“西门子”刀闸手动操作远控电钻装置的研究与设计

【摘 要】目前，部分500 kV“西门子”刀闸由于机构受潮、继电器锈蚀等问题导致无法电动分合闸，需要操作人员通过锂电钻配合专用电钻头进行就地手动解锁操作，然而该手动操作存在人员及设备风险、消耗体力、操作不便、电池续航能力不足导致操作中断等问题。文章结合就地手动操作存在的问题，研究设计一种装置，实现了通过远方控制的方式对“西门子”刀闸进行手动操作，从而降低手动操作风险和体力支出，提高操作可靠性、便捷性，满足变电站安全倒闸操作的迫切需求。

【关键词】“西门子”刀闸;手动操作;远方控制

【中图分类号】TM63 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）01-0048-03

0 引言

刀闸又称隔离开关，在电力系统中主要起隔离电源、改变电力系统运行方式等作用，是在变电站中与断路器配合使用的一种主要设备。变电倒闸操作中，对刀闸进行分合闸操作方式主要是通过五防解锁钥匙在断路器端子箱远方遥控的方式进行。但是在长期运行中，由于刀闸机构箱内部控制回路异常或继电器锈蚀卡涩等原因，导致刀闸在倒闸操作中频繁发生遥控分合闸拒动或失灵等异常现象，此时需要操作人员采用解锁操作方式——就地手动操作进行分合刀闸。

当前，500 kV“西门子”刀闸手动操作的方法如下：操作人员通过操作解锁审批后，断开西门子刀闸故障相的电机电源及控制电源，双手手持“西门子”刀闸产家配备的高速锂电钻，配合夹紧该“西门子”刀闸机构专用的操作钻头，垂直向上插入“西门子”刀闸机构箱正下方的手动操作孔，通过锂电钻工作时钻头的快速正转与反转进行机械传动，实现“西门子”刀闸的合闸与分闸。整个操作过程，操作人需蹲在机构箱下方，双手发力持稳锂电钻工作，同时抬头观察正上方的刀闸动作过程，以及时发现异常。

这种通过操作人员手持锂电钻手动操作“西门子”刀闸的方法虽然可以分合刀闸，但是存在以下不足与生产风险。

（1）操作过程中，操作人员需要蹲下身子，双手用力托住、持稳锂电钻，使电钻保持垂直，同时需要抬头观察正上方的刀闸动作过程，由于不符合人机功效，操作人员会感到身体不舒适，脖子酸痛，手脚麻痹乏力，造成疲劳作业。

（2）刀闸动作过程中产生电弧，甚至喷射火花，对于处于正下方的操作人员，存在火花灼伤眼睛及威胁人身安全的风险。

（3）产家配备的锂电钻是使用锂电池作为电动电源，不具备锂电池剩余电量显示功能。手动操作刀闸分合闸过程中，一旦出现锂电池电量不足时，将导致刀闸动作中断。如果正处于拉弧阶段时，拉弧时间过长，可能会烧坏刀闸出头或均压环，严重时甚至可能导致开关两侧均压电容炸裂;燃烧或炸裂的设备跌落有可能造成火灾和人身伤害，造成电力设备事故和人身事故。

1 研究思路

基于500 kV“西门子”刀闸手动操作存在的不足与风险，本文研究一个设计方案，将“西门子”厂家配备的高速锂电钻改造成一种可以实现手动操作远方控制的装置，即将改造的高速锂电钻固定于专用平台，让操作人站在远方位置一边观察刀闸分合闸动作位置变化过程，一边通过遥控器远方操作，控制高速锂电钻动作，实现500 kV“西门子”刀闸手动操作分合闸功能。

研究思路包括以下几个方面。

（1）设计一个装置，将锂电钻改造成装置的一部分，通过装置替代人力，确保锂电钻能正常分合刀闸。

（2）装置具备升降功能或高度调节。利用升降辅助装置实现控制锂电钻的升降，实现电钻升降省时省力、定位精准，同时确保升降辅助装置结构坚固牢靠。

（3）电钻工作时基础稳固，不发生位置偏移、抖动。装置与地面之间的接触采用摩擦力大的防滑固定装置，实现将装置稳固地放置在地面上，防止工作中因电钻转动的反作用力导致的装置位移、抖动。

（4）电钻头空间位置可调节。通过限位螺丝调整并固定装置自身的水平角度，以及与机构箱之间的垂直角度。

（5）遥控操作。改造的电钻可实现通过远方操作遥控器，控制电钻的开启与正反钻。

（6）电源可靠。改造后的电钻既能连接220 V电源操作，又能通过锂电池操作;同时，将剩余电量实时显示在平台上。

2 设计方案

根据上述的研究思路及设计目标，下面将详细阐述对应的改造设计方案。“西门子”刀闸手动操作远控电钻装置的结构示意图如图1所示。

原配操作钻头长度为280 mm，按照原配操作钻头的尺寸和形状，使用不锈钢圆棒材料分别加工成长度为80 mm、100 mm、180 mm、220 mm及250 mm等多个尺寸，用于适用不同离地高度的500 kV“西门子”刀闸机构箱。

产家原配锂电钻通过改造后，保留电钻电机、双速齿轮箱和夹头部分。其中，夹头用于固定操作钻头，齿轮箱用于调节电钻的扭矩。根据电钻电机的尺寸和形状，设计加工电钻夹紧装置，使电机可以被稳固夹紧，并通过螺丝组合安装在升降辅助装置上。

升降辅助装置采用直流电机电动推杆伸缩的方式，上下两端内置限位开关，只要下降到最低和上升到最高位置便会自动断电停止。升降平台采用的电源是18 V直流电源，因此可以与电钻共用电源。升降平台的升降速度为24 mm/s，经测试可以承受40 kg的重量，远远满足操作时的承重要求。升降辅助装置采用一个三挡正反开关控制，安装在装置外壳的面板上，方便操作人员进行精准控制。

为了克服操作过程中电钻转动产生的反作用力及不平衡走位，本研究设计出专用的升降导轨，壁厚5 mm，有足够的机械强度。在给升降装置提供滑向的同时，限制电钻夹紧装置座的位移空间，起到固定电钻作用，避免了电钻转动产生的反作用力及不平衡走位。

装置底座采用4个不锈钢增强尼龙固定调节脚作为支撑脚。4个固定调节脚可以通过旋转底盘调節支撑高度，既可以调节装置的整体高度、横向水平，控制电钻头的垂直角度，又可以解决高压场地地面的不平整问题。

装置的电源采用18 V直流锂电池和220 V交流电两种模式。通过电源切换把手进行切换选择，分别设置“停用”“外接电源”和“内置电源”3个档位。当切换把手切换至“停用”位置时，装置失电不能工作;当切换把手切换至“外接电源”位置时，装置采用220 V交流电供电;当切换把手切换至“内置电源”位置时，装置采用锂电池供电。18 V直流锂电池配置剩余电量显示器，操作人员在使用装置前可以查看锂电池余量，选择使用合适的电源模式，同时对锂电池及时充电，满足工作需求，避免了操作中刀闸动作中断而出现拉弧现象。

利用遥控器控制电钻的正反转和转速。在遥控器设置正反转按钮、调速选择开关实现相应功能。让操作人员可以站在合理的位置操作刀闸分合闸和察看刀闸动作过程，避免处于刀闸设备下方因电弧火花等造成的人身伤害风险。

3 加工制作

（1）结构加工。包括装置的外壳、操作钻头、电钻夹紧装置、升降平台固定面板、升降导轨等部件加工。均采用Solid Works三维建模软件对其进行设计建模，并对建模文件进行CNC数控机床加工和激光切割加工。采用铝合金和不锈钢作为加工材料。

（2）元器件选用。电钻夹头选用13 mm最大口径夹头，满足夹持操作电钻头要求;电源切换把手选用LW26-25/2型双电源切换开关，额定电流为25 A，满足电钻电机最大工作电流要求;剩余电量显示器选用双显电量电压表显示器，上行显示电池电量，下行电压表显示电池电压;使用两组空气开关分别作为锂电池充电和外接电源开关。

（3）电路设计。“西门子”刀闸手动操作远控电钻装置电路设计接线如图2所示。

本装置采用18 V锂电池和市电220 V交流电两种供电模式。锂电池供电模式：通过电源切换把手，直接向电钻电机和升降平台供电。当锂电池电量不足时，操作人员通过剩余电量显示器显示可直接观察，通过220 VAC插头插入站用电源插座，合上电池充电空气开关，通过锂电池充电保护器对锂电池进行充电。市电220 V交流电供电模式：将220 VAC插头插入站用电源插座，合上外接电源空气开关，220 V交流电通过整流器整定后输出18 V直流电，再经过电源切换把手，向电钻电机和升降平台供电。

遥控器则通过调节电钻的电机输入电流大小控制电钻的转速;通过控制电流的正反流向控制电钻的正反转。

4 成果试用

根据设计方案对“西门子”刀闸手动操作远控电钻装置进行加工制作，得出成品（如图3所示）。

在某500 kV变电站某500 kV开关由冷备用转检修的操作中进行实际试用（该500 kV开关两侧刀闸和地刀均为“西门子”厂家，机构相同），使用该“西门子”刀闸手动操作远控电钻装置分别对501117地刀三相和501127地刀三相进行就地手动分合闸操作。18 V锂电池和市电220 V交流电两种供电模式均能进行正常的工作。整个操作过程非常便捷、可靠和安全，实现了通过远方控制的方式对“西门子”刀闸进行手动操作，以降低手动操作风险和体力支出、提高操作可靠性、便捷性的研究目标，满足变电站安全倒闸操作的迫切需求。

5 结语

随着经济的高速发展，人们对电力的需要越来越大，500 kV变电站在电力系统的重要性是不可或缺的。本文提出了一种“西门子”刀闸手动操作远控电钻装置，涉及变电运行倒闸操作领域，改变了“西门子”刀闸原始的就地手动操作模式，通过远方控制的方式对“西门子”刀闸进行手动操作，避免了就地手动操作造成的体力支出和人身及设备风险，提高操作可靠性、便捷性，满足变电站安全倒闸操作的迫切需求，提升了电网设备的安全运行水平，社会效益显著。

参 考 文 献

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