基于TRIZ理论的多功能户外隔离开关检修操作平台

曹俊，夏志永，杨艳

贵州电网有限责任公司贵阳供电局，贵州贵阳，550002

0 引言

电力系统中输变电的一次设备使用量较大，特别是隔离开关数量多，且维护工作量大。变电检修人员在隔离开关维护工作中，由于隔离开关自身体积大、重量大，不便于检修人员操作，必须使用大型吊车，工作人员必须频繁登高作业方可完成一次检修工作任务。而在一次设备停电工作中，不能完全将一个带电间隔全停电，往往是局部停电，而停电部分设备的周围间隔均带电，因此，在一次设备检修工作过程中，一是存在触及带电部位的可能，导致人身及设备的安全事故事件发生；二是工作人员的工作强度大，导致停电时间长，削弱供电的可靠性[1-2]。

1 传统作业方式

传统户外隔离开关检修主要采用登高车和吊车配合作业，所以在检修时所需人力、物力巨大，且由于检修间隔空间狭小，而周围间隔均带电，故在吊车检修作业时存在吊臂触及带电间隔的可能，并引发作业人员触电死亡，造成安全事故。同时由于机具配合、人员配合和流程配合的各种原因导致停电时间过长，供电可靠性差引起供电企业效益损失。以检修1台110千伏的隔离开关为例：检修1台户外隔离开关预计需要6小时，需要1台登高车、1台5～8吨的吊车，以及6名检修工作人员，且在工作过程中机具存在触及带电部位的安全风险[3-4]。

2 TRIZ理论

TRIZ理论最早是由苏联科学家G.S.Altshuller提出的[5-6]，通过对20万份高质量的专利进行分析，他提出了一套具有完整体系的发明问题解决理论。TRIZ理论是通过对具体工程问题分析找到问题的核心，通过TRIZ理论建模找到对应解决方法，再将解决方法联系工程实际确立解决方案[7]。TRIZ理论本质上只是对我们解决问题的一个指导方法，不能直接得到工程问题的实际解决方案；这要求应用创新方法的工程技术人员不仅要具备TRIZ理论的知识储备，又要有具体的工程背景和一定的科学知识储备。在解决实际工程问题时，运用TRIZ理论分析、提取工程问题的矛盾，并将矛盾转化为某一种通用的问题模型，再运用相应的工具得到TRIZ理论的解；联系工程实际进而得到解决方案[8-9]。

在本文中通过因果分析对传统作业方式进行分析，找出传统作业问题的关键原因，运用功能分析建立功能模型找出传统作业的有害功能，通过功能裁剪得到初步解决方案；通过初步方案和既定目标存在的技术矛盾，应用矛盾矩阵进行求解，通过40个发明原理进行分析研究，得到最终的创新发明方案。

3 TRIZ理论对问题的分析

3.1 问题描述

传统220kV变电站户外隔离开关检修采取吊车和登高车配合作业，通过对吊车和登高车的受力分析的相关文献查阅可以发现吊车和登高车的动力臂和阻力臂的比值为8～10[10-11]；这说明在保证作业平台载荷在500kg的同时车体本身配重就在4～5吨，这样吊车或登高车的总体重量在5～8吨。这就决定了吊车或登高车的体积和占地面积很大。而220kV及以下等级的变电站间隔面积和空间都较小，吊车作业就存在触碰带电间隔的风险且不易安放。

因此，问题可描述为传统吊车作业因吊臂过长存在触碰带电间隔的风险，同时吊车本身配重过大不易安放，检修作业不便[12]。

3.2 因果分析

因果分析就是从系统问题出发层层分析寻找形成问题的根本原因，从而解决问题。通过因果分析图可以快速梳理逻辑关系，有效聚焦问题的根本，从而寻求问题的解决方案；针对问题描述对传统户外隔离开关检修作业进行因果分析得到如图1所示的因果分析图[13]。

图1 因果分析图

对因果分析图进行探讨发现只有因果图中标红的问题可以进行功能结构上的改进。

3.3 功能组件分析

功能是系统组件价值的体现。通过对系统组件的功能属性分析可以快速确定存在问题的组件。当前分析的系统为传统吊车作业系统；超系统为带电间隔、检修间隔、操作或监护人员，子系统为检修平台、吊臂、操作台、驾驶室、车体、检修人员；作用对象为户外隔离开关。组件功能分析如表1和图2所示。

表1 组件功能类型列表

图2 组件功能模型图

4 TRIZ理论对问题的解决

4.1 功能裁剪

由功能模型图可知带电间隔对吊臂有害，所以可以先裁掉吊臂，但是裁掉吊臂也带来了新的问题，检修平台无法被支撑和升降。所以我们要设计新机械系统进行替代；基于将检修平台支撑和升降的功能独立出来，利用功能导向搜索，我们找到了如下两个方案。方案1为剪式升降机如图3所示，通过底部安装液压传动装置或者电动传动装置作为动力装置，在剪叉上安装传动结构，以此控制剪叉开合的角度进而控制平台上升的高度，实现平台的支撑和升降；但此方案也有缺点，平台上升时稳定性不足，能量传播链条多使得动力利用不足，上升高度受限、过高易倾覆。方案2为电动提升结构，本方案借助采矿领域的矿井提升机模型和建筑领域的露天电梯模型作为类比，综合考虑变电检修工况与上述工程环境区别，得出了适合于变电检修的平台提升机模型，如图4所示。相比方案1，方案2能量传播链条减少，传动受力单一，有效避免了平台上升不稳、动力利用不足的问题[14-15]。

图3 剪式结构

图4 电动提升结构

考虑到平台提升方式改变使得车体向小型化发展，车体占地面积和空间就大大缩小，此时驾驶室的功能可由人代替，进一步优化小车，裁剪掉驾驶室如图5所示。

图5 驾驶室裁剪后功能模型图

4.2 技术矛盾确立

考虑到初步方案与既定目标存在技术矛盾，通过对冲突区域的定位，找到了如下几个技术矛盾如表2所示。通过技术矛盾对查找阿奇舒勒矛盾矩阵查阅创新发明方法[16-17]。

表2 技术矛盾对

查找阿奇舒勒矛盾矩阵得到发明方法如表3所示。

表3 阿奇舒勒矩阵

4.3 发明原理运用

具体应用如下，运用分割发明原理将操作台独立出来减小小车体积和重量；运用抽取发明原理将小车底座缩小化，仅保留底座和万向轮满足小车基本承载和转向功能，将小车底座减小到1.54平方米满足任何类型的220kV变电站户外隔离开关的检修；考虑到作业平台提升，小车整体重心变高、系统不稳，运用预先作用发明原理考虑系统内资源，提出了地面预埋固定螺钉结合地面和软、硬抱箍结合户外隔离开关瓷瓶、电杆的方式增加小车配重，提高系统稳定性。考虑到矛盾组4，运用复合材料发明原理应用铝合金改造作业平台和支撑架，使得在保证作业时机械结构的稳定性的同时，也减轻了作业平台的重量。运用动态化发明原理在作业平台上加装导轨使得作业平台功能多样化，更好地服务于户外隔离开关检修[18-20]。

综合以上所有发明原理，基于TRIZ的多功能户外隔离开关检修操作平台效果如图6所示。

图6 多功能户外隔离开关检修操作平台

5 结论

基于TRIZ理论的多功能户外隔离开关检修操作平台具有良好的经济性和推广性。该装置应用模块化设计便于维修人员搬运、组装；可实现吊装功能，能够将隔离开关的导电部分吊至地面检修，减少了检修过程中吊车和高空作业车的使用，规避了安全风险；经第三方测试其有效载荷为150kg，最大上升高度为6m，满足220kV及以下各类隔离开关检修需要；在实际使用中，检修一台隔离开关时间由传统作业的6小时减少到3小时，检修人员由传统检修作业6人减少到2人；相对于传统作业，创新方案节约了人力资源，提高了供电可靠性。