一种一次设备接线板螺栓紧固装置在变电站中的应用

熊一凡，卢雨翔，孙宏彪

（国网江西省电力有限公司检修分公司，江西 南昌 330096）

0 引言

国网江西检修公司所辖500 kV变电站中，户外一次设备发热缺陷占总缺陷的60%左右，而设备的接线板发热情况占总发热缺陷的80%以上。根据检修经验，50%是由于接线板上螺栓的紧固力矩不够或由于螺栓松动导致。当设备接线板发热时，根据《输变电一次设备缺陷分类标准》定义为严重及以上缺陷时，该设备将不得不立即停运进行缺陷处理，这将会带来以下2个问题：1）发热缺陷处理不及时将造成更严重的后果。当发热缺陷处于一般缺陷情况下，随着负荷、环境的温度的上升，一般缺陷极有可能发展为严重或危及缺陷；2）重负荷情况下留给调度倒负荷的时间较短。在迎峰度夏、度冬、重大节日等重负荷情况下，调度可能拒绝受理停电申请。若设备发热严重，需要紧急倒负荷时，留给调度部门倒负荷的时间将极为有限。

由此可知，在特殊情况时，螺栓松动或紧固力矩不够导致的设备发热缺陷将会造成非常严重的后果[1]。该项目将研发一种面向变电站内220 kV及35 kV电压等级一次设备接线板螺栓自动紧固的装置，该装置可在带电情况下，对接线板处的螺栓进行紧固，可大大缓解设备的发热程度，为申请停电获得宝贵的时间。

1 装置机械结构设计

对变电站内一次设备的尺寸、高度、安装方式、接线板尺寸等参数进行研究后，确定以220 kV和35 kV电压等级的设备作为试验目标，并根据设备结构，确定本装置的系统结构，如图1所示。

图1 装置系统结构

该装置将研制一种“]”型装置，下端可安装不同型号的套筒指，用于固定螺栓，上臂采用一种可遥控的电动力矩扳手，扳手上可按照工作需要安装数显力矩，下臂采用硌钒钢材质的金属，可安装不同尺寸的套筒。

2 执行机构与作业过程

2.1 遥控电动力矩扳手

遥控电动力矩扳手由两部分组成，即遥控电动扳手及力矩数显装置。

遥控电动扳手是一种带有遥控装置的定转矩电动扳手，其主要由遥控机构、动力单元、扭矩放大机构、扭矩输出机构等结构组成。由于装置是用于变电一次设备带电作业，结合现场螺栓的实际尺寸，在设计电动扳手时优先考虑扳手的体积和重量，特别研究了一种体积较小、扭矩最大不超过200 N·m的扳手[2]。电动扳手采用的是结构紧凑的减速装置、但是传动比大的行星齿轮机构。当扳手电机转动时，带动高速行星齿轮机构的中心轮进行旋转，机构的另一中心轮则与扳手外壳相连，扭矩同时由传动杆将力矩传动到扳手头部，实现对螺栓的紧固。为了使拧紧固装置的结构更为紧凑，并实现较大的扭转力矩，电动扳手采用涡轮蜗杆传动的方式输出扭矩，同时使该装置具有较好的自锁功能[3]。在步进电机处增加了遥控模块，通过遥控装置控制电机的启动、停止、正反转。

2.2 紧固装置组装

整个紧固装置主要由电动力矩扳手和紧固装置支架构成。安装时，将装置支撑部分与电动力矩扳手上臂用螺栓固定，将一根M16的长螺杆插入装置支撑部分，装置支撑部件内部有2个固定块，M16长螺杆通过螺纹与两固定块相连接，在固定块中间存在一个空心圆柱，空心圆柱与装置下臂相连，空心圆柱上下两头各有一个螺帽，确保空心圆柱固定在长螺杆上。在装置末端，长螺杆与绝缘杆连接件相连。

螺栓紧固装置总装图见图2，电机减速器带动涡杆机构传动，进而带动旋转轴进行旋转，为顺时针（紧固）和逆时针（松开）提供扭转力矩。紧固螺栓时，螺帽完全裹覆于前端的内六角套筒内。为了实现套筒与螺母较好的对接，在套筒与旋转轴之间一体成型，提高旋转强度。

图2 装置总装图

2.3 目标螺栓固定过程

作业时，由检修人员确定需要紧固的目标螺栓，打开遥控电动扳手本体电源及遥控器电源，检查电动扳手电量及遥控器电量。用绝缘杆将装置将装置送至设备发热螺栓处，用电动扳手的套筒指卡在目标螺栓的螺帽上，顺时针旋转绝缘杆，绝缘杆通过绝缘杆连接件，带动整根长螺杆一起旋转，并使下臂可以上下活动，在将下臂套筒指卡在螺栓上时，使用遥控装置，控制电动扳手的启动和停止。在对螺栓力矩有要求的环境下，在力矩扳手头上安装带有数显功能的力矩指示装置，装置可提前设定力矩值，当达到额定力矩后，装置将会发出报警提示。

3 遥控与控制平台系统设计与原理

控制系统主要由上位机（包括显示器）、逻辑控制和显示、主控制器单元、轴控制器单元及电机驱动器构成。各电机驱动器及其拧紧轴中的伺服电机均是分别独立的、标准的旋转伺服3系统，它在拧紧机轴控制器单元的控制下可以完全确保各拧紧轴旋转（转速、转角）的精度及其稳定性。每个拧紧轴的扭矩检出信号分别直接进入各自的轴控制器单元，组成各自独立的扭矩闭环控制系统，以确保扭矩控制精度及其稳定性。这种结构中的每个轴控制器单元都是1套以单片机为主要核心并附加其他外围电路等构成的专用控制系统，由于它的存在，使每根拧紧轴均成为完整独立的数据采集、计算、存储、控制系统[4]。在拧紧的过程中，可直接对每根拧紧轴的扭矩、转角进行独立、实时地检测和控制，从而确保了各个拧紧轴的拧紧精度及其稳定性。

系统框架图如图3所示，配置了安卓开发环境，通过程序编写上位机软件。

图3 系统框架

通过上位机给主机发送遥控启动、停止、正转、反转指令，遥控模块接收到信号后，进行数据处理，然后给电机发送指令。电机可以通过指令实现对电机的开关。其程序设计流程图如图4所示。

图4 程序设计流程图

4 现场应用

在国网江西检修公司某500 kV变电站220 kV运行设备上实施该套螺栓紧固装置的检修，用专门研制的紧固支架结构，采用无线遥控系统配套伺服电机驱动、数显力矩报警，使动作更加精确和便捷；整体装置使用方便、功能齐全、结构稳定。目前已拓展到35 kV电压等级带电检修及缺陷处理，运行稳定，实现不停电检修。

以某变214线路隔离开关处理引线接头发热为例，该装置使用后，既实现带电作业、保障了检修安全，又无需停电完成消缺任务，减少设备停送电时间约5 h，检修成效显著。按该条220 kV线路平均负荷20 MW，多供电量约为20 MW×5 h=10万kWh，售电价格按0.65元/kWh计算，节约费用约6.5万元[5]。此外，减少停电次数1次，节约人员差旅费、车辆损耗费用约0.1万元。由于该装置具备遥控操作、安全可靠等优势，能最大程度为检修人员提供安全保障，节省了人力、物力。

5 结语

根据现有研发条件，针对变电站现有检修工具在使用时存在的问题和不足，研制一种一次设备接线板螺栓紧固装置的主要思路是从带电检修、减少高空作业、减少停电频次、操作简便等方面解决实际应用问题[6]。在未来，该套装置还可以在以下四个方面开展研究：

1）由于需要检修人员将绝缘棒竖起，对检修人员的工作强度有较高要求，未来可以研究一种多节垂直升降机械的方式，自动可以将绝缘杆及装置送至目标位置；

2）采用机械手臂的方式，除了用于螺栓紧固，还可拓展其他功能，如带电清扫绝缘子片等，将多种检修装置可在一套装置上实现，并可快速更换及投入到相应的检修任务中，实现一机多用；

3）在装置上配备带智能识别功能的摄像头，实现将画面远程传输至检修人员，实现在操作的同时实时观察设备状态；

4）带电紧固螺栓装置可以针对不同规格螺栓进行力矩设定，避免紧固不到位和太紧导致螺栓及设备受损的情况，可将力矩数显装置集成到电动扳手中，缩小装置尺寸。