一种变电站10kV开关柜手车开关操作把手的研制

赖宝鹏 黄文东

摘要：传统的10kV高压开关柜手车开关操作需要借助“Z”子型摇把手动摇入推出，但传统的摇把容易出现“拖把”问题，手动操作较为费时费力，不同厂家生产的开关柜所配置的摇把往往无法通用。因此，本文研制一种转接头可更换、不易“拖把”的电动摇把来解决上述问题

关键词：操作把手;电动摇把

10kV开关柜是变电站中的重要设备之一。它具有结构简单、运行可靠、占地面积不大、操作和检修方便等优点。随着电网的不断发展，变电站10kV设备大多采用开关柜的形式，在开关柜的前中柜中装载着10kV手车开关（断路器）。手车开关是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。在一个变电站中，10kV开关柜开关或者线路转冷备用的操作需要把手车开关拉出至试验位置。目前主要是采用手持传统“Z”型操作把手手动操作的方法，该种操作把手在操作10kV开关柜时较容易出现“拖把”现象。不同厂家所生产的开关柜由于转换头不一致往往需要配置不同类型的“Z”型操作把手，无法实现通用。对于类似整段10kV母线停送电的操作，可能存在运维人员体力消耗过度，摇不动把手的情况，这将延长了停送电时间，大大降低倒闸操作的效率，甚至可能存在无法按时完成操作的情况，常常影响了送电的时间，对电力公司的优质服务及电网的安全可靠运行造成负面影响[1]。因此，急需设计一种电动、安全性高、通用型的操作把手。

1设计需求

为了研制一种电动的、转接头可更换、不易“拖把”、更为实用的变电站10kV开关柜手车开关操作把手，提出了如下的选择方案。

2方案选择

2.1转换头类型

转换头是操作把手和手车开关直接连接部位，其类型的选择直接影响倒闸操作的质量。通过查阅资料与现场调查发现不同厂家不同型号开关柜匹配的操作把手的转换头样式不一致。通过总结形成两种转接头方案：1. 可更换式套筒;2.蜂巢式魔术套筒。可更换式套筒就是收集现有的传统“Z”型操作把手，然后进行归类，打磨制作多种类型的套筒。蜂巢式魔术套筒通过弹簧带动内置钢针的伸缩以适用不同接头。通过试验发现蜂巢式魔术套筒较容易损坏，一体成型的可更换式套筒较不易变形。因此，本设计最终选择套筒直接更换的方式，便于应用。

2.2电机类型

电机是电动操作把手的动力部分，需要对其容量及转速、转矩及调速方式等进行考虑，常见的电机为直流电机和交流电机，通过查阅资料，对两种电机进行综合对比分析。通过对比可得直流电机的启动特性和调速特性远胜于交流电机，且交流电机自身完成不了调速，需要借助变频设备来实现速度的改变，直流电机只需要改变输入或者励磁电流就可以实现平滑而经济地调速，不需要其它设备配合[2]。因此选择直流电机有利于平稳地进行倒闸操作。

2.3 传动部分

传动部分是电机与转接头的连接部分，定轴齿轮即当转动时，各齿轮的轴线相对于机架的位置都是固定不动的，其传动比是固定的。行星齿轮包括太阳轮、行星轮、行星架和外齿圈等部件。由于手车开关质量较大，使用电动操作把手操作时要保证运动平稳，且需要较大的传动力，因此决定选择行星齿轮结构作为传动部分。

2.4 电源类型

电动工具直接连接操作地点附近的电源是最直接的方式，但受到现场电源接入点及其距离操作地点位置远近的限制，当需要使用电动操作把手同时对十几个开关柜进行操作时，电源点与最远的开关柜之间需要很长的电线进行连接，很容易导致电线易缠绕;电池充电式具有便于携带，轻便实用的优点，采用分体式方案以便于对电池进行维护更换。锂离子电池成本相对较高，但具有能量密度高、使用寿命长、适用温度范围宽等特点，同时其体积小、重量轻也是电动把手必须必备的，因此选择锂电池作为操作把手的电源供给。

综上我们选择了锂电池充电式电源+直流电机+行星齿轮结构+可更换式套筒作为变电站10kV开关柜手车开关操作把手的最佳方案。

3 控制策略设计

3.1 电机调速控制电路

本装置电机拟采用555时基电路构成的PWM信号发生器电路作为电机调速控制电路。VCC通过电阻R1和R为电容C1充电，当触发电压小于1/3VCC时，上比较器输出低电平，下比较器输出高电平，RS触发器置1，输出为高电平;当触发电压大于1/3VCC且小于2/3VCC时，上比较器输出低电平，下比较器输出高电平，RS触发器保持，输出仍为高电平;当触发电压大于2/3VCC时，上比较器输出高电平，下比较器输出低电平，RS触发器置0，输出为低电平，此时电容C1通过电阻R的右半部分电阻放电[3]。555时基电路构成的PWM信号电机驱动电路如图2所示。

通常R1电阻值比电位器的电阻值小很多，这样我们就可以控制电路中99%的充放电电阻。555时基电路的控制脚5在电路中没有使用，可以连接一个100nF的电容到地，目的是消除外部干扰。复位引脚4是默认低电平，因此需要把它连接到VCC，以防止不小心造成电路复位。PWM信号发生器的输出频率通过改变电阻R1和电容C1来调整，调节滑动变阻器R的阻值可以改变输出端3脚的输出脉冲宽度，即可以改变脉冲的占空比，进而改变电机的转速。555时基电路输出可以承载200mA的电流供负载使用，为了获得更大的电机驱动电流，我们就需要额外使用晶体管或MOSFET来驱动电机。本设计中使用了一个（TIP122）达林顿晶体管，它可以输出高达5A的电流供负载使用[4]。本文设计的电机驱动电路根据原理图进行PCB布板，系统PCB板实物图如下图3所示。

4 效果检查

新型手车开关电动操作把手研制成功后，分别使用普通Z字型操作把手与新型手车开关电动操作把手对110kV朝阳变二期扩建10kVⅡ段母线上12个开关柜的手车开关进行操作，为了更好地体现对比性，本次操作由女性组员进行，12次对比试验的操作用时折线图如图4所示。

从图4可得，对于传统的“Z”型操作把手，随着操作次数的增加，人员体力耗费加大，每次的操作时间呈现递增趋势，其每次操作的用时比也在递增;而新型手车开关电动操作把手在12次操作中均保持比较固定的操作时间，其操作用时比斜率也相对固定。由于电动操作旋转部位为转接头，因此不会出现“拖把”现象。小组成员也选择110kV建元变、110kV官山变及110kV朝阳变等新建或二期扩建站分别进行电动操作把手的试验，均不会出现“拖把”现象。因此，该新型手车开关操作把手的应用不仅可以杜绝“脱把”，同时也能很大程度上减少操作时间及操作人员的体力消耗。

5结论

该新型变电站10kV开关柜手车开关操作把手的运用可有效降低脱把率，保护人员和设备安全，减轻运维人员的劳动强度，提高工作效率，缩短停电时间，保障电力设备安全性，提高电网供电可靠性，提升供电服务质量和公司形象，具有良好的社会效益。

参考文献：

[1]陈新安， 唐建斌， 王亮才. 高压开关柜的电动摇把研制及应用分析[J]. 电子世界， 2021（3）：2.

[2]覃全兴， 陈小元， 陈超，等. 电动螺丝刀用无刷直流电动机驱动控制器的设计[J]. 微特电机， 2014， 42（12）：5.

[3]張涛， 张晓宇， 王辉俊. 基于PWM和PID的直流电动机控制系统设计与制作[J]. 实验室研究与探索， 2014， 033（007）：134-138.

[4]倪晓宇， 崔瑞龙， 刘威，等. 基于TMS320F28035+DRV8412两相混合式步进电机驱动电路设计[J]. 电子设计工程， 2020， 28（7）：5.

作者简介：赖宝鹏（1990.05—），男，工程师，研究生，主要从事变电运维。

黄文东（1992.04—），男，助理工程师，研究生，主要从事变电运维。