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★國網湖南省電力有限公司常德供電分公司鐘玄，吳少波，王蕾，肖瑛，李勇

關鍵詞：脫扣裝置；磁吸；推桿；自檢

近年來報道了多起變電站10千伏、35千伏間隔中置柜斷路器由于分閘線圈燒損或測保裝置通信故障導致斷路器拒動的事件^[1,2]。根據開關柜反措要求，中置式開關柜必須配備緊急分閘按鈕，近幾年新出廠的開關柜均按要求執行，但緊急分閘按鈕均在斷路器本體，在斷路器拒動后需由運維人員現場旋轉或按壓緊急分閘按鈕，才能達到手動分閘的目的。根據變電運維專業管理及安全操作規程規定，嚴禁人員現場就地手動機械操作斷路器，導致配備的緊急分閘按鈕成了擺設，只能將該間隔所在母線停電，進行分閘線圈更換，才得以消除缺陷并恢復正常方式，但擴大了停電范圍，造成該段母線上10千伏、35千伏負荷損失，影響了供電服務質量。

針對上述問題，國內外學者對中置柜斷路器內部結構及輔助脫扣工具兩方面進行了深入研究。其中，魏波等提出在傳統中置柜斷路器上安裝電動操作機構來驅動斷路器分閘、合閘^[3]，以實現小型斷路器的智能化，但裝置的可靠性仍待提高。為此，李海等提出了一套緊急分閘按鈕裝置和一套緊急分閘絕緣推桿裝置^[4]，并將二者長期固定安裝在高壓斷路器分閘按鈕的同一水平線上，成功提高了裝置的可靠性。朱瑞超等研發了液壓彈簧機構電動儲能裝置，提高了儲能速度和成功率^[5]，但該方法改造技術難度大，性價比不高。洪國鵬等則提出了一種基于無線控制的斷路器緊急分閘裝置^[6]，通過遠距離的無線操作，實現裝置的自動操作。盡管這些輔助脫扣工具能夠降低因斷路器無法隔離故障從而產生的經濟損失，但其安裝繁瑣和操作失敗率高的問題尚未得到有效解決。

基于此，本文設計了一種可遠方遙控操作斷路器分閘按鈕的機械手臂，其通過合理控制，實現了故障中置柜斷路器有效的分閘控制，防止了出現故障時需要隔離上一級斷路器造成的停電范圍擴大，從而減少了負荷損失，同時其具備操作簡便、靈活可靠等特點。

1　系統設計

1.1　裝置總體設計

目前，國網常德供電公司采購的10千伏高壓成套開關設備主要為KYN28型高壓開關柜，在開關柜手車室門板上均裝有緊急脫扣按鈕，供操作人員在緊急情況下不打開手車室門進行緊急分閘操作^[7]。緊急脫扣按鈕結構主要分為按壓型和旋轉按壓型兩種，如圖1所示。

（a）按壓型

（b）旋轉按壓型

圖1 緊急脫扣按鈕結構

緊急脫扣按鈕在操作過程中存在以下難題^[8-10]：（1）操作方式嚴格限制。緊急脫扣按鈕必須通過遠程遙控操作，以防止操作不當導致嚴重的大規模人身傷亡事故。（2）面板材質不統一。高壓開關柜小車面板多數采用金屬材質，但也有少部分使用塑料材質，這增加了裝置固定和操作的難度。（3）緊急脫扣方式不一。按壓型緊急脫扣按鈕需要打開前柜門，然后按下緊急分閘按鈕即可完成分閘操作；而旋轉按壓型緊急脫扣按鈕每次操作都需要先將旋轉按鈕轉換到允許緊急分閘操作的位置，然后再按下緊急分閘按鈕才能實現分閘。

本文設計的便攜式通用快裝斷路器緊急脫扣裝置主要由無線遙控模塊、數據接收模塊、主控模塊、電機驅動模塊、電源管理模塊和電機通電控制模塊組成，如圖2所示。

圖2 裝置總體設計框圖

其中，無線遙控通過藍牙無線通信技術發送信號，數據接收模塊接收信號后輸入到主控模塊，主控模塊將信號進行解碼，根據解碼內容向電機通電控制模塊和電機驅動模塊發出操作指令，電機根據指令進行操作，從而實現推桿分閘。

1.2　裝置結構設計

圖3 裝置外觀設計圖

裝置外觀如圖3所示，裝置包括絕緣外殼、三色指示燈、電源開關、電池、磁吸底座。（1）三色指示燈用于顯示裝置的當前狀態；（2）電源開關用于控制電源的開啟和關閉；（3）內置電池供電將電池提供的電能轉換為適合系統各個部件和電子設備使用的電壓和電流；（4）裝置底部設計磁鐵底座，可以通過磁吸效應將裝置吸附于環網配電柜上，便于遠程遙控操作按鈕，確保了操作人員的人身安全。

通過對該裝置的外觀設計和磁吸底座的應用，使得操作人員能夠在遠程遙控操作按鈕時更加方便和安全，避免了因操作不當造成的潛在危險。

2　模塊分析

2.1　主控模塊

控制模塊實現斷路器遠距離分閘操作，根據緊急脫扣按鈕結構來改變分閘方式，使操作人員可以在高配室外遠程控制分閘，從而確保斷路器安全可靠分閘。緊急脫扣裝置控制原理圖如圖4所示，其中PLC是控制模塊的核心，通過PLC控制器實現伺服電機和分閘電磁鐵的控制功能，控制器接收人機交互界面用戶輸入的參數，并通過處理器將這些參數傳遞給PLC控制器。經過數據處理后，PLC控制器輸出控制信號，以實現自動分閘操作。

圖4 緊急脫扣裝置控制原理圖

操作人員首先按照系統參數將手機APP無線通信模塊初始化，將其與緊急脫扣裝置建立連接，讀取分閘方式輸入以及分閘延時輸入設定值，持續讀取緊急脫扣裝置采集的分閘完成信號，當完成裝置需要實時控制或修改設定時，控制程序將跳轉到相應控制流程，待控制流程結束，裝置持續采集上位機傳來的遙控分閘信號，保證控制程序可循環運行。

在實現對緊急脫扣裝置正常運行及修改等操作的控制過程中，當不同操作指令下發時，PLC自動將控制指令寄存器賦值相應的操作數值，控制模塊識別下發的控制指令后，執行對應的操作。

2.2　電機驅動模塊

電機驅動為脫扣緊急脫扣按鈕提供分閘力，以廈門ABB公司的核心產品VD4彈簧操作機構為例，其技術參數如表1所示。其中，分閘電磁鐵的參數功率均為250VA。

表1 VD4型真空斷路器操動機構的主要技術參數

從表中可以看出，緊急脫扣按鈕的撞擊力不低于250W，且由于在推進過程中頂桿會受到軸向力、徑向分力和旋轉力的作用，因此頂桿必須具備足夠的強度。此外，根據《GB/T11022-2011高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》的規定，斷路器的操作電壓至少應達到分閘最低動作電壓閾值。因此，電磁鐵可選用DC24V操作電壓，并且在30%~65%操作電壓范圍內能夠正確地操作分閘斷路器。

2.3　操作界面

為了提升用戶的操作體驗及裝置的便攜性，本裝置采用Qt工具開發的手機APP操作面板，操作界面的菜單被分為多個級別。

緊急脫扣裝置主程序框圖如圖5所示。操作軟件自檢后，首先進行初始化，系統會設置緊急脫扣裝置的分閘方式以及相關配置。然后，手機APP與裝置建立無線通信連接。在確定裝置對準分閘按鈕的中心后，用戶可以輸入分閘信號指令進行遙控分閘。在遙控分閘過程中，操作界面會實時顯示裝置運行狀態，在正常工作狀態時，用戶可操作分閘模塊進行推進。如果發生故障，用戶需要首先檢查故障狀態，然后調用故障中斷子程序來進行處理。在執行急停程序以緊急中止操作的同時，系統還會將故障時的照片和其他數據存入發送緩沖單元，以供操作人員后續查看和調用。

圖5 緊急脫扣裝置主程序框圖

（1）監控界面用于顯示系統的參數設定以及緊急脫扣裝置在遙控分閘過程中的運行情況，用戶可以在此界面實時監視裝置的狀態和操作進展。

（2）參數設定界面允許用戶設定分閘方式等各種參數，以根據具體需求進行個性化配置。

（3）報警界面用于顯示報警情況及詳細記錄查詢。用戶可以在此界面查看裝置的報警信息，以及查詢歷史記錄以便后續分析和處理。

（4）通信設定界面用于設置系統參數和通訊相關參數，以確保裝置能夠與手機APP等設備進行有效的無線通信。用戶可以在此界面進行必要的配置和調整。

3　工作原理分析

3.1　工作原理

（1）固定裝置并調節。在操作過程中，操作人員首先進行裝置固定，將分閘模塊裝配在帶磁性桿座固定或真空吸盤的支撐模塊上，通過磁性桿座或真空吸盤固定在斷路器或者斷路器旁邊帶鐵磁材料的支架上，分閘模塊根據現場斷路器分閘脫扣按鈕位置進行合理調節，安裝示意圖如圖6所示。

圖6 工作原理圖

（2）裝置連接。通過無線信號使該裝置與手機APP相連，操作人員在高配室外通過攝像頭遠程控制伺服電機上下、左右調節，直至分閘模塊完全對準分閘脫扣手動按鈕。

（3）遙控操作。直流電源為分閘模塊提供持續的撞擊力，裝置持續推動或旋轉分閘模塊動作于斷路器分閘按鈕上。操作人員通過攝像頭實時監測電磁鐵推進的位置，以確保頂桿對分閘按鈕施加足夠的力，直到裝置返回分閘完成信號，從而實現中置柜斷路器的遠程分閘。

3.2　推桿自適應技術

當推桿按下分閘按鈕時，裝置需要判斷是否成功按下分閘按鈕。本裝置采用自復位位移傳感器。該傳感器內部包含一個彈簧和一個可移動的測量桿，如圖7所示。當被測物體發生位移時，測量桿會隨之移動。傳感器可以通過輸出模擬信號來表示位移的大小。當分閘按鈕被按壓成功后，推桿位移不會繼續改變，主控模塊檢測輸出的位移數據在3秒內沒有發生改變，則視為按壓成功，推桿已經達到了所需的狀態，則裝置進行下一步收桿操作。這種傳感器具有高精度和可靠性，可以準確地判斷推桿的按壓狀態。

圖7 自復位位移傳感器圖

3.3　自檢技術

裝置每次開啟運行時，均需要對裝置進行一次自檢從而確保裝置在運行時處于正常的工作狀態，避免因故障等原因而導致損壞或工作中斷。裝置自檢包括：電量自檢、模組初始化等。

在初步測試過程中我們發現，推桿在分閘時會出現由于突然斷電而導致推桿或收桿操作中斷的情況。這種中斷可能導致推桿未能完全推出后收回，或者完全推出但未能完全收回。這樣的情況可能會對下次操作產生影響，因此為了確保推桿電機和其他相關組件處于正確的狀態，每次啟動前都需要對各個模塊進行初始化。

在初始化過程中，首先需要檢查推桿電機的位置，并確保其處于正確的起始位置。接下來，需要設置推桿電機的初始參數，包括速度、加速度和位置限制等。同時，還需要對電機控制器進行初始化，包括配置工作模式、通信協議和電流限制等參數。如果推桿電機需要使用驅動器進行控制，還需要對驅動器進行初始化和配置，確保電機控制器和驅動器能夠正常工作，并與推桿電機進行有效的通信和控制。

4　小結

本文提出了一款便攜式通用快裝斷路器緊急脫扣裝置，其通過遠距離的無線操作，解決了中置柜斷路器的拒動問題。這一裝置的應用可以代替現場操作人員就地操作，從而避免了故障時斷路器拒動引起的停電范圍擴大、負荷損失增加、供電服務質量下降等問題。同時，這項技術的應用也有助于防止由于供電可靠性降低而引發的社會不滿情緒，確保了居民用電的可靠性。

該裝置成功將故障中置柜斷路器的脫扣時間控制在1秒以內，為搶修故障提供了技術支持，有效縮短了搶修時長，提高了工作效率。此外，這一裝置在電源設置、定位方式、控制模式等方面都取得了顯著的進展，不僅提高了工作人員的操作效率，還增強了操作的安全性，具有廣泛的推廣應用價值。

★基金項目：國網常德供電公司2023群眾性科技創新項目（B316J023000R）。

作者簡介：

鐘　玄（1996-），男，湖南常德人，助理工程師，碩士，現就職于國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，研究方向為變電站運行維護。

吳少波（1973-），男，湖南常德人，工程師，專科，現就職于國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，研究方向為變電站運行維護。

王　蕾（1977-），女，湖南常德人，高級工程師，學士，現就職于國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，研究方向為計算機技術。

肖　瑛（1988-），女，湖南常德人，工程師，學士，現就職于國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，研究方向為變電運維。

李　勇（1977-），男，湖南常德人，助理工程師，專科，現就職于國網湖南省電力有限公司常德供電分公司，研究方向為變電站運行維護。

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摘自《自動化博覽》2024年6月刊