开关柜小车“几”字型操作手柄的研制与应用

张拥军，王伟嘉，平炯军，何剑

(国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000)

1 引言

随着电网的发展，开关柜越来越多的应用于不同的电压等级中。据统计，在嘉兴地区，开关柜设备在10kV和20kV电压等级中已经100%覆盖，在35kV中也实现了92%的覆盖率。该类设备已经成为变电站最为重要的设备之一[1－2]。

开关柜设备作为变电站出线的电源开关，是变电操作中最常涉及的设备类型，在停送电过程中不可避免地需要使用操作手柄对开关柜小车进行摇进摇出工作[3]。而传统的开关柜小车操作手柄设计未考虑到变电站操作戴绝缘手套的操作要求，因而存在操作中绝缘手套易黏连、摇柄易脱落的问题，大幅延长了停送电操作时间，造成了用户的不必要停电。同时，也带来了人员触电风险及设备放电隐患，无法保证人员和设备的安全，难以满足未来坚强智能电网的发展需求和“人民电业为人民”的企业宗旨要求。

因此为了解决传统小车手柄的问题，提升运维操作的安全可靠性，需要研制一种新型的开关柜小车操作手柄[4－5]。

2 需求分析

随着电网建设的不断推进，用户对停电时长缩短的需求越来越大。为保证优质可靠供电服务，检修工作各项内容耗时难以缩短，因此提出了单间隔停送电操作时间提出了不大于10分钟的需求。通过对2020年各工作现场进行开关柜停复役操作情况进行调研，得出小车停送电操作平均时间为28min的调查结果，具体情况如表1所示。

表1 2020年各工作现场进行开关柜停复役操作情况调查表

2.1 缩短操作时间

开关柜小车停送电操作流程分为停役和复役两部分，以单间隔由运行改为冷备用为例，停役分为停电接令、断开开关、摇出小车、停电复令，复役分为送电接令、摇进小车、合上开关、送电复令，整个停送电操作共有8个环节。由于接令、复令环节耗时较短，且已高度精益化，无法对其进行时间压缩。因而为了满足用户缩短停送电时间的需求，只有缩短开关柜小车摇进摇出环节的时间。

2.2 保证人员与设备安全

现场发现，小车操作过程中摇柄极易发生绝缘手套黏连事件，现场情况如图1所示。绝缘手套严重磨损，对绝缘手套的绝缘性能产生影响，进而威胁操作人员的人身安全。

图1 绝缘手套操作中磨损情况图

同时，在小车摇进、摇出操作过程中，可能发生小车摇柄脱落的现象，此时小车停止运动，一旦停止位置为放电位置，则将发生动静触头持续放电事件，极易损坏开关柜小车触头和母排触头，造成母线故障，损害电网设备，影响电力系统的安全稳定运行。

因此研制安全可靠的开关柜小车操作手柄尤为必要。

3 可行性分析

通过借鉴防爆快速摇柄的设计，本体提出了一种开关柜“几”字型小车操作手柄，该手柄主体采用“几”字型结构，同时加装双套管来保证操作的安全稳固。

3.1 缩短操作时间

参考防爆快速摇柄的操作时间5s/10圈，同时以工作现场的西门子开关柜小车为例，从试验位置摇入工作位置(从工作位置摇入试验位置)的圈数为18.5圈，计算可得，小车摇进摇出时间理论值可以达到18.5∗2∗(5/10)＝18.5s，即0.308min。 加上不变的停电接令、拉开开关、停电复令、送电接令、合上开关、送电复令6个环节的时间(8min)，停送电操作总时长理论值可以达到8.308min，理论上能够达到停送电操作时间不大于10min的目标。

3.2 防止摇柄脱落

传统摇柄为“乙”字型结构，单点受力，靠内六角或内方咬合，旋转过程中由于双向受力不在一条直线上，容易产生扭矩，造成脱落。通过借鉴的防爆快速摇柄“几”字型结构，利用尾端给力的方式，使摇柄支撑力与人手压力保持同一直线，从而杜绝操作过程中的受力不均的摇柄脱落。另外，套管能有效的防止摇柄与绝缘手套之间的摩擦，防止因为黏连造成的摇柄脱落。

4 确定最佳方案

本文借鉴防爆快速摇柄的两大特性，“几”字型结构设计、套管防摩擦设计特点，对小车操作手柄形成了具体模块分解方案:摇柄材质模块、摇柄结构模块和双套管材质模块三方面。

依据浙电办对开关柜小车操作工器具的相关规定，对小车操作手柄的设计模块提出如下的技术要求:

(1)摇柄结构模块:输出力矩:≧50NM；摇柄总长度应不大于1m；摇柄总重不应大于5kg。

(2)摇柄材质模块:抗拉强度≥400MPa；剪切屈服强度≥200MPa；延伸率≥0.1；使用寿命≥10年。

(3)双套管材质模块:摩擦力:≦2N；摇杆总重不应大于6kg。

依据关键质量要素，实施如图2的分级方案。

图2 方案分级图

4.1 摇柄结构模块选择

方案一“几”字型摇柄结构有两处拐角，采用直角转弯。方案二“几”字型摇柄结构有两处拐角，采用斜角转弯。根据现场西门子开关柜摇柄咬合头，计算所需摇柄粗度；根据开关柜结构计算最优的摇柄各关节长度。从而分析力臂情况与长度情况，根据长度、粗度计算摇柄重量。按照现场情况，斜角才有120度转角设计，力臂统一为15cm，计算摇柄各关节长度。

按照现场情况，斜角转弯采用120度转角设计。两种方案力臂L4统一为15cm，计算摇柄各关节长度。两种方案的摇柄摇臂总长度计算如下:

方案一:L＝L1＋L2＋L3＝10＋18＋15＝43cm

方案二:L＝L1＋L2＋L3＋2×L4/3＝10＋15＋15＋2∗15/1.732＝57.3cm

其中，L1为触头前端长度，L2为中间摇柄长度，L3为尾端固定长度。

根据咬合头情况，则确定摇柄半径R为1.5cm，根据理论密度ρ每立方厘米7.85g计算两种结构的摇柄重量分别为:

方案一:M＝ρ×π×R2×(L＋2×L4)＝7.85∗3.14∗1.5∗1.5∗73＝4048.6g

方案二:M＝ρ×π×R2×(L＋2×2×L4/3)＝7.85∗3.14∗1.5∗1.5∗74.7 ＝4142.9g

在同一力臂(力臂为15cm)条件下，方案一直角转弯结构长度更小为43cm，重量更轻为4.05kg，在变电站开关室狭小空间更易开展工作，更方便运行人员操作使用。方案二斜角转弯结构长度为56.2cm，重量为4.14kg，虽已满足相关技术指标要求，但是较长的长度和较大的重量都对实际工作效率和质量产生影响。综合分析摇柄结构模块采用直角转弯“几”字结构。

4.2 摇柄材质模块选择

方案一采用Q354高强度钢，方案二采用不锈钢。分别对两种材料的抗拉强度、延伸率等力学性质进行测试分析，并对原材料和使用寿命进行比对，得到如表2、表3数据。

表2 钢材力学性能测量数据

表3 钢材价格和使用寿命调查数据

另外，在焊接过程中，发现不锈钢材质与小车摇柄咬合头的焊接工艺要求较高，焊接成本达到每根20元，而Q354高强度钢由于其材质与原咬合头材质较为接近，焊接简单，单根焊接成本仅为3元。

比对两种钢材，Q354高强度钢使用寿命长，摇柄各项力学性能均达到目标值，同时价格便宜；不锈钢材质延伸率略好于Q354高强度钢材，达到目标值；但使用寿命较短，价格昂贵。综合比较，选用Q354高强度钢材作为小车操作手柄的主体材料。

4.3 双套管材质模块选择

方案一采用环氧树脂套管，方案二采用钢材质套管。根据直径1.5cm的摇柄设计套管，方案一环氧树脂套管重量小，仅为210g，但是，由于材质特殊性，其摩擦力略大，为1.34N；方案二钢材质套管与摇柄同为钢材质，摩擦力较小，仅为0.903N，转动更加省力，但是，重量略大，为440g。综合考虑采用钢材质方案，并在钢制套管外壁进行3M封塑处理，以增加套管与绝缘手套的摩擦力，保证操作过程中手套握持牢固稳定。

5 方案实施

根据细化后的最佳方案和相关技术要求，制定对策目标如下:

(1)摇柄与咬合头结合处抗扭强度应大于17270Nm；

(2)摇柄总长度应小于60cm；

(3)摇柄总重应小于2kg；

(4)两个套管总重量应小于500g；

(5)单个套管摩擦力应小于1N。

5.1 摇杆的设计与制作

针对最为普遍的西门子开关进行研究，由于咬合头为内六方，利用WINDOWS自带3D生成软件进行3D图形的相关设计。根据图纸制作“几”字型摇柄摇杆，将出厂所配置的操作手柄的咬合头进行切割，将钢材进行弯曲加工，并将加工完成的曲柄与咬合头进行焊接。最后，将焊接点及整杆进行喷漆处理，如图3所示。

图3 “几”字型操作手柄摇杆

测量制作摇柄重量、长度数据，并对摇柄的抗扭强度进行第三方测试，各项数据如表4所示。

表4 摇柄重量、长度和抗扭强度数据

从表4中可以看到所有试验品的平均重量为1.46kg，总长度平均值为52cm，抗扭强度平均为26319Nm，远高于对策目标要求。

5.2 套管的设计与制作

在摇柄的基础上设计套管，利用WINDOWS自带3D生成软件进行3D图形的相关设计。根据制作的摇柄实际尺寸，制作完成套管后加装。加装完成的套管由于为金属结构，为避免绝缘手套，进行封塑处理，如图4所示。

图4 加装双套管后的“几”字型操作手柄

对制作完成的“几”字型操作手柄进行测量，两个套管的重量为271g，小于500g的要求，操作手柄总重为1.68kg，操作十分方便。对摇柄套管摩擦力进行计算，由于采用了加螺纹的结构设计，使其摩擦力几乎微乎其微，约为0.3N，满足目标要求。

6 效果检查

将开关柜“几”字型小车操作手柄进行试点应用，对对各工作现场的开关柜小车停送电操作时间进行调研，统计结果如表5所示。

表5 各工作现场采用开关柜小车“几”字型操作手柄停送电操作时间统计表

从表5中可以看出，采用开关柜小车“几”字型操作手柄后，改变了各变电站小车操作的方式，革新了现场工作技术。因此，小车摇柄操作过程中再也未发生过脱落现象，大幅提升了工作效率，开关柜小车停送电操作时间从28min减小至3.351min，效果良好。

7 结论

本文针对变电站停送电操作过程中传统开关柜小车操作手柄发生的绝缘手套易黏连、摇柄易脱落的问题，研制了一种新式的“几”字型操作手柄，能够极大地缩短小车摇进摇出时间，降低停电时间成本，为电网带来丰厚的生产经济效益。同时新型操作手柄的“几”字型结构使得摇柄支撑力与人手压力保持同一直线，改善了原有不平衡发力方式，从工具结构上提升工作安全可靠性，保障了工作人员和电力设备的安全，确保了电力系统的安全稳定运行。