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★國網(wǎng)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(guān)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(dǎo)致斷路器拒動的事件^[1,2]。根據(jù)開關(guān)柜反措要求，中置式開關(guān)柜必須配備緊急分閘按鈕，近幾年新出廠的開關(guān)柜均按要求執(zhí)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(xiàn)場旋轉(zhuǎn)或按壓緊急分閘按鈕，才能達到手動分閘的目的。根據(jù)變電運維專業(yè)管理及安全操作規(guī)程規(guī)定，嚴禁人員現(xiàn)場就地手動機械操作斷路器，導(dǎo)致配備的緊急分閘按鈕成了擺設(shè)，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(fù)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(wù)質(zhì)量。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者對中置柜斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tǒng)中置柜斷路器上安裝電動操作機構(gòu)來驅(qū)動斷路器分閘、合閘^[3]，以實現(xiàn)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(fā)了液壓彈簧機構(gòu)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(shù)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(xiàn)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(chǎn)生的經(jīng)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(shè)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(xiàn)了故障中置柜斷路器有效的分閘控制，防止了出現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計

1.1　裝置總體設(shè)計

目前，國網(wǎng)常德供電公司采購的10千伏高壓成套開關(guān)設(shè)備主要為KYN28型高壓開關(guān)柜，在開關(guān)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(jié)構(gòu)主要分為按壓型和旋轉(zhuǎn)按壓型兩種，如圖1所示。

（a）按壓型

（b）旋轉(zhuǎn)按壓型

圖1 緊急脫扣按鈕結(jié)構(gòu)

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(dāng)導(dǎo)致嚴重的大規(guī)模人身傷亡事故。（2）面板材質(zhì)不統(tǒng)一。高壓開關(guān)柜小車面板多數(shù)采用金屬材質(zhì)，但也有少部分使用塑料材質(zhì)，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(zhuǎn)按壓型緊急脫扣按鈕每次操作都需要先將旋轉(zhuǎn)按鈕轉(zhuǎn)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(xiàn)分閘。

本文設(shè)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(shù)據(jù)接收模塊、主控模塊、電機驅(qū)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(shè)計框圖

其中，無線遙控通過藍牙無線通信技術(shù)發(fā)送信號，數(shù)據(jù)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(jù)解碼內(nèi)容向電機通電控制模塊和電機驅(qū)動模塊發(fā)出操作指令，電機根據(jù)指令進行操作，從而實現(xiàn)推桿分閘。

1.2　裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 裝置外觀設(shè)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(guān)、電池、磁吸底座。（1）三色指示燈用于顯示裝置的當(dāng)前狀態(tài)；（2）電源開關(guān)用于控制電源的開啟和關(guān)閉；（3）內(nèi)置電池供電將電池提供的電能轉(zhuǎn)換為適合系統(tǒng)各個部件和電子設(shè)備使用的電壓和電流；（4）裝置底部設(shè)計磁鐵底座，可以通過磁吸效應(yīng)將裝置吸附于環(huán)網(wǎng)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(shè)計和磁吸底座的應(yīng)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(dāng)造成的潛在危險。

2　模塊分析

2.1　主控模塊

控制模塊實現(xiàn)斷路器遠距離分閘操作，根據(jù)緊急脫扣按鈕結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shù)，并通過處理器將這些參數(shù)傳遞給PLC控制器。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，PLC控制器輸出控制信號，以實現(xiàn)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(tǒng)參數(shù)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(shè)定值，持續(xù)讀取緊急脫扣裝置采集的分閘完成信號，當(dāng)完成裝置需要實時控制或修改設(shè)定時，控制程序?qū)⑻D(zhuǎn)到相應(yīng)控制流程，待控制流程結(jié)束，裝置持續(xù)采集上位機傳來的遙控分閘信號，保證控制程序可循環(huán)運行。

在實現(xiàn)對緊急脫扣裝置正常運行及修改等操作的控制過程中，當(dāng)不同操作指令下發(fā)時，PLC自動將控制指令寄存器賦值相應(yīng)的操作數(shù)值，控制模塊識別下發(fā)的控制指令后，執(zhí)行對應(yīng)的操作。

2.2　電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)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(chǎn)品VD4彈簧操作機構(gòu)為例，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中，分閘電磁鐵的參數(shù)功率均為250VA。

表1 VD4型真空斷路器操動機構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)

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(zhuǎn)力的作用，因此頂桿必須具備足夠的強度。此外，根據(jù)《GB/T11022-2011高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標準的共用技術(shù)要求》的規(guī)定，斷路器的操作電壓至少應(yīng)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(nèi)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(fā)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(tǒng)會設(shè)置緊急脫扣裝置的分閘方式以及相關(guān)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(tài)，在正常工作狀態(tài)時，用戶可操作分閘模塊進行推進。如果發(fā)生故障，用戶需要首先檢查故障狀態(tài)，然后調(diào)用故障中斷子程序來進行處理。在執(zhí)行急停程序以緊急中止操作的同時，系統(tǒng)還會將故障時的照片和其他數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖單元，以供操作人員后續(xù)查看和調(diào)用。

圖5 緊急脫扣裝置主程序框圖

（1）監(jiān)控界面用于顯示系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)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(jiān)視裝置的狀態(tài)和操作進展。

（2）參數(shù)設(shè)定界面允許用戶設(shè)定分閘方式等各種參數(shù)，以根據(jù)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(xù)分析和處理。

（4）通信設(shè)定界面用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和通訊相關(guān)參數(shù)，以確保裝置能夠與手機APP等設(shè)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(diào)整。

3　工作原理分析

3.1　工作原理

（1）固定裝置并調(diào)節(jié)。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(jù)現(xiàn)場斷路器分閘脫扣按鈕位置進行合理調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)，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(xù)的撞擊力，裝置持續(xù)推動或旋轉(zhuǎn)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(jiān)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(xiàn)中置柜斷路器的遠程分閘。

3.2　推桿自適應(yīng)技術(shù)

當(dāng)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(fù)位位移傳感器。該傳感器內(nèi)部包含一個彈簧和一個可移動的測量桿，如圖7所示。當(dāng)被測物體發(fā)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(dāng)分閘按鈕被按壓成功后，推桿位移不會繼續(xù)改變，主控模塊檢測輸出的位移數(shù)據(jù)在3秒內(nèi)沒有發(fā)生改變，則視為按壓成功，推桿已經(jīng)達到了所需的狀態(tài)，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(tài)。

圖7 自復(fù)位位移傳感器圖

3.3　自檢技術(shù)

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(tài)，避免因故障等原因而導(dǎo)致?lián)p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(fā)現(xiàn)，推桿在分閘時會出現(xiàn)由于突然斷電而導(dǎo)致推桿或收桿操作中斷的情況。這種中斷可能導(dǎo)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(chǎn)生影響，因此為了確保推桿電機和其他相關(guān)組件處于正確的狀態(tài)，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(shè)置推桿電機的初始參數(shù)，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(xié)議和電流限制等參數(shù)。如果推桿電機需要使用驅(qū)動器進行控制，還需要對驅(qū)動器進行初始化和配置，確保電機控制器和驅(qū)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(jié)

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(yīng)用可以代替現(xiàn)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(wù)質(zhì)量下降等問題。同時，這項技術(shù)的應(yīng)用也有助于防止由于供電可靠性降低而引發(fā)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(nèi)，為搶修故障提供了技術(shù)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(shè)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(yīng)用價值。

★基金項目：國網(wǎng)常德供電公司2023群眾性科技創(chuàng)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(xiàn)就職于國網(wǎng)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，?？?，現(xiàn)就職于國網(wǎng)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(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)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(shù)。

肖　瑛（1988-），女，湖南常德人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國網(wǎng)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(xiàn)就職于國網(wǎng)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