胡 俊，徐嘉偉，季珊珊

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海 200063)

高壓開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于35 kV及以下電壓等級電力系統(tǒng)中[1]。隨著國家整體經(jīng)濟水平的提升，供電需求的增加，高壓開關(guān)柜的安全運行要求也在提高。高壓開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)手車主要采用人工使用專用的搖桿手動操作方式，這對操作人員體力有一定要求。尤其是女性員工在操作時，幾乎無法將小車一鼓作氣搖出，當觸頭分閘時不能快速搖動，易造成拉弧時間過長，影響斷路器觸頭壽命，存在安全隱患[1-3]。

機器人代替人工的技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)相當成熟和智能化，但在電網(wǎng)系統(tǒng)，尤其是超高壓領(lǐng)域，由于對供電可靠性具有極高要求，以及涉及電力機密問題，因此工業(yè)機器人的進駐門檻會相對提高，系統(tǒng)內(nèi)部在采用機器代人領(lǐng)域比較謹慎。目前在手車操作方面，只查詢到有開關(guān)手車操作搖柄的改進以及類似電動鉆的操作方式。因此，本文以實際工作需求為出發(fā)點，設(shè)計一套高壓開關(guān)柜智能手車操作工具。

1 高壓開關(guān)柜智能手車操作工具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗，設(shè)計了一款高壓開關(guān)柜智能手車操作工具，設(shè)計示意圖見圖1。

高壓開關(guān)柜智能手車操作工具整體結(jié)構(gòu)分為3部分：操作裝置整機、操作控制面板、電源操作面板。

在功能設(shè)計上，包括：控制模塊的設(shè)計，主要為設(shè)計信號的傳輸、接收、響應(yīng)模式，實現(xiàn)搖控操作裝置對驅(qū)動模塊的控制；激光傳感器的配置與應(yīng)用，實現(xiàn)軸連接目標位置的監(jiān)察和尋跡；操作控制器自適應(yīng)功能，解決控制器握持機構(gòu)與開關(guān)柜手柄不能完全同軸的問題；智能力矩限制功能，應(yīng)對在操作過程中的突發(fā)狀況。

2 控制模塊的設(shè)計

在手車搖進搖出的工作環(huán)境中，高壓開關(guān)柜智能手車操作工具首先水平移動，與手車操作孔實現(xiàn)垂直對位，然后通過升降臺微調(diào)，實現(xiàn)與手車操作孔的精準對位。按下操作按鈕，搖桿開始緩慢位移，插入手車操作孔中，并開始均速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手車的搖進搖出。當達到設(shè)定的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)后，高壓開關(guān)柜智能手車操作工具停止旋轉(zhuǎn)，搖桿收回，工作結(jié)束。

該控制分為3個過程：高壓開關(guān)柜智能手車操作工具搖桿與手車操作孔對位；搖桿位置檢測；搖手車力矩與圈數(shù)檢測。對于高壓開關(guān)柜智能手車操作工具控制，實質(zhì)上是對于各個電機轉(zhuǎn)動角度、速度、扭矩的控制?？刂葡到y(tǒng)具體控制步驟如圖2所示。

3 激光傳感器的配置與應(yīng)用設(shè)計

針對手車操作孔對位不精準的問題，提出一種基于激光掃描技術(shù)的手車操作孔中軸線對位搖手車工具中軸線的法線方向的算法。計算線激光傳感器掃描獲取的手車操作孔法向量，并將6種獲取法線的算法進行對比，用效果最優(yōu)的算法計算模型上各點的法線坐標，利用離線編程使兩者實現(xiàn)精準對位。

激光掃描技術(shù)如圖3所示。

4 操作控制器自適應(yīng)功能設(shè)計

設(shè)計適用于手車操作孔的花鍵式萬向軸嚙合結(jié)構(gòu)(見圖4)，通過數(shù)值仿真分析軟件，對嚙合結(jié)構(gòu)的靜載能力、抗疲勞能力與抗磨損能力進行了分析。受力分析結(jié)果表明，各項指標均滿足設(shè)計要求。

5 智能力矩限制功能設(shè)計

在實際操作中，可能會遇到手車導(dǎo)軌卡死現(xiàn)象，而普通電機正常運轉(zhuǎn)無法感知到工作對象的卡死現(xiàn)象，于是在電機的輸出軸上設(shè)計了智能力矩限制裝置(見圖5)。利用墊片間的摩擦和力的傳導(dǎo)作用，通過改變彈簧片的張力，在一定程度上現(xiàn)了可改變機械旋轉(zhuǎn)力大小的傳遞和控制，實現(xiàn)智能控制輸出力矩大小的寬范圍調(diào)節(jié)。當手車軌道出現(xiàn)卡死時，電機工作而搖桿不轉(zhuǎn)動，光柵傳感器感應(yīng)到該現(xiàn)象，系統(tǒng)發(fā)出聲光告警，從而解決了在操作中可能遇到手車軌道卡死問題。

圖5 智能力矩限制裝置

6 電源供電模式和驅(qū)動模塊設(shè)計

高壓開關(guān)柜智能手車操作工具動力供電系統(tǒng)采用鋰電池直流供電模式與外接應(yīng)急操作電源的雙重供電模式。電源控制采用多項保護措施，確保動力供電安全可靠。

電源系統(tǒng)技術(shù)指標如下。

(1)直流工作模式：DC23.5-29.6 V；功率：350 W；額定電流<10 A。

(2)交流工作模式：AC220 V±5%；功率為350 W；額定電流<3 A。

(3)充電模式：AC220 V(1±5%)；輸入功率<4 A；充電時間不大于10 h，具有充滿自停功能；

在交流供電工作模式下，選定直接從墻面檢修電源箱插座取220 V交流電作為裝置電源。在對上海市域35 kV變電站調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，開關(guān)柜距墻面插座最大長度約19.8 m，因此最終選定長度為5 m的電源線外加15 m移動電源線盤。

試驗發(fā)現(xiàn)，手動操作速度約為1.5圈/s，手車搖柄長度為0.14 m。本文選擇的單相交流異步電機功率為400 W。

7 結(jié)語

高壓開關(guān)柜手車輔助操作工具投入使用后，在操作過程中能夠有效減輕工作負擔，特別是由于連續(xù)疲勞工作可能造成的潛在危險；提高電網(wǎng)操作智能化水平，使公司向操作機器代人方向邁進一大步。