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变电站开关设备操动机构辅助安装装置研究及应用

日期：2023-08-31 08:38:45 来源：网络整理作者：本站编辑浏览：33 评论：0

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为解决隔离开关机构箱安装时经常出现的安装质量低、难度大，尤其是操动机构输出轴与传动连杆不同轴的问题，贵州电网有限责任公司贵阳供电局的卢兴福、龙波、杨艳、樊三军，在2023年第6期《电气技术》上撰文，研制出一种隔离开关机构箱安装装置，用新装置代替传统机具吊装和纯人工安装的方法，以提高安装质量，降低劳动强度，减少停电时间。

作为电力系统中输变电的重要枢纽，变电站的一次设备数量众多，其中又以开关设备数量最多，而且开关设备的故障率最高。

开关设备故障中，操动机构故障占总故障的70%以上，操动机构最严重的故障出现在机械部分，主要原因是在目前条件下，安装工作只能使用人力、吊车，并依靠安装人员的经验来完成，这就导致操动机构与本体传动部分的连接始终无法保证同轴性，造成操动机构输出力特性与开关设备的本体反力特性配合不佳，使操动机构的操作输出功在传递过程中严重衰减，从而导致开关设备动特性变差或不能操作，即很多开关设备在安装时就已留下安全隐患。因此，在没有柔性连轴装置的情况下，需要一种安装工装，保障户外现场安装过程中操动机构的输出轴与本体传动部分的同轴度。

由多年经验可知，开关设备操动机构故障多数是由于开关设备在安装、调试过程中，操动机构的安装位置存在偏差或调试不佳，使操动机构输出力与开关设备本体的受力不在一条直线上，导致输出功衰减和传动约束部位严重磨损。刚安装时，由于操动机构各部分较为灵活，传动金属件的弹性变形可以恢复，即使存在一定的偏差，开关设备各项动特性指标仍在合格范围内。

随着使用时间增加和温度变化，安装位置误差导致的磨损、塑性变形就会导致开关设备故障。因此，开关设备在使用一段时间后会出现操动机构在操作时振动变大、传动部分金属件弯曲变形、约束部位受力磨损甚至断裂，以及开关设备动作过程中出现分、合闸不到位或速度变慢等现象。

1 开关机构箱安装现状

在当前条件下，变电站开关设备机构箱的安装一般是由人力抬装或是机具吊装。当用人力抬装时，至少需要五人，其中四人抬起机构箱，另一人对其进行焊接固定或螺钉固定。当用机具吊装时，一是吊装机具成本较高，二是有些安装地点空间狭小且机具不能完全到达安装位置，最后都要靠人工完成。

上述两种安装方式都会影响机构箱的安装质量。当用人力抬装时，安装质量受人为因素影响较大，机构箱较重，四人很难保持其水平状态，也很难找到最佳安装位置，且存在操动机构伤人的安全风险。当用机具吊装时，机具很难对机构箱进行整个安装面的水平调节，也很难做到微调。

安装质量会直接影响操动机构输出与传动连杆之间的配合，对于开关设备而言，如果安装时机构箱输出轴与传动连杆没有处于同轴位置，就会分散并减弱输出力，从而对开关设备的分、合闸特性造成一定影响，甚至会造成操动机构损坏。

2 开关设备操动机构安装不良时的受力分析

2.1 开关设备的操动机构结构原理

开关设备的绝大部分操动机构采用四连杆机构，因此本文以四连杆机构为例进行受力分析。四连杆机构简化图如图1所示。

图1 四连杆机构简化图

四连杆机构的自由度为1，因此其在具有1个原动件时的运动是确定的，即当各个轴（铰链）O1、A、B、O2没有外力作用时，从动件2的运动角度β与主动杆1的运动角度α成线性固定倍比关系。当铰链不灵活、主动杆有外力作用（即安装不正时，导向装置与主动杆之间有摩擦力存在，相当于有一外力作用于主动杆）时，主动杆存在变形，这时主动杆的转角与从动杆的转角就不再是原来的固有倍率关系，而是倍率变小，致使刀开关操作不到位。

2.2 隔离开关操动机构受力分析

隔离开关的操作能量来源于操动机构，操动机构与本体通过连接装置相连，既是物理连接，也是力的传动媒介。机构箱固定在固定架上，主动臂通过导向装置与隔离开关本体架构固定，使主动臂的运动逻辑满足使用要求。

当机构箱的安装位置正确时，操动机构旋转角度α，从动臂相应旋转角度为β，在隔离开关动作范围内，α与β成倍率线性关系，隔离开关正常分、合，操动机构的输出力特性与本体的反力特性达到平衡。导向装置仅作为主动臂的固定约束及重力托举，无其他外力作用。操动机构的力传导过程中，力的损失仅为克服各传动臂和转轴部分的摩擦力，隔离开关操作正常。隔离开关连杆操动机构连接正常时的受力如图2所示。

图2 隔离开关连杆操动机构连接正常时的受力

当操动机构安装位置不正时，隔离开关连杆操动机构连接偏差时的受力如图3所示。主动臂与导向装置间的摩擦力变大，存在一个径向力F0，使传动杆与导向装置间的摩擦力变大，导致力的损失。一方面，操动机构操作输出功减小，主动臂产生变形，操动机构旋转角度α，从动臂相应旋转角度将小于原来设计的旋转角度β；另一方面，主动臂与导向装置啮合部位产生磨损、发热，长此以往使其配合变差，各连杆及转轴将承受一个额外的应力，使隔离开关操作不到位。

图3 隔离开关连杆操动机构连接偏差时的受力

在隔离开关使用初期，由于隔离开关的其他转动部位较为灵活，操动机构的输出力还能克服F0使隔离开关正常分、合，仅表现为操作速度变慢。当使用一段时间或长时间没有操作时，会导致转动部位卡涩、传动金属件产生金属疲劳而发生塑性变形、传动约束的啮合部位磨损增大，从而导致操动机构的输出功在传动过程中的损失更大、导向装置的径向摩擦力更大，致使操动机构操作时的声音变大、振动加剧，直至操动机构无法操作、主动臂扭曲变形或断裂，严重时甚至损坏操动机构电机或操动机构的减速装置。

3 开关设备机构箱安装装置的研制及应用

传统安装方法首先在水泥杆上用铅垂线或凭经验确定机构箱中心位置，然后在此位置上焊接衔铁及面板，最后将机构箱与面板用螺栓连接固定。这种方法要求焊接部分保持水平，且与水泥杆的距离适当，一旦有误差，就只能拆掉重新安装。因此，这种方法容易造成安装位置不准确，水平度不够，且不易调整，对安装人员专业素质要求较高，还需多人协作，作业时间长。传统开关设备机构箱安装作业流程如图4所示。

图4 传统开关设备机构箱安装作业流程

2019年，对某变电站5台220kV隔离开关机构箱的安装数据进行统计，得到使用传统方法的隔离开关机构箱安装数据见表1。

表1 传统方法隔离开关机构箱安装数据

从表1可以看出，传统的机构箱安装方法有以下问题：

1）所需人数多，至少5人；2）所需时间长，至少需要2h30min；3）机构箱输出轴与垂直连杆同轴度误差平均为4%；4）安装难度大，由于焊接操动机构时位置出现偏差，开关设备很难一次安装成功；5）安装完毕后，各传动部分要额外承受部分应力，加速金属部件的疲劳。

为解决以上问题，本文研制一种可移动、可载重、可自由调节的开关设备机构箱安装装置。装置主要包括滚动系统、X-Y-Z立体电子调节系统、承载平台和电气控制系统等，可实现如下功能：①运输功能，将隔离开关机构箱运送到安装地点；②承载功能，能承载质量低于700kg的所有开关设备机构箱；③调节功能，采用电子自动调平系统，对机构箱进行垂直及水平多维度调节，使操动机构与本体的连接处于同轴位置。开关设备机构箱安装装置如图5所示。

图5 开关设备机构箱安装装置

该开关设备机构箱安装装置主要由推车、电控箱、X-Y-Z移动升降平台等组成，整个平台能承受各种质量低于700kg的机构箱，使用该安装装置可以解放人力。在机构箱安装之前，需要将其运至指定安装地点，本文研制的安装装置包含滚动系统，由四个滚轮组成，能很好地实现对机构箱的运送。水平垂直调节系统主要由电控箱、X-Y-Z移动升降平台（前后滑块导轨、左右滑块导轨、升降推杆、双轴倾角传感器）等组成。

设备系统采用可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）进行控制，实现电动调节。调整的参考是传动主动臂的轴线，当机构箱放置非水平时，通过双轴倾角传感器将该信息传输至控制屏并显示，再通过调节按钮进行调节，最终达到机构箱输出轴与垂直传动连杆同轴安装的目的。使用本文研制的开关设备操动机构辅助安装装置作业流程如图6所示。

图6 开关设备操动机构辅助安装装置作业流程

2019年5月至2020年4月，该开关设备操动机构辅助安装装置分别应用于小河变电站隔离开关操动机构更换工作和红枫实训变电站二期扩建工程中，应用效果良好。现场实际应用分别如图7和图8所示。

图7 现场实际应用（小河变电站）

图8 现场实际应用（红枫实训变电站）

2019年，对某变电站5台220kV隔离开关机构箱安装数据进行了统计，得到使用新型安装装置的隔离开关机构箱安装数据见表2。

表2 新型安装装置隔离开关机构箱安装数据

通过表2与表1数据的对比可知，该开关设备操动机构辅助安装装置有如下几个优点：

1）减少安装时间，仅需38min左右便可完成安装。
2）减少安装人员，由原来需要安装人员5人降到仅需2人。
3）简化安装流程，可以实现一次性安装成功，不会出现面板及衔铁焊接位置不正确而反复返工的现象，降低了安装难度。
4）提高安装质量，机构箱输出轴与垂直连杆同轴度误差≤1%，表明能做到精准安装。

4 结论

与传统安装方式相比，使用本文安装装置后可带来以下效益：

1）节省劳动力。在安装开关设备机构箱的工作中，使用本文装置可使安装工作仅需2人即可轻松完成，节省60%人力。

2）提高安装质量。由于采用电子调节系统实现X-Y-Z立体调节，使机构箱水平垂直度的调节又快又准，不会导致传动连杆与机构箱输出轴的同轴度出现偏差而造成传动效能差的安全隐患，机构箱输出轴与垂直连杆同轴度误差≤1%，使机构箱的安装质量更高。

3）减少安装时间。由于无需大型机具配合安装人员进行调平，也不用多人配合抬举再进行焊接，因此安装过程中的人为干扰因素减少，大大缩短了安装时间，仅需38min左右便可完成。

4）本文装置的最大载重为700kg，支持绝大部分开关设备操动机构的安装微调。由于采用凹型设计，不但能在新安装的场景使用，还能在技改、更换等场景使用。

5）本文装置能实现X-Y-Z立体调节，不但适用于开关设备操动机构的安装微调，还能适用于其他电气设备的安装微调。

6）由于减少了施工人员及大型机具的应用，可减少设备及人身安全事件的发生。

本工作成果发表在2023年第6期《电气技术》，论文标题为“变电站开关设备操动机构辅助安装装置研究及应用”，作者为卢兴福、龙波等。

中国电工技术学会

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本工作成果发表在2023年第6期《电气技术》，论文标题为“变电站开关设备操动机构辅助安装装置研究及应用”，作者为卢兴福、龙波 等。

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