李雄，張強，李志剛，朱容

（1.國網(wǎng)杭州市臨安區(qū)供電公司，浙江 杭州 311300；2.河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300130；3.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300130）

1 引言

10kV開關(guān)停電轉(zhuǎn)檢修是運維人員日常停電操作最頻繁的操作項目之一，而10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車是開關(guān)在試驗狀態(tài)與檢修狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的必備輔助工具[1]。常規(guī)機械轉(zhuǎn)運小車由于結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低廉，得到了生產(chǎn)廠家的青睞，但是其在現(xiàn)場應(yīng)用中還存在著一些缺陷比如機械轉(zhuǎn)運小車在操作過程中視線阻擋、難于固定找平、耗費體力等[2]。因此，對轉(zhuǎn)運小車在機械設(shè)計上的不足進行改進，不僅能提高運維人員在操作機械轉(zhuǎn)運小車時的工作效率，還能保障運維人員的人身及設(shè)備安全，提高電網(wǎng)的安全可靠性。目前，國內(nèi)外在機械方面的研究有許多，在輪椅上加裝機械臂來提高行動自由度[3]，設(shè)計袋裝水泥自動裝車機械手來確定合理碼放順序[4]。而對于10kV開關(guān)機械轉(zhuǎn)運小車的研究也不少，文獻(xiàn)[5]使用滾球式的滾輪、錐形導(dǎo)軌，加裝開關(guān)小車固定裝置以及液壓機構(gòu)輔助轉(zhuǎn)運平臺調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)運小車操作起來更加輕松和安全。文獻(xiàn)[6]通過液壓升降裝置對剪刀式升降臺進行升降操作，輕松省力，同時液壓升降裝置穩(wěn)定易控，有利于剪刀式升降臺升降過程的平穩(wěn)。但是這些改進主要集中在難于固定找平、耗費體力方面。對于機械轉(zhuǎn)運小車在操作過程中存在的視野阻擋問題始終沒有得到解決。由于承載了開關(guān)的轉(zhuǎn)運小車高度超過了一般人體的正常視線范圍，運維人員在將開關(guān)從檢修狀態(tài)轉(zhuǎn)入試驗狀態(tài)的過程中需要兩人相互配合，才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)運小車與開關(guān)柜的接觸定位。這樣既浪費了人力，又給操作人員帶來了極大的不便。

因此，對機械轉(zhuǎn)運小車進行改進，在轉(zhuǎn)運小車的后端和前端的定位圓柱處設(shè)計一個潛望鏡，操作人員通過轉(zhuǎn)運小車后端的潛望鏡來觀察轉(zhuǎn)運小車在移動過程中前端定位圓柱體的定位情況，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)運小車的單人快速定位。

2 變電站10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車結(jié)構(gòu)

目前，變電站內(nèi)普遍使用的10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車主要有10kV出線開關(guān)柜轉(zhuǎn)運小車和大電流開關(guān)柜轉(zhuǎn)運小車。大電流開關(guān)柜轉(zhuǎn)運小車的柜體寬度比一般10kV出線開關(guān)柜轉(zhuǎn)運小車要寬，但是兩者高度一致，操作起來并無區(qū)別。一般情況下，變電站10kV出線較多，所以10kV出線開關(guān)柜轉(zhuǎn)運小車使用頻次較高，因此將10kV 出線開關(guān)小車作為示例進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。10kV 出線開關(guān)轉(zhuǎn)運小車的正視圖和側(cè)視圖，如圖1所示。

圖1 10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車正視圖和側(cè)視圖Fig.1 Front View and Side View of 10kV Switch Transfer Car

從圖1可以看出，10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車分別由4個滾輪、中空金屬鎧裝柜、升降平臺以及2個對位圓柱體組成。4個滾輪分別焊接在中空金屬鎧裝柜下端部的四個邊角處，便于轉(zhuǎn)運小車的移動，升降平臺通過旋轉(zhuǎn)四根安裝在中空金屬鎧裝柜上面四個邊角的螺柱來進行高度的調(diào)節(jié)，以便于轉(zhuǎn)運小車來實現(xiàn)不同高度開關(guān)柜中的開關(guān)轉(zhuǎn)運工作。升降平臺前端左右兩邊分別安裝了兩塊槽型鐵片，其上分別固定了一根鐵質(zhì)圓柱體，以便于轉(zhuǎn)運小車與開關(guān)柜上相對應(yīng)位置上圓孔的貼合，實現(xiàn)兩者之間的準(zhǔn)確對位。

2.2 10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車工作過程

10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車工作過程，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運小車工作過程Fig.2 Working Process of Transfer Trolley

當(dāng)變電站10kV 線路上的開關(guān)需要進行停電檢修或者試驗時，首先將10kV轉(zhuǎn)運小車升降平臺前端的兩個圓柱體分別對準(zhǔn)開關(guān)柜上對應(yīng)位置的圓孔，如圖2（a）所示。

對準(zhǔn)位置之后將10kV 轉(zhuǎn)運小車與開關(guān)柜進行緊密貼合，如圖2（b）所示。再將10kV開關(guān)從開關(guān)柜中拉至10kV轉(zhuǎn)運小車平臺上，然后將承載10kV 開關(guān)的轉(zhuǎn)運小車與開關(guān)柜分離，如圖2（c）所示。

操作好之后再進行開關(guān)的停電檢修或者試驗。在開關(guān)停電檢修或者試驗結(jié)束之后，再將承載開關(guān)的轉(zhuǎn)運小車與開關(guān)柜進行對位貼合，最后再將開關(guān)重新推入開關(guān)柜中，如圖2（d）所示。

3 10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車優(yōu)化設(shè)計

由于承載10kV開關(guān)的轉(zhuǎn)運小車的高度一般為150cm，超過了普通人正常視線范圍，所以在開關(guān)停電檢修或者試驗完成之后，將開關(guān)重新推入開關(guān)柜時由于視野阻擋單人無法操作，需要兩名運維人員同時進行配合，這樣既浪費人力，工作效率又不高。基于此，在轉(zhuǎn)運小車升降平臺前端固定鐵片處安裝一個只具有潛望功能的簡易潛望鏡，讓操作人員通過潛望鏡觀察轉(zhuǎn)運小車前端圓柱體與開關(guān)柜的對位情況，從而實現(xiàn)單人快速對位。

3.1 轉(zhuǎn)運小車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

潛望鏡的基本功能是供觀察者在水下觀察海面或空中目標(biāo)，因此其基本光學(xué)系統(tǒng)是能實現(xiàn)對目標(biāo)的望遠(yuǎn)和潛望功能的望遠(yuǎn)系統(tǒng)[7]。系統(tǒng)的基本關(guān)系式為：

式中：λ—望遠(yuǎn)系統(tǒng)的放大率；β轉(zhuǎn)—轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的橫向放大率；、—物鏡、目鏡的焦距；σ’、σ—物方、像方的視場角；C、C’—系統(tǒng)入瞳和出瞳直徑；m—轉(zhuǎn)像系統(tǒng)的組數(shù)。

由于轉(zhuǎn)運小車前后端的距離不足1m，所以安裝在轉(zhuǎn)運小車上的潛望鏡只需要考慮潛望功能。其光學(xué)原理，如圖3所示。其中，L1、L2—潛望鏡的兩塊反射鏡。

圖3 潛望鏡光學(xué)原理Fig.3 Optical Principle of Periscope

潛望鏡正前方目標(biāo)射來的平行光束經(jīng)過反射鏡L1反射后垂直向右行進，然后再經(jīng)過反射鏡L2反射垂直向上進入到觀察者的眼睛。為了便于潛望鏡的安裝，首先需要對轉(zhuǎn)運小車進行改進。在轉(zhuǎn)運小車升降平臺前端其中的一個安裝對位圓柱的鐵片上開一個長方形孔，然后在轉(zhuǎn)運小車升降平臺后端對應(yīng)的位置也開一個長方形孔，將潛望鏡通過兩個孔固定在升降平臺上，并且?guī)в蟹瓷溏R1的那一頭固定在升降平臺的前端孔，反射鏡2的那一頭固定在后端孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 改裝后開關(guān)轉(zhuǎn)運小車結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Switch Transfer Car After Refitting

操作人員通過從后端潛望鏡觀察前端的對位情況，快速實現(xiàn)對位。由于開關(guān)柜上的兩個對位圓孔處于同一水平位置，當(dāng)其中一個圓柱體的位置對好之后，另一個圓柱體可以直接與開關(guān)柜上的圓孔貼合，所以在轉(zhuǎn)運小車的升降平臺上只需要安裝一個潛望鏡。

3.2 潛望鏡的改進設(shè)計

如果在開關(guān)轉(zhuǎn)運小車上安裝普通潛望鏡，其只能觀察到開關(guān)轉(zhuǎn)運小車前端正下方的目標(biāo)[8?10]，而10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車升降平臺前端的對位圓柱體有一定的長度，其視野范圍不在開關(guān)轉(zhuǎn)運小車前端正下方，普通潛望鏡是無法觀察到圓柱體的對位情況，因此需要對安裝在開關(guān)轉(zhuǎn)運小車上的潛望鏡進行改進。首先將安裝圓柱體的槽型鐵片分為1區(qū)和2區(qū)，1區(qū)放置潛望鏡放射鏡片L1那一端，該端所在的平面要與鐵片所在平面重合，保證圓柱體與開關(guān)柜緊密貼合，其次將2區(qū)切割掉，保證對位圓柱體處的光線通過切割掉的2區(qū)反射至操作者的觀察窗口，如圖5所示。

圖5 槽型鐵片設(shè)計Fig.5 Design of Grooved Iron Sheet

最后將反射鏡1繞BB’軸向下旋轉(zhuǎn)將一定的角度，從而改變光路在水平面和垂直面上的方向，其光學(xué)傳播路徑，如圖6所示。

圖6 改進后潛望鏡光學(xué)傳播路徑Fig.6 Improved Optical Propagation Path of Periscope

圖中0≤θ≤45°，θ為反射鏡L1的旋轉(zhuǎn)角度，α+θ=45°，a為潛望鏡視野寬度，BCA2E為旋轉(zhuǎn)反射鏡1之后的視野范圍，BA2A3E為未旋轉(zhuǎn)反射鏡1之前的視野范圍，b為旋轉(zhuǎn)反射鏡1之前與之后視野交錯臨界處所能觀察到的目標(biāo)的長度，c為旋轉(zhuǎn)反射鏡1之前與之后視野交錯臨界處距離反射鏡1的距離。經(jīng)過試驗可知，隨著θ的增大，c在逐漸減小。而且根據(jù)幾何計算得出：

4 案例分析

以某變電站10kV 大電流開關(guān)轉(zhuǎn)運小車為例，如圖7 所示。其轉(zhuǎn)運小車的前端與后端的長度d2=64cm，對位圓柱體的長度d3=3cm，安裝對位圓柱體的鐵片的長度d4=9.5cm，寬度d5=6cm。根據(jù)設(shè)計要求：d3≤b，d+c≤d4，a=d。根據(jù)實際情況，取視野寬度a=4cm，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度θ為不同數(shù)值時，利用式（1）和式（2）計算c和b的數(shù)值。計算結(jié)果，如表1所示。

表1 計算結(jié)果Tab.1 Calculation Results

圖7 10kV大電流開關(guān)轉(zhuǎn)運小車Fig.7 10kV High Current Switch Transfer Car

潛望鏡的視野觀察效果取決于AA4的長度，AA4的長度隨偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化，其長度越長，視野觀察效果越好，為找到最佳視野觀察的偏轉(zhuǎn)角度θ，根據(jù)圖5建立目標(biāo)函數(shù)，如式（4）所示：

式中Γ(θ)—視野長度AA4的長度目標(biāo)函數(shù)。

考慮實例開關(guān)小車的相關(guān)尺寸，根據(jù)設(shè)計要求建立約束條件，如式（5）、式（6）所示。

根據(jù)計算可知，表1中紅色方框中的偏轉(zhuǎn)角度均符合條件要求，利用目標(biāo)函數(shù)（4）和約束條件（5）、（6）進行計算可知，當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度為16°時，AA4的長度最長，視野觀察效果最好。

為了驗證開關(guān)轉(zhuǎn)運小車改進之后的優(yōu)勢，對其進行試驗測試，測試數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Test Results

通過表2中的測試數(shù)據(jù)可知，使用未改進的10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車將開關(guān)由檢修狀態(tài)推至試驗狀態(tài)時需要兩個人平均耗時約118.75s，改進之后的轉(zhuǎn)運小車只需要1個人，平均約30s就可以完成操作，工作效率提高了將近8倍。

5 結(jié)論

（1）闡述了10kV開關(guān)機械轉(zhuǎn)運小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化的改進方法，在轉(zhuǎn)運小車的升降平臺上安裝一個改進后的潛望鏡，完全消除了小車在轉(zhuǎn)運過程中的視野盲區(qū)，很好的解決了視野阻擋問題。

（2）使用未改進的10kV開關(guān)轉(zhuǎn)運小車將開關(guān)由檢修狀態(tài)推至試驗狀態(tài)時需要兩個人平均耗時約118.75s，改進之后的轉(zhuǎn)運小車只需要1個人，平均約30s就可以完成操作，工作效率提高了將近8倍。節(jié)約了人力，提高了工作效率，不僅保障了運維人員的人身及設(shè)備安全，還提高了電網(wǎng)的安全可靠性。

（3）該改進方案的實施直接能使運行專業(yè)受益，可推廣到公司所有運行班組，提高公司經(jīng)營效益，對今后提高運行人員的工作效率也有重要意義。