開關柜小車“幾”字型操作手柄的研制與應用

張擁軍，王偉嘉，平炯軍，何劍

(國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000)

1 引言

隨著電網的發展，開關柜越來越多的應用于不同的電壓等級中。據統計，在嘉興地區，開關柜設備在10kV和20kV電壓等級中已經100%覆蓋，在35kV中也實現了92%的覆蓋率。該類設備已經成為變電站最為重要的設備之一[1－2]。

開關柜設備作為變電站出線的電源開關，是變電操作中最常涉及的設備類型，在停送電過程中不可避免地需要使用操作手柄對開關柜小車進行搖進搖出工作[3]。而傳統的開關柜小車操作手柄設計未考慮到變電站操作戴絕緣手套的操作要求，因而存在操作中絕緣手套易黏連、搖柄易脫落的問題，大幅延長了停送電操作時間，造成了用戶的不必要停電。同時，也帶來了人員觸電風險及設備放電隱患，無法保證人員和設備的安全，難以滿足未來堅強智能電網的發展需求和“人民電業為人民”的企業宗旨要求。

因此為了解決傳統小車手柄的問題，提升運維操作的安全可靠性，需要研制一種新型的開關柜小車操作手柄[4－5]。

2 需求分析

隨著電網建設的不斷推進，用戶對停電時長縮短的需求越來越大。為保證優質可靠供電服務，檢修工作各項內容耗時難以縮短，因此提出了單間隔停送電操作時間提出了不大于10分鐘的需求。通過對2020年各工作現場進行開關柜停復役操作情況進行調研，得出小車停送電操作平均時間為28min的調查結果，具體情況如表1所示。

表1 2020年各工作現場進行開關柜停復役操作情況調查表

2.1 縮短操作時間

開關柜小車停送電操作流程分為停役和復役兩部分，以單間隔由運行改為冷備用為例，停役分為停電接令、斷開開關、搖出小車、停電復令，復役分為送電接令、搖進小車、合上開關、送電復令，整個停送電操作共有8個環節。由于接令、復令環節耗時較短，且已高度精益化，無法對其進行時間壓縮。因而為了滿足用戶縮短停送電時間的需求，只有縮短開關柜小車搖進搖出環節的時間。

2.2 保證人員與設備安全

現場發現，小車操作過程中搖柄極易發生絕緣手套黏連事件，現場情況如圖1所示。絕緣手套嚴重磨損，對絕緣手套的絕緣性能產生影響，進而威脅操作人員的人身安全。

圖1 絕緣手套操作中磨損情況圖

同時，在小車搖進、搖出操作過程中，可能發生小車搖柄脫落的現象，此時小車停止運動，一旦停止位置為放電位置，則將發生動靜觸頭持續放電事件，極易損壞開關柜小車觸頭和母排觸頭，造成母線故障，損害電網設備，影響電力系統的安全穩定運行。

因此研制安全可靠的開關柜小車操作手柄尤為必要。

3 可行性分析

通過借鑒防爆快速搖柄的設計，本體提出了一種開關柜“幾”字型小車操作手柄，該手柄主體采用“幾”字型結構，同時加裝雙套管來保證操作的安全穩固。

3.1 縮短操作時間

參考防爆快速搖柄的操作時間5s/10圈，同時以工作現場的西門子開關柜小車為例，從試驗位置搖入工作位置(從工作位置搖入試驗位置)的圈數為18.5圈，計算可得，小車搖進搖出時間理論值可以達到18.5?2?(5/10)＝18.5s，即0.308min。 加上不變的停電接令、拉開開關、停電復令、送電接令、合上開關、送電復令6個環節的時間(8min)，停送電操作總時長理論值可以達到8.308min，理論上能夠達到停送電操作時間不大于10min的目標。

3.2 防止搖柄脫落

傳統搖柄為“乙”字型結構，單點受力，靠內六角或內方咬合，旋轉過程中由于雙向受力不在一條直線上，容易產生扭矩，造成脫落。通過借鑒的防爆快速搖柄“幾”字型結構，利用尾端給力的方式，使搖柄支撐力與人手壓力保持同一直線，從而杜絕操作過程中的受力不均的搖柄脫落。另外，套管能有效的防止搖柄與絕緣手套之間的摩擦，防止因為黏連造成的搖柄脫落。

4 確定最佳方案

本文借鑒防爆快速搖柄的兩大特性，“幾”字型結構設計、套管防摩擦設計特點，對小車操作手柄形成了具體模塊分解方案:搖柄材質模塊、搖柄結構模塊和雙套管材質模塊三方面。

依據浙電辦對開關柜小車操作工器具的相關規定，對小車操作手柄的設計模塊提出如下的技術要求:

(1)搖柄結構模塊:輸出力矩:≧50NM；搖柄總長度應不大于1m；搖柄總重不應大于5kg。

(2)搖柄材質模塊:抗拉強度≥400MPa；剪切屈服強度≥200MPa；延伸率≥0.1；使用壽命≥10年。

(3)雙套管材質模塊:摩擦力:≦2N；搖桿總重不應大于6kg。

依據關鍵質量要素，實施如圖2的分級方案。

圖2 方案分級圖

4.1 搖柄結構模塊選擇

方案一“幾”字型搖柄結構有兩處拐角，采用直角轉彎。方案二“幾”字型搖柄結構有兩處拐角，采用斜角轉彎。根據現場西門子開關柜搖柄咬合頭，計算所需搖柄粗度；根據開關柜結構計算最優的搖柄各關節長度。從而分析力臂情況與長度情況，根據長度、粗度計算搖柄重量。按照現場情況，斜角才有120度轉角設計，力臂統一為15cm，計算搖柄各關節長度。

按照現場情況，斜角轉彎采用120度轉角設計。兩種方案力臂L4統一為15cm，計算搖柄各關節長度。兩種方案的搖柄搖臂總長度計算如下:

方案一:L＝L1＋L2＋L3＝10＋18＋15＝43cm

方案二:L＝L1＋L2＋L3＋2×L4/3＝10＋15＋15＋2?15/1.732＝57.3cm

其中，L1為觸頭前端長度，L2為中間搖柄長度，L3為尾端固定長度。

根據咬合頭情況，則確定搖柄半徑R為1.5cm，根據理論密度ρ每立方厘米7.85g計算兩種結構的搖柄重量分別為:

方案一:M＝ρ×π×R2×(L＋2×L4)＝7.85?3.14?1.5?1.5?73＝4048.6g

方案二:M＝ρ×π×R2×(L＋2×2×L4/3)＝7.85?3.14?1.5?1.5?74.7 ＝4142.9g

在同一力臂(力臂為15cm)條件下，方案一直角轉彎結構長度更小為43cm，重量更輕為4.05kg，在變電站開關室狹小空間更易開展工作，更方便運行人員操作使用。方案二斜角轉彎結構長度為56.2cm，重量為4.14kg，雖已滿足相關技術指標要求，但是較長的長度和較大的重量都對實際工作效率和質量產生影響。綜合分析搖柄結構模塊采用直角轉彎“幾”字結構。

4.2 搖柄材質模塊選擇

方案一采用Q354高強度鋼，方案二采用不銹鋼。分別對兩種材料的抗拉強度、延伸率等力學性質進行測試分析，并對原材料和使用壽命進行比對，得到如表2、表3數據。

表2 鋼材力學性能測量數據

表3 鋼材價格和使用壽命調查數據

另外，在焊接過程中，發現不銹鋼材質與小車搖柄咬合頭的焊接工藝要求較高，焊接成本達到每根20元，而Q354高強度鋼由于其材質與原咬合頭材質較為接近，焊接簡單，單根焊接成本僅為3元。

比對兩種鋼材，Q354高強度鋼使用壽命長，搖柄各項力學性能均達到目標值，同時價格便宜；不銹鋼材質延伸率略好于Q354高強度鋼材，達到目標值；但使用壽命較短，價格昂貴。綜合比較，選用Q354高強度鋼材作為小車操作手柄的主體材料。

4.3 雙套管材質模塊選擇

方案一采用環氧樹脂套管，方案二采用鋼材質套管。根據直徑1.5cm的搖柄設計套管，方案一環氧樹脂套管重量小，僅為210g，但是，由于材質特殊性，其摩擦力略大，為1.34N；方案二鋼材質套管與搖柄同為鋼材質，摩擦力較小，僅為0.903N，轉動更加省力，但是，重量略大，為440g。綜合考慮采用鋼材質方案，并在鋼制套管外壁進行3M封塑處理，以增加套管與絕緣手套的摩擦力，保證操作過程中手套握持牢固穩定。

5 方案實施

根據細化后的最佳方案和相關技術要求，制定對策目標如下:

(1)搖柄與咬合頭結合處抗扭強度應大于17270Nm；

(2)搖柄總長度應小于60cm；

(3)搖柄總重應小于2kg；

(4)兩個套管總重量應小于500g；

(5)單個套管摩擦力應小于1N。

5.1 搖桿的設計與制作

針對最為普遍的西門子開關進行研究，由于咬合頭為內六方，利用WINDOWS自帶3D生成軟件進行3D圖形的相關設計。根據圖紙制作“幾”字型搖柄搖桿，將出廠所配置的操作手柄的咬合頭進行切割，將鋼材進行彎曲加工，并將加工完成的曲柄與咬合頭進行焊接。最后，將焊接點及整桿進行噴漆處理，如圖3所示。

圖3 “幾”字型操作手柄搖桿

測量制作搖柄重量、長度數據，并對搖柄的抗扭強度進行第三方測試，各項數據如表4所示。

表4 搖柄重量、長度和抗扭強度數據

從表4中可以看到所有試驗品的平均重量為1.46kg，總長度平均值為52cm，抗扭強度平均為26319Nm，遠高于對策目標要求。

5.2 套管的設計與制作

在搖柄的基礎上設計套管，利用WINDOWS自帶3D生成軟件進行3D圖形的相關設計。根據制作的搖柄實際尺寸，制作完成套管后加裝。加裝完成的套管由于為金屬結構，為避免絕緣手套，進行封塑處理，如圖4所示。

圖4 加裝雙套管后的“幾”字型操作手柄

對制作完成的“幾”字型操作手柄進行測量，兩個套管的重量為271g，小于500g的要求，操作手柄總重為1.68kg，操作十分方便。對搖柄套管摩擦力進行計算，由于采用了加螺紋的結構設計，使其摩擦力幾乎微乎其微，約為0.3N，滿足目標要求。

6 效果檢查

將開關柜“幾”字型小車操作手柄進行試點應用，對對各工作現場的開關柜小車停送電操作時間進行調研，統計結果如表5所示。

表5 各工作現場采用開關柜小車“幾”字型操作手柄停送電操作時間統計表

從表5中可以看出，采用開關柜小車“幾”字型操作手柄后，改變了各變電站小車操作的方式，革新了現場工作技術。因此，小車搖柄操作過程中再也未發生過脫落現象，大幅提升了工作效率，開關柜小車停送電操作時間從28min減小至3.351min，效果良好。

7 結論

本文針對變電站停送電操作過程中傳統開關柜小車操作手柄發生的絕緣手套易黏連、搖柄易脫落的問題，研制了一種新式的“幾”字型操作手柄，能夠極大地縮短小車搖進搖出時間，降低停電時間成本，為電網帶來豐厚的生產經濟效益。同時新型操作手柄的“幾”字型結構使得搖柄支撐力與人手壓力保持同一直線，改善了原有不平衡發力方式，從工具結構上提升工作安全可靠性，保障了工作人員和電力設備的安全，確保了電力系統的安全穩定運行。