一种履带式开关柜自主对位操作辅助平台

张俊 何嘉良

引言

电网的发展日新月异，断路器应用的可靠性也与时俱进，不断提升。以南方电网公司为例，3～35kV电压等级的断路器主要整合于室内高压开关柜之中，作业包括接受、分配电能以及控制开关分合等等。结合工作实际，室内高压开关柜包含固定式和移开式（手车式）两类[1]。移开式（手车式）所占空间小，防尘和防止小动物干扰的功能强大，运行可靠性强，兼具五防功能，维护较为便捷，在电力系统中应用十分广泛[2]。

一、开关小车转运过程中的痛点分析

（一）路面不平整，情况复杂

10kV断路器状态的转换操作占变电运行专业操作一半以上的操作量，因此，10kV断路器操作过程中使用的工器具，是否轻便安全易使用，影响着操作人员使用中的安全与效率。若站内没有配置合适的转运小车平台，由于开关柜前方电缆沟盖板凹凸不平等原因，不同变电站电缆沟盖板的高度差不一样，有的甚至会存在1～2cm高度差，影响小车转运的平稳性，增加了小车在转运过程中的安全隐患。

（二）小车搬运费时费力，存在安全隐患

目前，在10kV断路器转为检修状态的过程中，要借助人力将断路器由开关柜小车室转移到10kV断路器操作小车平台上，然后再次借助人力推至合适的位置。而现在常用的10kV断路器操作小车平台都比较笨重，一般会用到螺丝刀或者撬棍进行辅助拆卸，再利用螺杆螺母将小车开关的高度调节到位。以上操作所需的力量较大，有些运行值班员，尤其是女性值班员，他们的力量不够，难以完成，故而工作效率和安全性则会大打折扣[3]。同时，工作人员只能通过人力搬、抬等方式将其手动对位，而10kV断路器操作小车平台自身体积大、重量大，再加上断路器本身自带的重量，把断路器推回开关柜小车室进行对位时，难度加大，容易因碰撞损坏10kV断路器操作小车平台及10kV断路器本体设备。甚至会因为移动困难，对位不正确导致闭锁脱钩，对人身造成伤害。

（三）对位困难

此外，将10kV断路器操作小车平台与开关柜小车室导轨准确对位及固定一直以来是运行人员作业过程中的痛点难点，普遍存在多次移动对位方能勉强实现的情况。某变电站曾由于10kV断路器操作小车平台在未对位及固定的情况下，运行人员拉出断路器时造成断路器掉落损坏、人身伤害的事件。

本文基于以上问题，针对现有的10kV断路器，研制了一种履带式开关柜自主对位操作辅助平台。

二、履带式开关柜自主对位操作辅助平台设计

（一）辅助平台工作原理

履带式开关柜自主对位操作辅助平台的前视图和俯视图如图1所示：

图1 履带式开关柜自主对位操作辅助平台

1.通过遥控驱动履带底盘1，将装置横向移动到所需要的位置，贴近距离小于10cm；

2.通过按钮3.2使得升降机2起降升降平台3，升降机分为左右两套系统，可以调节左右水平，使得平台与小车的底盘滑轮高度一致并左右平衡；

3.通过调节平台定位插片3.5来适应开关小车轮距；

4.通过前后调节装置4的手轮4.1，使得平台3可以向前移动，顶到开关柜体，并将定位插片3.5插入小车轨道口。

5.手动拉出开关小车，由于平台3的台面上布满了万向输送球，所以小车从柜子里拉出到平台时不费力；

6.小车完全拉到平台3后，用机械锁定钩3.4钩住小车拉手并锁定；

7.转运时，先摇动手轮4.1，使得平台回到本装置原始位置；

8.装回小车的操作与上送1—4项一致，锁定插片3.5到位对准后，脱开机械锁定钩3.4；

9.由于万向输送平台3上的万向输送球的多向转动，可以手动移动小车对准小车轨道并推入开关柜。

（二）轮式和履带式行走机构优劣对比以及材料选择

轮式行走机构的优势在于方便、快速、灵活，常见于平坦路面上，而履带式行走机构在高速、灵活、容易控制、能耗低方面略逊一筹，但其稳定性和适应能力出众，能够胜任日常复杂路况下的工作，尤其在布满斜坡、空隙、凹凸不平的路面下，应用更为广泛。

重量一致的情况下，履带式机构的牵引力达到轮式的1.4-1.8倍，牵引效率方面，轮式上根据统计是0.55-0.65，履带式则为0.7-0.8，两者相减可知，相同动力下，轮式机构的有效功率要比履带式低十五个百分点左右。此外，履带式行走机构的重心偏下，并且摩擦系数大，故而其抗倾覆能力强，上下坡更为平稳。同时，它还具有转弯半径小的机动性、爬坡能力强的越野性等特点[4]。

履带的材料最终选择的是橡胶，橡胶履带的优势有以下5点：

（1）橡胶履带相较于钢质履带、橡胶轮胎，通过性能优越，尤其是在偏软质的路面上，这得益于其接地比压小：它的接地比压在千分之十四到百分之三十兆帕区间范围内，轮式车辆的轮胎则在百分之十到十五兆帕之间。橡胶履带行走机构可参与的作业场景更为广泛，可适应环境复杂的情况下的作业，提升机械设备在多变工况下的表现。

（2）和钢质履带相比，橡胶材质对路面的破坏性减弱，与地面的接触面为花纹侧胶，机构作业时对路面的破坏几乎为零，也不拘泥于单一路面环境。

（3）橡胶和钢材对照，当其运转时，各轮与履带的摩擦方式发生改变，使得整个机构的震动和噪音减弱，有限降低了机械损耗和后期维护量。

（4）行走机构的履带若采用钢材，包括支重轮、托轮、张紧轮在内的各个部件，大大增加了与履带和零件之间的磨损，这些零部件的损耗巨大，平日的正常维护量很大，零部件的拆卸、维修和更换也会更加频繁。橡胶履带的系统是一个整体，零部件无需也无法单个更换，此外，前面提到的支重轮、托轮、张紧轮在橡胶的间隙中运动，损耗量小，拆解维护方便。由于其使用寿命长，即使机构损坏严重，或达到了出厂年限，需整体进行更换，所需总成本也会更低。

（5）橡胶的密度低于钢材，摩擦力较小，履带转动时的摩擦力造成的功率损耗则会降低，且橡胶和其他材质的亲和性很好，接触面之间的作用力得到缓冲，故而，其震动冲击所产生的消耗大大降低。

综上所述，履带式行走机构可以适应开关柜附近由于电缆沟盖板凹凸不平等原因导致的复杂、不平稳路况，提高行驶机构的附着性能和减振性能，保证10kV断路器操作小车转运作业的顺利进行，而材料方面考虑选用橡胶。

（三）左右两套升降系统的联动策略

本辅助平台的升降系统由两套四轴升降机组成，一左一右。若采用左右两套独立的系统，则平台的平衡性很难保证，在调节的过程中，可能出现左右两边高度差过大，最终导致平台失衡，小车倾倒。为此，需考虑左右两套升降系统的联动。考虑加入包括支持系统、能量系统、升降系统和压差系统在内的多个小系统进行协调配合，其中支持系统包括底部平台、大柱、联结梁和联结绳。此外，需引入伺服电机，以极低的误差处理好左右两边的位移量，使得两边的高度差在可控范围内。伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。这种发动机旨在“变速”，同时可以精准把控位移信号，将电压信号转化为转矩和转速，实现整个机构的运转。与之相配合的，通过传动连杆和联结绳控制传送平台的垂直高度，而所能传送的物体重量上限取决于传动连杆和联结绳的直径、结构强度等，从而提高本辅助平台升降系统的提升能力。如若发动机或者传动连杆等出现异常，压差系统停止运转，液压杆维持原状，储油装置竖直向上的拉力和传送平台上的物体自重达到平衡，从而将传送平台固定在安全位置，解决了部件出现故障，传送物品坠落的问题。

（四）万向球平台的应用

10kV断路器操作小车自身体积大、重量大，传统的小车转运平台未采用万向球平台，一方面，将其从小车柜子里拉出到平台时较为费力；另一方面，检修作业时，需从不同角度对小车进行仔细观察和相对精密的操作，受限于作业的空间大小和检修器材的摆放等条件。此外，小车对准小车轨道并推入开关柜时，若小车不方便微调位置，将耽误大量时间和精力。由此需要新的传送平台来解决这些痛点，省力，且便于对位，减小运行人员的日常工作强度，于是考虑采用万向球平台来替代传统的转运台面。

万向球又称万向输送球、万向滚珠、牛眼轴承、钢球轮等。它的优势在于多向的自由转动，开关小车可以借其实现相当灵活的滑移，省力的同时，对小车底部的磨损也降到最低。万向球的工作原理主要是将原动机产生的转矩传递给从动机。而万向球结构在传动类的零部件中，有许多优势：

（1）受击抵抗强度大：万向球平台的组件包括了万向滚轮球、支持平台。万向球平台在制作过程中借助高精度加工机械进行打磨处理，在材质不变的前提下，越是接近完美的球体，该成品受击抵抗的强度就越大。同时万向球的滚轮球、支持平台之间的间隙就会减小到极限，极致的加工精度加上严格的出厂检测标准，实现了万向球产品结构的高度密封性，物理稳定性也极强。

（2）抗化学腐蚀能力强：单纯以制作材料来分类，目前市面上的万向球主要可分为两种，即钢制万向球和塑制万向球。前者的主材料采用45号钢，高级优质碳钢，切削加工性能很强，该钢含碳量在千分之四以上，耐磨性能强大。后者的材料得益于如今材料化学的发展，可选项较多，像聚酰胺纤维（锦纶）、POM、C3H6等都可以作为塑制万向球的原材料。两类材质的抗化学腐蚀能力强，最终的成品能够在较强的酸性或者碱性环境下保证化学稳定性，其余强腐蚀性的化学药品也难以破坏这种化学稳定。

（3）更换周期长：得益于万向球受击抵抗强度大，抗化学腐蚀能力强这两点优势，万向球平台使用寿命极长，后期的更换周期也就很长。

综上所述，万向球的受击抵抗强度大，抗化学腐蚀能力强，更换周期也更长。万向球平台的加入，减小了小车在平台上移动时受到的摩擦力，更加省力，降低了工作强度，亦可以实现小车朝向的改动，便于检修作业的开展。对于整个平台而言，更具稳定性和耐用性，使用寿命大大增加。

三、履带行走机构性能试验

履带行走机构性能试验主要分为地面适应性、爬坡、越障3类行走工况。

（1）地面适应性性能试验。选取了有多处缝隙的且较为不平整的路面作为操作辅助平台履带行走机构的地面适应性性能试验的场地。该工况下，操作辅助平台在行进过程中行走平稳，且未出现履带下陷打滑、平台晃动幅度较大等情况，由此可见操作辅助平台的地面适应性较强。

（2）爬坡试验。操作辅助平台在斜坡上进行爬坡试验。结合工作实际，小车转运过程中，可能会遇到一定的坡度，因为电缆沟下经常会有电缆敷设等作业，需频繁搬动电缆沟盖板，边角会有一定损耗，或是有碎屑小颗粒掉入缝隙中，最终导致路面不平。但是这个坡度一般也不会过大，故而，在试验过程中，设置了一个10°的斜坡，该平台在该坡面上往复行走5次，均表现为行走平稳，未出现行走电机动力不足或整个平台失稳等现象。

（3）越障试验。对操作辅助平台履带行走机构进行越障试验，在履带行走机构前分别设置高度为20mm、40mm、60mm的障碍物。试验过程中，在每个障碍物上往复越障5次以上，移动平台仍旧行走稳定，未出现越障失败的现象[5]。

综合以上三种行走工况下操作辅助平台的表现，该平台基本可以保证10kV断路器操作小车在高压室内转运的平稳性。

结束语

本文针对现有的10kV断路器，研制了一种履带式开关柜自主对位操作辅助平台，从行走机构、升降系统、万向球平台等多个子系统进行分析解读，并且对履带行走机构进行了三种不同的性能试验，该机构实现了在复杂路况下的平稳运行，满足变电运行专业10kV断路器转为检修状态的过程中，开关小车的转运。整个辅助平台极大地提高了工作效率和安全性，未来将进一步完善平台的左右升降系统的同步和联动，同时考虑加入电子识别自主对位系统，提高整个系统的智能化程度。