变电站高压开关柜智能手车操作工具研究

胡 俊，徐嘉伟，季珊珊

(国网上海市电力公司检修公司，上海 200063)

高压开关柜广泛应用于35 kV及以下电压等级电力系统中[1]。随着国家整体经济水平的提升，供电需求的增加，高压开关柜的安全运行要求也在提高。高压开关柜内开关手车主要采用人工使用专用的摇杆手动操作方式，这对操作人员体力有一定要求。尤其是女性员工在操作时，几乎无法将小车一鼓作气摇出，当触头分闸时不能快速摇动，易造成拉弧时间过长，影响断路器触头寿命，存在安全隐患[1-3]。

机器人代替人工的技术在工业领域已经相当成熟和智能化，但在电网系统，尤其是超高压领域，由于对供电可靠性具有极高要求，以及涉及电力机密问题，因此工业机器人的进驻门槛会相对提高，系统内部在采用机器代人领域比较谨慎。目前在手车操作方面，只查询到有开关手车操作摇柄的改进以及类似电动钻的操作方式。因此，本文以实际工作需求为出发点，设计一套高压开关柜智能手车操作工具。

1 高压开关柜智能手车操作工具整体结构设计

根据现场实际经验，设计了一款高压开关柜智能手车操作工具，设计示意图见图1。

高压开关柜智能手车操作工具整体结构分为3部分：操作装置整机、操作控制面板、电源操作面板。

在功能设计上，包括：控制模块的设计，主要为设计信号的传输、接收、响应模式，实现摇控操作装置对驱动模块的控制；激光传感器的配置与应用，实现轴连接目标位置的监察和寻迹；操作控制器自适应功能，解决控制器握持机构与开关柜手柄不能完全同轴的问题；智能力矩限制功能，应对在操作过程中的突发状况。

2 控制模块的设计

在手车摇进摇出的工作环境中，高压开关柜智能手车操作工具首先水平移动，与手车操作孔实现垂直对位，然后通过升降台微调，实现与手车操作孔的精准对位。按下操作按钮，摇杆开始缓慢位移，插入手车操作孔中，并开始均速转动，实现手车的摇进摇出。当达到设定的旋转圈数后，高压开关柜智能手车操作工具停止旋转，摇杆收回，工作结束。

该控制分为3个过程：高压开关柜智能手车操作工具摇杆与手车操作孔对位；摇杆位置检测；摇手车力矩与圈数检测。对于高压开关柜智能手车操作工具控制，实质上是对于各个电机转动角度、速度、扭矩的控制。控制系统具体控制步骤如图2所示。

3 激光传感器的配置与应用设计

针对手车操作孔对位不精准的问题，提出一种基于激光扫描技术的手车操作孔中轴线对位摇手车工具中轴线的法线方向的算法。计算线激光传感器扫描获取的手车操作孔法向量，并将6种获取法线的算法进行对比，用效果最优的算法计算模型上各点的法线坐标，利用离线编程使两者实现精准对位。

激光扫描技术如图3所示。

4 操作控制器自适应功能设计

设计适用于手车操作孔的花键式万向轴啮合结构(见图4)，通过数值仿真分析软件，对啮合结构的静载能力、抗疲劳能力与抗磨损能力进行了分析。受力分析结果表明，各项指标均满足设计要求。

5 智能力矩限制功能设计

在实际操作中，可能会遇到手车导轨卡死现象，而普通电机正常运转无法感知到工作对象的卡死现象，于是在电机的输出轴上设计了智能力矩限制装置(见图5)。利用垫片间的摩擦和力的传导作用，通过改变弹簧片的张力，在一定程度上现了可改变机械旋转力大小的传递和控制，实现智能控制输出力矩大小的宽范围调节。当手车轨道出现卡死时，电机工作而摇杆不转动，光栅传感器感应到该现象，系统发出声光告警，从而解决了在操作中可能遇到手车轨道卡死问题。

图5 智能力矩限制装置

6 电源供电模式和驱动模块设计

高压开关柜智能手车操作工具动力供电系统采用锂电池直流供电模式与外接应急操作电源的双重供电模式。电源控制采用多项保护措施，确保动力供电安全可靠。

电源系统技术指标如下。

(1)直流工作模式：DC23.5-29.6 V；功率：350 W；额定电流<10 A。

(2)交流工作模式：AC220 V±5%；功率为350 W；额定电流<3 A。

(3)充电模式：AC220 V(1±5%)；输入功率<4 A；充电时间不大于10 h，具有充满自停功能；

在交流供电工作模式下，选定直接从墙面检修电源箱插座取220 V交流电作为装置电源。在对上海市域35 kV变电站调查时发现，开关柜距墙面插座最大长度约19.8 m，因此最终选定长度为5 m的电源线外加15 m移动电源线盘。

试验发现，手动操作速度约为1.5圈/s，手车摇柄长度为0.14 m。本文选择的单相交流异步电机功率为400 W。

7 结语

高压开关柜手车辅助操作工具投入使用后，在操作过程中能够有效减轻工作负担，特别是由于连续疲劳工作可能造成的潜在危险；提高电网操作智能化水平，使公司向操作机器代人方向迈进一大步。