楼梯技术相比，履带式结构具有更好的越障能力和稳定性，能够适应各种不同的楼梯表面和形状。此外，履带式结构还能够承受较大的载荷，适合变电站重型设备搬运的应用场景。2.3 载物平台设计 考虑强度、硬度的要求，载物平台材质采用 Q235碳钢，同时载物平台设有伸缩铝板和载物固定模块，载物固定模块可拆卸式设计，包含SF6气瓶固定夹具、10kV 小车开关固定导轨等多种可更换的载物固定模块，通过限位能够可靠固定住 10kV 小车开关、SF6 气瓶等变电设备，同时载物平台可上下升降，可根据搬运重物的外形尺寸，进行载物固定台的工装更换，从而拓展需搬运重物的种类，通用性大大提高。图 3 变电站电动履带式爬楼机承载 SF6 气瓶、10kV 小车开关图 同时，为提高搬运过程的安全性，载物平台设有弹力绳卡口，能够用弹力绳辅助绑扎变电设备，达到双重固定的效果，防止重物在爬楼过程中滑落。载物平台尾端配备伸缩版，方便气瓶侧翻上落，轻松省力，保障作业人员的安全。图 4 变电站电动履带式爬楼机载物平台弹力绳卡口设计图 2.4 控制系统设计 电动爬楼机控制系统要具备电动爬楼机运行过程中的速度调控、运动调节、故障检测等各项功能4。基于此，本设计控制系统包括单片机、配电系统、控制面板，配置断电开关、上下楼一键开关调节切换、电池电量数字显示、智能操控等主要功能，控制操作面板示意图如图 6 所示。图 5 变电站电动履带式爬楼机控制面板设计图 2.5 传动系统设计 传动系统用于连接动力电机和履带，用于机械动力传动，配有倾角传感器，可随楼梯坡度自由调节载中国科技期刊数据库 工业 A-48-物固定台倾斜角度，调节角度 0-60，同时具备防溜车功能，配有主动刹车系统，保护作业人员和设备的安全。图 6 变电站电动履带式爬楼机载物平台倾斜示意图 2.6 电机系统设计 电机系统必须拥有可靠的供能，包括续航时间、续航稳定性，基于此，本设计电机系统设有高能电池和无刷纯铜动力电机，采用高能电池供电，工作时仅靠高能电池供电，无需外部供电，可实现 2 人以内的电动省力搬运操作，电机功率不小于 800W，高能电池输出电压为直流 48V，电流直流 12-20A，续航能力不小于 3-4 小时，完全满足工作过程的需要。2.7 变电站电动履带式爬楼机的运作过程 变电站电动履带式爬楼机的使用方法如下：首先工作人员根据所需搬运设备的种类选择相匹配的载物固定模块并进行更换，将载物平台升降到合适位置，将设备固定在载物平台上并绑扎牢靠。随后工作人员将爬楼机推至楼梯前，打开控制开关，开始进行设备的爬楼搬运，在爬楼梯阶段履带与楼梯相接触并稳步运行，载物板始终保持与地面平行，由于楼梯的尺寸大小不完全一致导致载物台会跟着履带一起倾斜，此时图 7 中固定在载物台上的倾角传感器检测到载物台所在面与水平面之间所成夹角超出所设定值时，倾角感应器向控制系统传出数据，控制系统根据倾角感应器所传输的信号进行数据分析，利用单片机对传动系统进行调节，从而起到在爬楼梯过程中调节载物台所在平面与水平面之间所成角度的作用，以使得载物平台在爬楼过程中始终与地面保持平行状态，保证运输设备和工作人员的安全，最终运输人员成功将变电设备运输到指定位置。3 技术优势 本文设计的变电站电动履带式爬楼机具有高效、安全、便捷的优点，适用于变电一次重型设备搬运领域。未来，可以进一步优化该装置的结构和控制算法，提高其搬运效率和安全性。此外，还可以将该装置与其他自动化技术相结合，实现更加智能化的重物搬运。该装置在江门供电局挂网试运用期间，能够可靠的实现对 10kV 小车开关、SF6 气瓶等变电一次设备的上下楼搬运，且具有出色的爬楼能力和稳定性，缩短停电时间 66%以上，保证了作业人员和电力设备的安全。本装置具有以下技术优势：（1）安全可靠。具备防溜车功能，配主动刹车和智能操控系统。（2）续航长，采用无刷纯铜电机，大功率动力强，轻松载重，平稳上楼。采用大容量电池保证爬楼输出足够，续航时间长。（3）安全性高。可随楼梯坡度自由调节载物固定台倾斜角度，同时设计有重物固定卡扣，防止重物在爬楼过程中滑落。（4）通用性强。可根据搬运重物的外形尺寸，进行载物固定台的工装更换，从而拓展需搬运重物的种类。4 结语 本文首先介绍了10kV小车开关轮换检修工作的重要性，随后针对该工作中变电重型设备上下楼重搬运难的问题进行分析，设计了一款变电站电动履带式爬楼机，能够轻松实现变电重型设备的上下楼搬运，解决了工作的痛点问题。电网自动化、智能化运维是电力技术发展的趋势，本装置的研制对保障电力系统安稳运行具有较大的意义，符合国家“十四五”规划需要，不仅提高了电力设备的可靠性，还具有有显著的经济效益和社会效益。参考文献 1陈延伟,梁白冰,刘洪萤.电动爬楼载物车传动系统的设计与动力学仿真J.机械工程师,2015(3):32-34.中国科技期刊数据库 工业 A-49-2倪惠浩,陆浩钿,陶可鹏.一种基于专家团队和基地轮换的规范化检修模式C/广东电网有限责任公司江门供电局,2021.3董淑婧,程瑞.一种四杆机构式电动载物爬楼机J.机械制造与自动化,2017,46(5):167-168.4朱同波,蔡凡.一种爬楼机结构设计与分析J.安庆师范大学学报(自然科学版),2020,26(01):