保護(hù)壓板投退工器具的研制

楊 浩 孫 鑫 陳 晨 盧曉光

(1.國網(wǎng)河南省電力公司超高壓公司，河南 鄭州 450000；2.河南許繼儀表有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

保護(hù)壓板，又稱保護(hù)連片或稱跳閘壓板，作為安裝在變電站保護(hù)裝置上的一種連片，是保護(hù)裝置聯(lián)系外部接線的橋梁和紐帶。保護(hù)壓板的閉合和打開代表著投退，關(guān)系到保護(hù)的功能和動作出口能否正常發(fā)揮作用，操作失誤會造成嚴(yán)重的安全事故［1-4］。

壓板在變電站繼電保護(hù)或測控裝置屏都有大量的配備，特別是在繼電保護(hù)屏等功能復(fù)雜的保護(hù)裝置上配備的壓板數(shù)量高達(dá)數(shù)十塊。投退壓板（硬壓板）操作過程工作量大，因空間受限操作難度大，不夠便捷，操作者易出現(xiàn)疲勞及漏操作現(xiàn)象，極易造成安全事故。基于此，有必要研制一套專用壓板投退工器具以解決上述問題。

本研究通過需求分析，設(shè)計一套專用壓板投退工器具。設(shè)計要點(diǎn)主要有兩個方面：一是合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，體現(xiàn)專用性和解決壓板操作過程所遇到問題的針對性；二是小電機(jī)的穩(wěn)定力矩控制設(shè)計，包括電機(jī)穩(wěn)定的力矩控制及邏輯控制在實(shí)現(xiàn)替代人工操作的同時，作業(yè)效果也優(yōu)于人工操作。

1 保護(hù)壓板投退工器具研制需求分析

按照壓板接入保護(hù)裝置二次回路位置的不同，可分為保護(hù)功能壓板和出口壓板兩大類。在保護(hù)、測控裝置正常運(yùn)行或定檢、檢修時都需要投退相關(guān)壓板。投退壓板（硬壓板）操作，需要擰開壓板的上端旋鈕和下端旋鈕，再將壓板退出。投入壓板時，需要將壓板投入后擰緊壓板的上端旋鈕和下端旋鈕。在投退壓板操作中發(fā)現(xiàn)以下急需解決的問題：①投退壓板（硬壓板）操作者直接用手進(jìn)行操作，需要擰開和擰緊的壓板旋鈕排布得較為密集，操作不便，且耗時。②壓板的上下端是帶電的金屬片，投退壓板時需要確保上下端旋鈕擰緊，確保接觸良好。倒閘操作過程中，操作人員需要投退的壓板數(shù)量較大，且壓板（硬壓板）位置多處在保護(hù)、測控柜靠下區(qū)域，需要長時間保持蹲姿，會造成身體不適。③投退壓板（硬壓板）時，操作人員手指的工作強(qiáng)度非常大，經(jīng)常有操作人員因反復(fù)多次擰動壓板旋鈕，導(dǎo)致手指表面皮膚出現(xiàn)紅腫破皮現(xiàn)象。更重要的是，由于密集排布的壓板是帶電的，操作人員有因為操作不當(dāng)導(dǎo)致手指碰觸到帶電部位而造成觸電的可能。

綜上所述，投退壓板的方法不當(dāng)對操作人員較容易造成人身傷害，容易出現(xiàn)手指紅腫破皮和手指容易誤碰帶電壓板等問題，且解決過程比較耗費(fèi)時間。在疲憊操作過多，流程單一的情況下，極易導(dǎo)致漏操作，造成嚴(yán)重的安全事故。

目前國內(nèi)對投退壓板的研發(fā)投入主要集中于自動裝置領(lǐng)域，如南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司研制的一種壓板投退器、壓板投退機(jī)構(gòu)及壓板投退控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓板的自動投退及校核，但實(shí)際采用的是一個三自由度機(jī)器人，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且要求屏柜設(shè)計要與其相適應(yīng)，不適合在現(xiàn)有變電站應(yīng)用。國外主要采用電動壓板，電動壓板是新型的壓板投退方式，根據(jù)投退指令，以電機(jī)或推拉式電磁鐵作為動力源，通過特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動壓板進(jìn)行投退，其特點(diǎn)是每一個壓板后都會配有一個電機(jī)或電磁鐵。如果屏柜內(nèi)壓板數(shù)量特別多時，其生產(chǎn)成本會大大增加，同時也會給柜體帶來多余的重量，并且會降低電動壓板投退控制系統(tǒng)的可靠性，容易產(chǎn)生誤動或失效等不利情況。

因此，本研究研制一款簡單便捷、適合現(xiàn)有變電站的投退壓板工器具，既滿足微小空間操作要求，也能滿足電機(jī)提供扭矩力需求，是解決目前相關(guān)技術(shù)問題的一種工器具。

2 工器具機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體設(shè)計：以電池為動力來源，通過齒輪傳動實(shí)現(xiàn)壓板的上下頭同時投退，利用一對扭矩可調(diào)節(jié)的扭矩限制器避免施加到壓板上下旋鈕及螺柱上的力矩過載而損壞，為保護(hù)旋鈕和適應(yīng)不同的旋鈕大小，設(shè)計專用的旋鈕夾具。

保護(hù)壓板投退工器具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 保護(hù)壓板投退工器具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

保護(hù)壓板投退工器具的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計特征為：通過電池供能的方式，實(shí)現(xiàn)保護(hù)壓板的可靠、快速、省力的投退；采用齒輪傳動的方式實(shí)現(xiàn)壓板上下兩調(diào)節(jié)螺母同時投退；通過兩個摩擦扭矩限制器實(shí)現(xiàn)壓板螺柱及調(diào)節(jié)螺母的扭矩保護(hù)；利用改變圓心角調(diào)整所對應(yīng)弦長的方式實(shí)現(xiàn)壓板上下夾頭距離的調(diào)整，以適應(yīng)不同廠家不同壓板螺柱距離的需求；夾具設(shè)計以適應(yīng)不同廠家壓板螺母尺寸且不損傷塑料螺母外套的目的。

壓板上下頭距離40 mm 以內(nèi)，螺柱多采用M4的螺母且有塑料外罩，扭轉(zhuǎn)力矩過載很容易損傷螺柱及螺母，在不到40 mm 的距離內(nèi)設(shè)計兩個扭矩限制器是此次齒輪系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一個特征在齒輪傳動。齒輪傳動以一對相同模數(shù)的齒輪相互嚙合將動力由輸入軸傳送給兩側(cè)齒輪軸，以完成動力傳遞。齒輪傳動結(jié)構(gòu)是指由齒輪副傳遞運(yùn)動和動力的裝置。齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，所以齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。本裝置選用此齒輪傳動機(jī)構(gòu)利用的是其傳動比較準(zhǔn)確、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長的特征。

結(jié)構(gòu)設(shè)計的第二個特征在機(jī)械扭矩限制器。其主要作用為采用過載保護(hù)來保護(hù)調(diào)節(jié)螺母不受損壞。當(dāng)超載或機(jī)械故障而導(dǎo)致所需扭矩超過設(shè)定值時，扭矩限制器以打滑形式限制傳動系統(tǒng)所傳動的扭力。其原理是利用鎖緊螺母來使彈簧產(chǎn)生彈力，作用于摩擦片上，輪狀物體被夾在兩片摩擦片之間，由于彈力的作用使得摩擦片和鏈輪間產(chǎn)生摩擦力，從而能進(jìn)行傳送扭矩。設(shè)備發(fā)生過載時，鏈輪和摩擦片之間產(chǎn)生相對滑動，但是兩者之間依然保持著打滑時的扭矩，此時主動端空轉(zhuǎn)，使傳動端停止。扭矩過載限制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 扭矩過載限制結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計的第三個特征在壓板上下夾頭距離的調(diào)整機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可在保證齒輪正常嚙合情況下完成兩夾具頭中心距的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的壓板螺帽間距。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軸間距離調(diào)整結(jié)構(gòu)

3 工器具電氣設(shè)置

本工器具是機(jī)電一體化在特殊場合應(yīng)用的專用設(shè)備。電氣方面利用小型鋰電池作為供電電源，以主頻16 Hz 的單片機(jī)STM8S103 作為控制器，對微型電機(jī)進(jìn)行控制。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)可控，需要采用雙閉環(huán)方式進(jìn)行控制設(shè)計，以保證轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性及控制的便捷性。

雙閉環(huán)控制外環(huán)為轉(zhuǎn)速目標(biāo)值控制，內(nèi)環(huán)為電流目標(biāo)值控制，此策略增加一個電流內(nèi)環(huán)控制，在保證電機(jī)轉(zhuǎn)速精度的基礎(chǔ)上，使電流值受控，目的是抑制起動堵轉(zhuǎn)等情況的電流沖擊，直接保證了轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性。工器具在剛起動時，通過電流環(huán)控制，可分擋控制轉(zhuǎn)速，為各嚙合面預(yù)留緩沖過程。在力矩限制達(dá)到時，電流環(huán)控制可在機(jī)械打滑保障的同時，增加一道電器邏輯控制過程，實(shí)現(xiàn)軟硬件聯(lián)合保護(hù)。雙閉環(huán)控制流程如圖4所示。

圖4 微型電機(jī)雙閉環(huán)控制流程

首先設(shè)定轉(zhuǎn)速給定值目標(biāo)值nref，與實(shí)際測量轉(zhuǎn)速n求差值，作為轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI 控制輸入信號。轉(zhuǎn)速PI控制器的輸出經(jīng)限幅處理，即為電流內(nèi)環(huán)的控制目標(biāo)值，記為irefd，此信息同功率驅(qū)動電路中的實(shí)時電流值取差，作為電流內(nèi)環(huán)PI 控制器輸入，電流PI控制器的輸出經(jīng)限幅處理，即電機(jī)驅(qū)動控制的占空比τ。

雙閉環(huán)控制需要檢測實(shí)時電流和轉(zhuǎn)速。在微機(jī)電系統(tǒng)中，考慮成本因素，不使用貴重的傳感設(shè)備。實(shí)時電流通過串聯(lián)在母線電流中的檢測電阻獲取，而實(shí)時轉(zhuǎn)速則是通過分析霍爾信號的變化獲取，即轉(zhuǎn)子磁勢旋轉(zhuǎn)一周，霍爾信號高低電平轉(zhuǎn)換一次，此時，利用單片機(jī)中定時器功能，累計高低電平轉(zhuǎn)換一次定時器中斷個數(shù)，推算此周期內(nèi)的轉(zhuǎn)速。此單片機(jī)中的頻率為16 Hz，則其中，S為一周內(nèi)累計中斷次數(shù)。

4 應(yīng)用效果分析

本次應(yīng)用實(shí)例螺柱調(diào)整設(shè)計范圍為26～36 mm，覆蓋超高壓輸配電洛陽分部所有壓板螺柱間距。工器具應(yīng)用效果試驗在洛陽分部進(jìn)行。

分組二次安措壓板投退對比結(jié)果為，對保護(hù)壓板投退工器具進(jìn)行分組應(yīng)用，可以對不同廠家不同型號壓板上下螺母同時快速松緊，可以避免螺柱螺母扭矩過載損害，并輕松、方便、安全地投退壓板，無人員造成手指表面皮膚紅腫破皮現(xiàn)象和無觸碰到壓板帶電部位造成人身觸電的情況發(fā)生。相對于常規(guī)二次安措壓板投退分組，完成效率提高50%左右。

5 結(jié)論

通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和電氣控制設(shè)計，完成了保護(hù)壓板投退工器具的開發(fā)。工器具實(shí)現(xiàn)了如下設(shè)計需求：①用齒輪傳動的方式實(shí)現(xiàn)壓板上下兩調(diào)節(jié)螺母同時投退；②通過兩個摩擦扭矩限制器實(shí)現(xiàn)壓板螺柱及調(diào)節(jié)螺母的扭矩保護(hù)；③利用改變圓心角調(diào)整所對應(yīng)弦長的方式實(shí)現(xiàn)壓板上下夾頭距離的調(diào)整，以適應(yīng)不同廠家不同壓板螺柱距離的需求；④夾具適應(yīng)不同廠家壓板螺母尺寸且不損傷塑料螺母外套的目的；⑤實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)電機(jī)控制確保力矩輸出穩(wěn)定。保護(hù)壓板投退工器具，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)壓板的可靠、快速、省力的投退，通過對比發(fā)現(xiàn)，其提高檢修效率50%以上。