变电站开关柜调高校准装置载荷计算与分析

牛硕丰 唐玉奇 吴衍达 李 震 陈 伟 李兆鹏

（1、国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000 2、太原科技大学机械工程学院，山西 太原 030000）

变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的重要电力设施[1]。变电站开关柜是金属封闭开关设备的俗称，在母线分段系统中，作为接受和分配电能，并对电力电路实行控制、保护、监视和测量之用，具有开断、灭弧、隔离功能的高压设备，直供用户用电，是电能传输环节的重要环节[1]。

开关柜柜门紧固螺栓在出厂时均需按照要求配套设置，可正常紧固。由于在运输和安装过程中，可能引起柜体与柜门结构微变形，导致在柜门关闭，紧固螺栓时，螺栓与柜体螺孔不在同一中心线。在现场开关柜整体连接固定施工中，由于其重达几吨，需多人用千斤顶及撬杠等工器具将开关柜调整，工作效率低下且具有一定安全隐患。

液压传动输出力或转矩大，可实现低速大吨位运动，具有重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快，易于实现系列化、标准化和通用化等优点，便于设计、制造、维修和推广使用[1]。针对变电站开关柜存在的上述问题，本文设计了一种主体为液压千斤顶的自动调高与校准成套装置。载荷计算和分析是液压千斤顶选型的前提，也是调高与校准装置设计的难点和重点之一[1]，本文在详细描述调高与校准装置工作原理基础上，对变电站开关柜进行了载荷计算和分析，并利用ADAMS软件完成了仿真验证。

1 设计原则及工作原理

由于变电站特殊的工作环境，变电站开关柜柜门自动调高与校准装置应满足以下设计原则：

1.1 操作千斤顶的力量应尽量小，保证安装过程只需两人，一人操控装置另一人紧固螺栓。

1.2 千斤顶抬升速度不能过快，保证报警装置报警后能够立即制动。

1.3 校准精度高，在很短工时内即可完成，节省大量人力、物力的同时，还可大大提升工作效率，保证一定的工作安全性。

1.4 因开关柜体积较大，且在室内安装，千斤顶要能够抬起柜门且体积不应过大。

变电站开关柜柜门自动调高校准装置主要由液压千斤顶，短、长定位杆，传感器以及报警装置组成，操作装置机构组成如图1 所示。装置主体是液压千斤顶，在千斤顶上加装可伸缩式标杆（分为A、B、C），千斤顶自带支撑爪D。标杆B上安装有光电传感器，并将传感器接入到语音报警电气回路中，当光电传感器触发后，报警回路导通，蜂鸣器告知到位。

图1 调高校准转置机构组成

使用时将千斤顶放置在易操作位置，将支撑爪D 与柜门底部紧密结合，延伸A，拉开标杆B，使得B 与柜体螺栓孔中心平齐，将标杆A 紧固，拉直标杆C，将标杆C 与柜体螺栓中心平齐。操作千斤顶操作机构，此时支撑爪D 和标杆C 同步向上移动，当C 与B 紧密贴合后，报警回路导通，告知人员无需继续操作，并对千斤顶操作机构进行限位，严防继续操作对开关柜产生损坏。

2 载荷计算

变电站开关柜型号较多，各个型号的开关柜参数不同，即使同一型号的开关柜因使用场地不同，尺寸规格也不相同。考虑到装置的适用性，本文选用KYN（铠装式交流金属封闭开 关 设 备） 系 列， 其 标 准 尺 寸 宽× 深× 高 为1200mm*3100mm*2600mm，柜门尺寸取宽×厚×高为1200mm*50mm*2500mm，柜门采用冷轧钢板为材料，其密度为7.9g/cm3,则柜门重量为：

依据设计要求，千斤顶需要能将开关柜柜门顶升到对应位置，开关柜柜门受力分布如图2 所示。

图2 开关柜柜门受力分布

对图2 中间合页中心取矩，由式（2）可得式（3）：

因三个合页共同支撑柜门，且连接方式相同，中间合页与柜门质心位于同一直线上，根据理论力学静力学分析有式（4）：

柜门重力的作用，导致合页有一水平方向的分力，要使设计的装置能够达到顶起柜门的要求，理论上合页应不再受到水平方向上的分力。当合页水平方向不受力时，柜门刚好处在被顶起的零界点。

调高校准装置工作时千斤顶在柜门远离合页的一端向上顶撑，如图2 所示，柜门同时受到自受重力G 和千斤顶向上的顶撑力F。由力系平衡原理和力矩平衡原理可知，若要使千斤顶能将柜门向上抬升，则千斤顶的推力至少要达到平衡力，图2 中Fx1、Fx2、Fx3为零，Fy1、Fy2、Fy3为合页受到的竖直方向上的力，F 为千斤顶对柜门施加的力，对中间合页中心取矩，由（1）式得：

计算得到若要千斤顶能够顶起柜门，则千斤顶的顶撑力至少为5806.5N。

3 静力学分析

为验证上述载荷分析的准确性，首先在SolidWorks 中建立图1 中所示几何模型，导入到ADAMS 中，对其施加转动约束，施加载荷时考虑到柜门受力的两种情况，无顶升动作时柜门只受到到自身重力G 的作用，有顶升动作时柜门除了受到自身重力，还受到一竖直向上的顶撑力F，并使其数值从零线性增加到5806.5N。如图3 所示。

图3 ADAMS 柜门载荷仿真模型

合页在X 方向受到的力为0 时，柜门能被千斤顶顶升，大于0 时，柜门不能被千斤顶顶升。三个合页受力情况是一致的，本文只对合页1 进行受力分析。在液压千斤顶有无顶升动作两种工况下进行开关柜柜门载荷仿真，仿真结果如图4 和图5 所示。

图4 千斤顶顶升前合页1 受到的水平分力

图5 千斤顶顶升时合页1 受到的水平分力

图4 表明液压千斤顶无顶升动作时，此时柜门只承受重力，合页1 受到来自柜门的拉力，其X 轴方向的分力f 数值为4354.37N。图5 表明，液压千斤顶有顶升动作时，由于在柜门右下角施加一个竖直向上的顶撑力F，合页1X 轴方向上的力f 随着顶撑力F 的增大而减小，当顶撑力达到5806.5N时，柜门X 轴方向上的力f 为0，此时柜门能被千斤顶顶升，系统处于静平衡状态，选用顶撑力大于5806.5N 的液压千斤顶即能满足设计要求。

结束语

高低压开关柜广泛应用于变电站、发电厂、厂矿企业、冶金、电信、轻工、纺织、大楼宾馆、市政建设等，然而柜体稍有变形即可导致柜门螺孔与柜体螺孔不在同一水平线上，给开关柜安装带来很大困难。本文设计的自动调高校准装置，不仅能提高变电站开关柜安装效率，也可广泛应用于其他相关行业。考虑开关柜柜门变形量通常数值很小，一般为毫米级变形，利用ADAMS 软件进行了静力学仿真分析，仿真结果与载荷计算结果是一致的，表明自动调高校准装置的总体设计是合理的。