一種變電站10kV開關柜手車開關操作把手的研制

賴寶鵬 黃文東

摘要：傳統的10kV高壓開關柜手車開關操作需要借助“Z”子型搖把手動搖入推出，但傳統的搖把容易出現“拖把”問題，手動操作較為費時費力，不同廠家生產的開關柜所配置的搖把往往無法通用。因此，本文研制一種轉接頭可更換、不易“拖把”的電動搖把來解決上述問題

關鍵詞：操作把手;電動搖把

10kV開關柜是變電站中的重要設備之一。它具有結構簡單、運行可靠、占地面積不大、操作和檢修方便等優點。隨著電網的不斷發展，變電站10kV設備大多采用開關柜的形式，在開關柜的前中柜中裝載著10kV手車開關（斷路器）。手車開關是指能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流，并能在規定的時間內承載和開斷異常回路條件下的電流的開關裝置。在一個變電站中，10kV開關柜開關或者線路轉冷備用的操作需要把手車開關拉出至試驗位置。目前主要是采用手持傳統“Z”型操作把手手動操作的方法，該種操作把手在操作10kV開關柜時較容易出現“拖把”現象。不同廠家所生產的開關柜由于轉換頭不一致往往需要配置不同類型的“Z”型操作把手，無法實現通用。對于類似整段10kV母線停送電的操作，可能存在運維人員體力消耗過度，搖不動把手的情況，這將延長了停送電時間，大大降低倒閘操作的效率，甚至可能存在無法按時完成操作的情況，常常影響了送電的時間，對電力公司的優質服務及電網的安全可靠運行造成負面影響[1]。因此，急需設計一種電動、安全性高、通用型的操作把手。

1設計需求

為了研制一種電動的、轉接頭可更換、不易“拖把”、更為實用的變電站10kV開關柜手車開關操作把手，提出了如下的選擇方案。

2方案選擇

2.1轉換頭類型

轉換頭是操作把手和手車開關直接連接部位，其類型的選擇直接影響倒閘操作的質量。通過查閱資料與現場調查發現不同廠家不同型號開關柜匹配的操作把手的轉換頭樣式不一致。通過總結形成兩種轉接頭方案：1. 可更換式套筒;2.蜂巢式魔術套筒。可更換式套筒就是收集現有的傳統“Z”型操作把手，然后進行歸類，打磨制作多種類型的套筒。蜂巢式魔術套筒通過彈簧帶動內置鋼針的伸縮以適用不同接頭。通過試驗發現蜂巢式魔術套筒較容易損壞，一體成型的可更換式套筒較不易變形。因此，本設計最終選擇套筒直接更換的方式，便于應用。

2.2電機類型

電機是電動操作把手的動力部分，需要對其容量及轉速、轉矩及調速方式等進行考慮，常見的電機為直流電機和交流電機，通過查閱資料，對兩種電機進行綜合對比分析。通過對比可得直流電機的啟動特性和調速特性遠勝于交流電機，且交流電機自身完成不了調速，需要借助變頻設備來實現速度的改變，直流電機只需要改變輸入或者勵磁電流就可以實現平滑而經濟地調速，不需要其它設備配合[2]。因此選擇直流電機有利于平穩地進行倒閘操作。

2.3 傳動部分

傳動部分是電機與轉接頭的連接部分，定軸齒輪即當轉動時，各齒輪的軸線相對于機架的位置都是固定不動的，其傳動比是固定的。行星齒輪包括太陽輪、行星輪、行星架和外齒圈等部件。由于手車開關質量較大，使用電動操作把手操作時要保證運動平穩，且需要較大的傳動力，因此決定選擇行星齒輪結構作為傳動部分。

2.4 電源類型

電動工具直接連接操作地點附近的電源是最直接的方式，但受到現場電源接入點及其距離操作地點位置遠近的限制，當需要使用電動操作把手同時對十幾個開關柜進行操作時，電源點與最遠的開關柜之間需要很長的電線進行連接，很容易導致電線易纏繞;電池充電式具有便于攜帶，輕便實用的優點，采用分體式方案以便于對電池進行維護更換。鋰離子電池成本相對較高，但具有能量密度高、使用壽命長、適用溫度范圍寬等特點，同時其體積小、重量輕也是電動把手必須必備的，因此選擇鋰電池作為操作把手的電源供給。

綜上我們選擇了鋰電池充電式電源+直流電機+行星齒輪結構+可更換式套筒作為變電站10kV開關柜手車開關操作把手的最佳方案。

3?控制策略設計

3.1?電機調速控制電路

本裝置電機擬采用555時基電路構成的PWM信號發生器電路作為電機調速控制電路。VCC通過電阻R1和R為電容C1充電，當觸發電壓小于1/3VCC時，上比較器輸出低電平，下比較器輸出高電平，RS觸發器置1，輸出為高電平;當觸發電壓大于1/3VCC且小于2/3VCC時，上比較器輸出低電平，下比較器輸出高電平，RS觸發器保持，輸出仍為高電平;當觸發電壓大于2/3VCC時，上比較器輸出高電平，下比較器輸出低電平，RS觸發器置0，輸出為低電平，此時電容C1通過電阻R的右半部分電阻放電[3]。555時基電路構成的PWM信號電機驅動電路如圖2所示。

通常R1電阻值比電位器的電阻值小很多，這樣我們就可以控制電路中99%的充放電電阻。555時基電路的控制腳5在電路中沒有使用，可以連接一個100nF的電容到地，目的是消除外部干擾。復位引腳4是默認低電平，因此需要把它連接到VCC，以防止不小心造成電路復位。PWM信號發生器的輸出頻率通過改變電阻R1和電容C1來調整，調節滑動變阻器R的阻值可以改變輸出端3腳的輸出脈沖寬度，即可以改變脈沖的占空比，進而改變電機的轉速。555時基電路輸出可以承載200mA的電流供負載使用，為了獲得更大的電機驅動電流，我們就需要額外使用晶體管或MOSFET來驅動電機。本設計中使用了一個（TIP122）達林頓晶體管，它可以輸出高達5A的電流供負載使用[4]。本文設計的電機驅動電路根據原理圖進行PCB布板，系統PCB板實物圖如下圖3所示。

4 效果檢查

新型手車開關電動操作把手研制成功后，分別使用普通Z字型操作把手與新型手車開關電動操作把手對110kV朝陽變二期擴建10kVⅡ段母線上12個開關柜的手車開關進行操作，為了更好地體現對比性，本次操作由女性組員進行，12次對比試驗的操作用時折線圖如圖4所示。

從圖4可得，對于傳統的“Z”型操作把手，隨著操作次數的增加，人員體力耗費加大，每次的操作時間呈現遞增趨勢，其每次操作的用時比也在遞增;而新型手車開關電動操作把手在12次操作中均保持比較固定的操作時間，其操作用時比斜率也相對固定。由于電動操作旋轉部位為轉接頭，因此不會出現“拖把”現象。小組成員也選擇110kV建元變、110kV官山變及110kV朝陽變等新建或二期擴建站分別進行電動操作把手的試驗，均不會出現“拖把”現象。因此，該新型手車開關操作把手的應用不僅可以杜絕“脫把”，同時也能很大程度上減少操作時間及操作人員的體力消耗。

5結論

該新型變電站10kV開關柜手車開關操作把手的運用可有效降低脫把率，保護人員和設備安全，減輕運維人員的勞動強度，提高工作效率，縮短停電時間，保障電力設備安全性，提高電網供電可靠性，提升供電服務質量和公司形象，具有良好的社會效益。

參考文獻：

[1]陳新安， 唐建斌， 王亮才. 高壓開關柜的電動搖把研制及應用分析[J]. 電子世界， 2021（3）：2.

[2]覃全興， 陳小元， 陳超，等. 電動螺絲刀用無刷直流電動機驅動控制器的設計[J]. 微特電機， 2014， 42（12）：5.

[3]張濤， 張曉宇， 王輝俊. 基于PWM和PID的直流電動機控制系統設計與制作[J]. 實驗室研究與探索， 2014， 033（007）：134-138.

[4]倪曉宇， 崔瑞龍， 劉威，等. 基于TMS320F28035+DRV8412兩相混合式步進電機驅動電路設計[J]. 電子設計工程， 2020， 28（7）：5.

作者簡介：賴寶鵬（1990.05—），男，工程師，研究生，主要從事變電運維。

黃文東（1992.04—），男，助理工程師，研究生，主要從事變電運維。