400V抽屉式开关柜CD2型电动操作机构改型探究

2019-08-20卞春兵张立坚

治淮 2019年8期

沈欣韩煦卞春兵张立坚

（江苏省灌溉总渠管理处淮安 223200）

江苏省淮安抽水站变电所400V低压配电室于2009年改造后，共有7个间隔，其中6个间隔各配5台抽屉式开关，随后电动操作机构开始出现小规模损坏现象（1～2只），然而近两年连续出现大批量的损坏现象（5～6只），截至目前，共计损坏16只电动操作机构。这样的损坏率如果不分析原因，必然会给工程运行埋下安全隐患，因此，针对此类现象进行分析探究很有必要。

1 CD2型电动操作机构损坏原因分析

经拆卸损坏产品后，发现该类产品是由电路板加齿轮机构构成，电源采用AC230V/DC220V供电（本站采用AC供电），内部由24V直流电机驱动，电路板为呈U型的异型电路板，内部元件结构非常紧密，部分厂家设计的CD2-100型号电路布线有高低压回路同边的情况。损坏现象有保险管烧毁、变压器烧毁、电容爆裂等。

主要损坏区域集中在电路电源部分，由此考虑两种情况：一是由于站内电压值高于产品额定电压造成损坏；二是由于电路设计问题导致损坏率较高。经查阅运行记录资料，该站220V电压一直处于231～233V之间，虽然最高电压稍高于该产品的额定电压，但是按照供电端5%～10%的电压补偿，这样的电压完全没有问题，因而排除站内电压问题。其次分析该产品线路布局，由于该产品电路元件分布在U型板上，元器件布置非常紧密，外加塑壳封闭，封闭后电路板与塑壳顶部间隙狭小，再位于抽屉开关柜内，交流电源处于常年带电状态，发热元件的热量不得有效流通降温，这一系列因素，极有可能是该产品元件加速老化失效甚至损坏的原因之一。

2 改型方案探究

2.1 改型方案分析

在简要分析电动操作损坏的可能原因后，根据现场情况可以考虑两种改型方案：方案一，通过增加柜内和机构内部散热装置来解决问题；方案二，考虑拆分交直流电源，操作机构内电路板只保留24V继电器及接线端子。经分析，方案一由于抽屉开关内部及操作机构布局紧凑，实施难度较大。方案二经设计可行，优先考虑。

2.2 解决方案

2.2.1 直流电机保护

由表1可知50～100A配型电动操作，工作电流按0.4A计，保护熔丝按2.5倍计，可得熔丝电流为1A；200A配型电动操作，工作电流按0.6A计，可得熔丝电流为1.5A，均小于堵转电流，能可靠保护直流驱动电机。

2.2.2 控制回路设计及材料选型

（1）继电器为OMRON（G5V-2），其参数为工作电压DC24V，工作接点电流最大值2A，具有2副常开/常闭触点（实际损坏操作机构中，继电器均未损坏，可拆件使用，降低改型成本）。

（2）开关电源为Schneider（ABL2REM24065K）DC24V 150W可供一个间隔5台抽屉式开关柜电动操作电源。

（3）端子为KF128-5.08 其工作电流10A，符合设计要求。

（4）电路板为FR-4覆铜板，采用三氯化铁蚀刻法印刷电路，根据PCB设计铜箔厚度、线宽与电流关系，见表2。

（5）FR-4覆铜板为1OZ即35μM，按电流1-1.5A计，选择0.6MM线宽，两种电路可通用。

表1 电机数据测定表

表2 PCB设计铜箔厚度、线宽和电流关系表

图1 单继电器版本原理图

图2 双继电器版本原理图

图3 齿轮齿数图

图4 运行后凸轮运转位置图

（6）电动操作机构机械部分留用原损坏电路板的电动操作。

2.2.3 控制回路设计

控制回路设计有以下两种方案：

（1）单继电器配合行程开关、按钮控制，单继电器版本原理图见图1。

工作原理：SQ1实现手动/自动合闸，电动合闸过程中当按下SB1按钮通过SQ3常闭接点使继电器工作，其闭合常开触点，自保持，并使电机工作，当机构上缘触发SQ3及凸轮触发SQ2后，常闭接点打开，合闸工作完成，同时做好分闸准备。当按下SB2，接通继电器工作，同理，电机工作，机构下行，脱离SQ3、SQ2，使其复位，分闸工作完成，做好合闸准备。SB1、SB2常开触点互锁分合闸回路。

实验中，该方案布线简洁、元件使用少，可实现分合闸功能，而且免除了手动分合闸后合闸回路未就绪的问题，但是出现小概率分闸后重复合闸的问题，原因分析是当机构分闸后由于惯性，机构上缘触碰到上行程开关SQ3，导致分闸回路继续导通，重复合闸（模拟分闸按钮不复位情况）。通过观察，去除机构上缘一角，增加其触碰距离，问题依旧，方案一中无其他接点可用于分断控制，根据问题优化后可设计双继电器版本。

（2）双继电器配合行程开关、按钮控制，双继电器版本原理图见图2。

工作原理：SQ1实现手动/自动合闸；电动合闸过程中（SQ2已触发）当按下SB2按钮接通2#继电器工作，自保持并使电机工作，带动机构上行合闸，当机构凸轮脱离SQ2后断开电路，合闸完成；当按下SB1按钮接通1#继电器工作，同理，带动机构下行，当机构凸轮触发SQ2后断开电路，分闸完成；SB1、SB2常开触点互锁分合闸回路。

当手动分合闸后会出现机构脱离两只控制行程开关的情况，即SQ2、SQ3均未触发，而断路器处于分闸状态中，SQ2未就位，合闸回路并未接通，不符合实际操作要求，该方案中SQ3可实现通电（自动操作位）后，电动操作机构自动合闸就位功能。

该方案设计通过双继电器与SQ2、SQ3的配合避免了方案一中的重复合闸问题，同时实现了合闸回路未就绪的就位功能，能够正常分合闸。

2.2.4 机构部分改型

控制电路完成后，实验发现，合闸行程出现越位现象，掉牌显示是脱扣状态（断路器并未脱扣，工作正常）与实际操作不符，经分析发现原电路合闸时间应为0.2s，而改型电路中无时间控制单元，凸轮脱离行程开关再到继电器动作，其中的延时，是越位的形成原因。

实测电机处齿轮直径为8.44mm（齿顶圆da），齿数为15齿，根据公式m=da/（z+2），求得模数m为0.496，分别测量其他齿轮直径，求得个齿轮齿数如图3（实际验证与得数相同）。

根据图3求得传动比i为135，经查资料获得电机转速为19800r/m即330r/s；求得凸轮转速为2.44r/s；即凸轮为401.868mm/s。实际运行后凸轮运转位置如图4。

原电路合闸后凸轮运转180°停止，可计算得出原电路合闸时间为：82.35/401.868=0.2s。

而改型电路合闸后位置夹角为228°可得凸轮运转了104.31mm，继而可得分断时间为104.31/401.868=0.26s。

多出0.06s，计算可得401.868×0.06=24.11mm，继而可得角度24.11×360/164.7=53°。

由于计算及测量因素不是十分精确，实际操作中采取原分离点往后减少53°～55°进行改型，按105°进行校核已达实际需要。分合闸位置对应正确，越位消除。