通用型多功能断路器检修小车设计与实现.pdf

51 电工电气 (2023 No.7)工艺与装备基金项目：国网江苏省电力有限公司孵化项目资助(JF2023014)作者简介：宋承明(1978)，男，高级工程师，学士，从事变电检修工作。宋承明，陈海原，王皓，马杰，孙志宇(国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏 连云港 222004)摘 要：针对现有断路器检修技术中检修时间长、操作复杂、安全性低等问题，设计了一种新型的通用多功能断路器检修小车。该装置能够实现升降取放断路器、断路器底盘车直接翻转等功能，并且适用于不同型号的断路器。对该装置的结构进行了分析并进行实验验证，证明该装置能够满足断路器检修的载荷要求以及功能预期。通过制作实体装置并应用，实测数据表明：该装置能够有效地缩短断路器的检修时间，提升检修的安全性及检修效率。关键词：断路器检修；通用检修小车；物理实现中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2023)07-0051-05 Abstract:The present circuit breaker maintenance technology has problems of long maintenance time,complex operation and low safety,so this paper designs a new universal multi-functional circuit breaker maintenance trolley.The device not only can pick and place the circuit breaker by adjusting the height of the platform,turn over the circuit breaker chassis,but also can be used for different types of circuit break-ers.Through analyzing the trolley structure and experimental verification,it is found that this device can meet the load requirements of circuit breaker maintenance and functional expectation.After manufacturing the physical device and making it into application,the measured data show that the device can effectively shorten the time of circuit breaker maintenance and increase maintenance safety and efficiency.Key words:circuit breaker maintenance;universal maintenance trolley;physical implementationSONG Cheng-ming,CHEN Hai-yuan,WANG Hao,MA Jie,SUN Zhi-yu（State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd.Lianyungang Power Supply Company,Lianyungang 222004,China）Design and Implementation of a Universal Multi-Functional Circuit Breaker Maintenance Trolley通用型多功能断路器检修小车设计与实现0 引言现阶段我国的电力行业高速发展，高压电器设备检修管理工作面临着巨大的挑战1。开关柜是一种典型的由断路器等元件构成的高压成套开关设备，其作用在于线路的投切管理和电能的高效分配2，对于电网的正常运行和故障检修具有重要作用。近年来，10 kV 开关柜的事故发生次数较多，引起了业界人们的广泛关注3-4。业内对于手车式断路器的检修方法主要分为两种5，一种是使用人力将重达上百公斤的设备从手车上抬到地上进行翻转检修，另一种则是使用吊装结构将开关吊起后再进行检修6。这两种方式都存在一定的安全风险，一旦设备突然脱落，检修人员很难来得及闪躲，并且操作效率很低，通常需要耗费非常长的检修时间。在手车式断路器的检修工作中的主要难点是底盘车的检修6，因此，如何简化底盘车的检修成为了一个亟待解决的难题。为了解决上述的问题，检修小车渐渐的被应用在手车式断路器的检修操作当中。现有的检修小车大多是根据某一或几个型号的底盘车进行适配的。然而由于装配的开关柜来自许多不同厂家的不同型号，导致一个检修站需要配备多个检修小车7，给检修工作带来了极大的不便，不满足可适应性设计理念8。参考文献 9 提出的液压式小车分布式结构增加了小车的普适性。参考文献 8 中提出的检修车极大的提升了检修效率。参考文献 10-12 中的小车能够实现高度调节。但是上述方案都不能实通用型多功能断路器检修小车设计与实现52电工电气 (2023 No.7)现底盘车的直接底盘检修。参考文献 5 中虽然解决了开关底盘检修问题，但并不能实现底盘车翻转，检修较为费力。参考文献 13 中提出的检修小车能够适配不同的断路器并且能够实现翻转，但是翻转过程依然依靠手动调节，并且依然需要吊装设备进行底盘车的取放。本文针对检修小车的通用性和简易操作性进行了结构研究以及物理实现，提出了一种能够适用于多种型号底盘车的可翻转升降的通用检修小车。该装置相比于现有的方案具有以下优势：(1)能够调节开合装置以适应不同规格的底盘车尺寸，省去了配备多个型号检修小车对资源的浪费。(2)能够实现底盘车的任意角度直接翻转，相比于现有的翻转方法速度更快效率更高。(3)能够实现高度调节，能够直接取放底盘车，在适应不同尺寸的底盘车的同时提高了检修者的舒适度。1 装置的总体设计及分析为了实现底盘车的不同规格尺寸以及对底盘车的翻转升降功能，可以在功能上将本装置分为三个模块：开口调节模块、翻转调节模块、升降调节模块。这三个模块安装在车架上，实现多功能检修小车的整体。1.1 开口调节模块由于不同的型号的底盘车尺寸上有一定的差距，因此要求开口调节模块具有较宽的调节范围，同时需要承受较大的负荷。设计承载固定板、L 型承载导轨及开合移动板(单位为 mm)，如图 1 所示。承载固定板上下各安装一条直线导轨，每条导轨上装有两个滑块，开合移动板与上下直线导轨滑块栓接使其能够随着滑块在直线导轨上移动，L 型承载导轨栓接在开合移动板上作为底盘车的承载体。通过调节导轨上两个滑块的距离，即可使得承载结构能够适应不同型号的底盘车尺寸，以实现多功能检修小车的通用性。1.2 翻转调节模块为了实现承重平台角度可控的直接翻转功能，一种具有较大承重能力的自锁闭环角度控制系统被设计应用在本装置中。1.2.1 机械设计部分为了实现底盘车的直接翻转功能，需要将承重平台整体进行翻转，因此对旋转机构的承重能力具有很高的要求。回转支撑轴承被应用在旋转机构当中，支撑轴承能够承受较大的轴向力以及径向力，是本应用场景的理想之选。为了实现调节角度的自锁，蜗轮蜗杆的传动机构被应用在本装置中。伺服电机通过转动蜗杆从而实现支撑轴承齿轮的转动带动承重平台进行翻转。由于蜗轮蜗杆结构本身具有的自锁特性14，本装置无需添加其他的限位装置即可实现旋转机构的自锁。1.2.2 电机控制部分为了实现承重平台任意角度的翻转，基于位置控制式的伺服电机被应用在旋转驱动装置之中。图 2 为本装置使用的位置控制式伺服电机控制结构图15-16。a)承载固定板1 04023310118.51 0606005008020b)L型承载导轨7818018073010图1 开口调节模块各部分结构图c)开合移动板7860020通用型多功能断路器检修小车设计与实现53 电工电气 (2023 No.7)图 2 中P*m为指定位置，*m和m为转换之后的指定角度和实际角度，N*为目标速度，*t和m为限制速度和实际速度，i*q和iq为q轴目标电流和实际电流，i*d和id为d轴目标电流和实际电流，i和i为 Clark 变换之后的电流值，ia、ib、ic为电机的三相电流，u*q和u*d为q轴和d轴目标电压，u*和u*为经过 Park 反变换之后的电压。伺服电机驱动器接收来自总控系统的位置控制指令，通过尺度换算之后转换为电机的目标角度信号。然后经过速度环输出q轴的电流值。d轴电流以及q轴电流经过 Park 反变换以及 Clark 反变换之后转换为三相电流值。最后通过逆变器进行电流输出。Park变换以及Clark变换的表达式分别如式(1)、式(2)所示。Park 反变换以及 Clark 反变换如式(3)、式(4)所示。本装置不仅可以调节承重平台旋转到任意的角度，并且可以控制电机的旋转速度以适应不同的工况。翻转平台的角度控制流程图如图 3 所示；通过输入承重平台所需的旋转角度，驱动电机转动；在转动过程中可以调节平台的转动速度；当承重平台到达指定的位置后，电机停止运动并进行抱轴，避(2)idiqii=cosm-sinmsinmcosm(3)u*u*u*qu*d=cosmsinm-sinmcosm(1)iii0iaibic=2310 2/2-1/2 3/2 2/2-1/2-3/2 2/2(4)uaubucu*u*=1-1/2-1/20 3/2-3/2免由于蜗轮蜗杆滑动产生角度偏移。1.3 升降调节模块升降调节模块承载着整个负载进行上下移动，因此对整个升降结构的强度具有很高的要求。目前主要的升降装置有如下几种，分别为小型液压升降平台、电动升降杆、螺旋升降器。表 1 为这三种升降装置的性能对比，综合表 1 可以看出，螺旋升降器在安全性、承重载荷以及升降精度方面都优于其余两种升降结构。因此这里采用螺旋升降器作为升降结构的主要部件。1.4 车架设计以及整体组装图 4 为车架的结构图，车架体由两支垂立的C 型导向型钢、横中梁、横底梁、双纵底梁、后脚轮图3 角度控制流程图开始输入目标角度尺度转换默认速度输入速度电机运行电机抱轴确认？到达目标角度？是否有值？NNNYYY表1 三种升降装置的性能对比升降装置承重载荷安全性升降精度小型液压升降平台数吨级不具备自锁毫米级电动升降杆200 kg内不具备自锁毫米级螺旋升降器数吨级具备自锁0.1 mm级通用型多功能断路器检修小车设计与实现图2 位置控制式伺服电机控制结构图尺度转换PIPIPIPark反变换Park变换逆变器SVPWMClark变换PIP*mu*qi*qi*du*du*iiaidu*iicibiqN*mmm*tm角度环电流环速度环伺服电机du/dt+-54电工电气 (2023 No.7)支撑衬及推拉把手组成，前后脚轮安装在架体底部，两前轮为定向轮，各装配在双纵底梁的前端部，起到稳固车身和推移走动的目的，两后轮为万向带脚踩刹车的车轮，分别安装固定在车架体的两侧支撑衬下方，起到控制车体行走方向、定位刹停的作用。图 5 为检修小车的整体组装图，升降部分直接与车架本体连接，翻转调节部分连接在升降部分的活动端，开合部分通过回转支撑轴承与翻转调节部分连接。由此便可实现底盘车的升降和翻转功能，并且结构紧凑牢固。2 小车的强度实验以及功能性验证本章节通过载荷实验分析了检修小车的结构可靠性，同时通过各种功能的实现验证了小车的功能可行性，最后将该小车应用在实际的检修场景当中，验证本文提出的多功能检修小车能否提升故障检修的效率。2.1 结构载荷实验2.1.1 开口调节模块载荷实验开口调节模块的主要受力部分为直线导轨、开合移动板以及 L 型承载导轨。为了验证各个部分的载荷，本实验中将不同的静抗弯负荷施加在各个承载体上，得出实验结果如表 2 所示。从表 2 中可以看出，直线导轨在各个静载荷的作用下均未发生倾覆。对于底盘车的检修作业，仅要求负荷能力大于 300 kg 即可。此处保有 10%的余量，能够更好地保障结构的安全性。对开合移动板以及 L 型承载导轨施加 1 min 160 N m 的静负荷，连续实验 3 次，开合移动板以及 L 型承载导轨均未发生变形及损伤。2.1.2 车架结构载荷实验在本实验中，对车架施加 3 min 不同的静抗弯载荷。表3为车架结构的载荷测试结果。从表3中可以看出，车架结构的载荷测试性能能够满足应用需求。2.2 功能可行性实验2.2.1 开合功能实验为了验证本装置能够适应多种不同规格的底盘车尺寸，需要对开合装置进行功能可行性实验。本实验中将开合目标设置为 500 1 000 cm 内连续可调。验证开合装置的最大开合距离以及最小开合距离是否可达。实验结果如表 4 所示。实验结果表明本装置能够实现 500 1 000 cm内的开度可调，同时具有较高的调节精度。表 4 中的实际开度与目标开度之间存在的偏差是由于机械结构本身的精度以及测量误差导致的，因此调节精度能够满足实际的作业需求。2.2.2 翻转功能实验本实验主要验证翻转功能能否准确地到达设定的角度。在 0 360 之间均匀地选取十个角度值作为目标翻转角，以铅垂线向上角度为 0 测量每一组实验的实际翻转角，在最大速度 20%的实验条件下图4 车架结构横中梁推拉把手后脚轮支撑衬带刹车后轮垂直支撑杆双纵底梁导向前轮图5 整车装配图以及整车实物照片a)装配图b)实物照片表2 直线导轨载荷能力测试结果kg负重载荷200280290300310320330是否倾覆否否否否否否否表4 开合结构的开合测试结果cm目标开度5006007008009001 000实际开度500.1599.7699.9800.0900.21 000.0表3 车架结构的载荷测试结果kg负重载荷300320340360380400420是否倾覆否否否否否否否通用型多功能断路器检修小车设计与实现55 电工电气 (2023 No.7)得出实验结果如表 5 所示。从表 5 可以看出，翻转结构能够较为准确地到达设定的翻转角，由于蜗杆齿轮结构本身具有结构死区以及电机采样精度的误差，导致最终的角度与设定值之间存有一定的偏差，但是该偏差范围平均在 1.5%，属于正常范围。2.2.3 升降功能实验升降功能实验主要验证升降机构能否实现自锁。本实验中对承重台施加 300 kg 的静负荷，并调节升降结构在不同的高度下能否实现自锁。实验结果如表 6 所示，验证了自锁结构的可靠性。2.3 实际的检修场景在有关机构的批准下，将本文提出的检修小车应用到实际的三起电路事故检修作业当中。检修作业时，只需要一名作业人员操作多功能小车即可完成手车的转移、翻转工作。加入检修小车之后的各个检修环节所占的时间统计如表 7 所示。如图 6 所示，使用本文提出的检修小车之后，手车翻转时间在整个检修过程中的比重从 54%降到了 7%。大大缩短了整体的检修时间，提高了底盘车的检修效率。3 结语本文提出了一种带有升降翻转功能的多功能通用型断路器底盘车检修小车。通过对该装置的功能需求设计了一套实现方案，并使用开合式固定结构实现对不同型号的手车式断路器的适配。并且经过一系列的实验验证了该方案的可行性以及结构的可靠性，并将其应用在实际的检修工作当中，取得了较好的应用效果。参考文献1 毛文增.高压电气设备检修技术研究 J.冶金管理，2021(23)：60-61.2 李和森，柳冠中，么大伟.塑壳断路器人机交互方式改进设计 J.机械设计，2022，39(9)：142-147.3 YANG Yingying,LI Yuanyi,NIE Qixin,et al.Analysis of the Refuse Action Failure of 10 kV Circuit BreakerC/Proceedings of the 2018 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各检修环节时间占比底盘车检修15%手车翻转54%底盘车恢复11%转移手车11%清理现场9%a)未加入检修小车b)加入检修小车底盘车检修35%底盘车恢复27%转移手车11%清理现场20%手车翻转7%通用型多功能断路器检修小车设计与实现(下转第73页)73 电工电气 (2023 No.7)故障原因、缺陷类型、缺陷原因等进行分类统计，生成设备故障事件统计报表和设备异常事件统计报表，辅助对故障异常事件情况进行分析统计。4.6 系统分类检索对集中监控变电站的五类告警数据，按时间、责任区域、变电站、告警内容等条件对数据进行检索，得到满足条件的所有告警信息，实现基于告警信息的数据分类检索。对频发告警信息、告警事件频次、遥控操作、故障异常事件等，按时间、责任区域、变电站等条件对数据进行检索，得到满足条件的所有事件，实现基于事件的数据分类检索。4.7 分析报告自动生成对集中监控变电站按照时间、监控责任区等一键生成集中监控变电站告警信息分类统计情况、告警信息频发情况、母线电压及设备负载事件频次情况、故障异常事件情况的分析报表，提高信息分析工作的智能化水平。同时，提供报表智能分组功能，按时间、监控责任区、电压等级、变电站、设备等条件进行分组统计，分别得到监控区域分组报表、监控电压分组报表、监控变电站分组报表、监控设备分组报表等，满足日、周、月及各专业各种统计分析工作的需要。5 系统应用成效该系统自上线运行以来运转良好，数据分析准确快速，大大降低了信息分析人员信息统计分析时间，经过一个月的数据统计对比发现，原来需要日均 3 4 h 的工作缩减到 30 min 以内，如表 2 所示，工作效率提升显著。此外，运检、调控等相关专业人员通过该系统进行设备相关信息查询，极大方便了其专业管理工作的开展。6 结语针对目前集中监控信息统计分析工具不能全面有效支撑信息分析人员工作开展的现状，按照当前集中监控信息分析工作开展的要求，从整个信息分析的工作流程中找出制约分析工作提升的问题。通过开展工作需求分析，构建整体技术方案，部署系统硬件，建设系统软件功能，实现了监控信息多源数据的整合，建立信息分析统一工作平台，实现信息分析工作的数据化、信息化、规范化，极大提高信息统计分析工作效率与工作质量。该系统设计合理、技术先进、功能丰富，各项功能投运以来，运行稳定、安全可靠，为信息分析人员工作开展提供了有力的技术支撑工具。目前已在地县集中监控变电站信息分析工作中得到应用。收稿日期：2023-01-29表2 实际应用信息统计内容表统计类别统计内容数据来源日均耗时告警信息数量五类告警信息条数OPEN30002功率因数信息条数OPEN30001越限频次3母线电压信息条数OPEN30002越限频次4主变负载信息条数OPEN30001越限频次2线路负载信息条数OPEN30001越限频次2遥控操作AVC自动控制情况AVC1人工遥控情况OPEN3000、OMS2频发信息五类频发信息条数OPEN30003故障异常事件故障异常事件数量OMS1min变电站集中监控多源数据信息分析系统研究与应用12 王伟.刍议通用型手车开关转运小车的研制 J.科技风，2018(16)：137.13 齐亮，吴娆，刘发成.多功能检修小车设计 J.电工电气，2020(8)：75-76.14 ANKUSH R D.Design and analysis of worm pair used in self-locking system with development of manual clutchJ.International Journal of Research in Engineering and Technology，2014，3(8)：427-433.15 LIAW C M,KUNG Y S,WU C M.Design and implementation of a high-performance field-oriented induction motor driveJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1991，38(4)：275-282.16 LIU 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