变电站10kV开关机械转运小车结构优化设计

李雄，张强，李志刚，朱容

（1.国网杭州市临安区供电公司，浙江 杭州 311300；
2.河北工业大学人工智能与数据科学学院，天津 300130；
3.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130）

10kV开关停电转检修是运维人员日常停电操作最频繁的操作项目之一，而10kV开关转运小车是开关在试验状态与检修状态之间转换时的必备辅助工具[1]。常规机械转运小车由于结构简单，加工方便，成本低廉，得到了生产厂家的青睐，但是其在现场应用中还存在着一些缺陷比如机械转运小车在操作过程中视线阻挡、难于固定找平、耗费体力等[2]。因此，对转运小车在机械设计上的不足进行改进，不仅能提高运维人员在操作机械转运小车时的工作效率，还能保障运维人员的人身及设备安全，提高电网的安全可靠性。目前，国内外在机械方面的研究有许多，在轮椅上加装机械臂来提高行动自由度[3]，设计袋装水泥自动装车机械手来确定合理码放顺序[4]。而对于10kV开关机械转运小车的研究也不少，文献[5]使用滚球式的滚轮、锥形导轨，加装开关小车固定装置以及液压机构辅助转运平台调节，使得转运小车操作起来更加轻松和安全。文献[6]通过液压升降装置对剪刀式升降台进行升降操作，轻松省力，同时液压升降装置稳定易控，有利于剪刀式升降台升降过程的平稳。但是这些改进主要集中在难于固定找平、耗费体力方面。对于机械转运小车在操作过程中存在的视野阻挡问题始终没有得到解决。由于承载了开关的转运小车高度超过了一般人体的正常视线范围，运维人员在将开关从检修状态转入试验状态的过程中需要两人相互配合，才能实现转运小车与开关柜的接触定位。这样既浪费了人力，又给操作人员带来了极大的不便。

因此，对机械转运小车进行改进，在转运小车的后端和前端的定位圆柱处设计一个潜望镜，操作人员通过转运小车后端的潜望镜来观察转运小车在移动过程中前端定位圆柱体的定位情况，从而实现转运小车的单人快速定位。

2.1 10kV开关转运小车结构

目前，变电站内普遍使用的10kV开关转运小车主要有10kV出线开关柜转运小车和大电流开关柜转运小车。大电流开关柜转运小车的柜体宽度比一般10kV出线开关柜转运小车要宽，但是两者高度一致，操作起来并无区别。一般情况下，变电站10kV出线较多，所以10kV出线开关柜转运小车使用频次较高，因此将10kV 出线开关小车作为示例进行结构优化设计。10kV 出线开关转运小车的正视图和侧视图，如图1所示。

图1 10kV开关转运小车正视图和侧视图Fig.1 Front View and Side View of 10kV Switch Transfer Car

从图1可以看出，10kV开关转运小车分别由4个滚轮、中空金属铠装柜、升降平台以及2个对位圆柱体组成。4个滚轮分别焊接在中空金属铠装柜下端部的四个边角处，便于转运小车的移动，升降平台通过旋转四根安装在中空金属铠装柜上面四个边角的螺柱来进行高度的调节，以便于转运小车来实现不同高度开关柜中的开关转运工作。升降平台前端左右两边分别安装了两块槽型铁片，其上分别固定了一根铁质圆柱体，以便于转运小车与开关柜上相对应位置上圆孔的贴合，实现两者之间的准确对位。

2.2 10kV开关转运小车工作过程

10kV开关转运小车工作过程，如图2所示。

图2 转运小车工作过程Fig.2 Working Process of Transfer Trolley

当变电站10kV 线路上的开关需要进行停电检修或者试验时，首先将10kV转运小车升降平台前端的两个圆柱体分别对准开关柜上对应位置的圆孔，如图2（a）所示。

对准位置之后将10kV 转运小车与开关柜进行紧密贴合，如图2（b）所示。再将10kV开关从开关柜中拉至10kV转运小车平台上，然后将承载10kV 开关的转运小车与开关柜分离，如图2（c）所示。

操作好之后再进行开关的停电检修或者试验。在开关停电检修或者试验结束之后，再将承载开关的转运小车与开关柜进行对位贴合，最后再将开关重新推入开关柜中，如图2（d）所示。

由于承载10kV开关的转运小车的高度一般为150cm，超过了普通人正常视线范围，所以在开关停电检修或者试验完成之后，将开关重新推入开关柜时由于视野阻挡单人无法操作，需要两名运维人员同时进行配合，这样既浪费人力，工作效率又不高。基于此，在转运小车升降平台前端固定铁片处安装一个只具有潜望功能的简易潜望镜，让操作人员通过潜望镜观察转运小车前端圆柱体与开关柜的对位情况，从而实现单人快速对位。

3.1 转运小车的结构优化

潜望镜的基本功能是供观察者在水下观察海面或空中目标，因此其基本光学系统是能实现对目标的望远和潜望功能的望远系统[7]。系统的基本关系式为：

式中：λ—望远系统的放大率；
β转—转像系统的横向放大率；
、—物镜、目镜的焦距；
σ’、σ—物方、像方的视场角；
C、C’—系统入瞳和出瞳直径；
m—转像系统的组数。

由于转运小车前后端的距离不足1m，所以安装在转运小车上的潜望镜只需要考虑潜望功能。其光学原理，如图3所示。其中，L1、L2—潜望镜的两块反射镜。

图3 潜望镜光学原理Fig.3 Optical Principle of Periscope

潜望镜正前方目标射来的平行光束经过反射镜L1反射后垂直向右行进，然后再经过反射镜L2反射垂直向上进入到观察者的眼睛。为了便于潜望镜的安装，首先需要对转运小车进行改进。在转运小车升降平台前端其中的一个安装对位圆柱的铁片上开一个长方形孔，然后在转运小车升降平台后端对应的位置也开一个长方形孔，将潜望镜通过两个孔固定在升降平台上，并且带有反射镜1的那一头固定在升降平台的前端孔，反射镜2的那一头固定在后端孔结构，如图4所示。

图4 改装后开关转运小车结构Fig.4 Structure of Switch Transfer Car After Refitting

操作人员通过从后端潜望镜观察前端的对位情况，快速实现对位。由于开关柜上的两个对位圆孔处于同一水平位置，当其中一个圆柱体的位置对好之后，另一个圆柱体可以直接与开关柜上的圆孔贴合，所以在转运小车的升降平台上只需要安装一个潜望镜。

3.2 潜望镜的改进设计

如果在开关转运小车上安装普通潜望镜，其只能观察到开关转运小车前端正下方的目标[8−10]，而10kV开关转运小车升降平台前端的对位圆柱体有一定的长度，其视野范围不在开关转运小车前端正下方，普通潜望镜是无法观察到圆柱体的对位情况，因此需要对安装在开关转运小车上的潜望镜进行改进。首先将安装圆柱体的槽型铁片分为1区和2区，1区放置潜望镜放射镜片L1那一端，该端所在的平面要与铁片所在平面重合，保证圆柱体与开关柜紧密贴合，其次将2区切割掉，保证对位圆柱体处的光线通过切割掉的2区反射至操作者的观察窗口，如图5所示。

图5 槽型铁片设计Fig.5 Design of Grooved Iron Sheet

最后将反射镜1绕BB’轴向下旋转将一定的角度，从而改变光路在水平面和垂直面上的方向，其光学传播路径，如图6所示。

图6 改进后潜望镜光学传播路径Fig.6 Improved Optical Propagation Path of Periscope

图中0≤θ≤45°，θ为反射镜L1的旋转角度，α+θ=45°，a为潜望镜视野宽度，BCA2E为旋转反射镜1之后的视野范围，BA2A3E为未旋转反射镜1之前的视野范围，b为旋转反射镜1之前与之后视野交错临界处所能观察到的目标的长度，c为旋转反射镜1之前与之后视野交错临界处距离反射镜1的距离。经过试验可知，随着θ的增大，c在逐渐减小。而且根据几何计算得出：

以某变电站10kV 大电流开关转运小车为例，如图7 所示。其转运小车的前端与后端的长度d2=64cm，对位圆柱体的长度d3=3cm，安装对位圆柱体的铁片的长度d4=9.5cm，宽度d5=6cm。根据设计要求：d3≤b，d+c≤d4，a=d。根据实际情况，取视野宽度a=4cm，当偏转角度θ为不同数值时，利用式（1）和式（2）计算c和b的数值。计算结果，如表1所示。

表1 计算结果Tab.1 Calculation Results

图7 10kV大电流开关转运小车Fig.7 10kV High Current Switch Transfer Car

潜望镜的视野观察效果取决于AA4的长度，AA4的长度随偏转角度的变化而变化，其长度越长，视野观察效果越好，为找到最佳视野观察的偏转角度θ，根据图5建立目标函数，如式（4）所示：

式中Γ(θ)—视野长度AA4的长度目标函数。

考虑实例开关小车的相关尺寸，根据设计要求建立约束条件，如式（5）、式（6）所示。

根据计算可知，表1中红色方框中的偏转角度均符合条件要求，利用目标函数（4）和约束条件（5）、（6）进行计算可知，当偏转角度为16°时，AA4的长度最长，视野观察效果最好。

为了验证开关转运小车改进之后的优势，对其进行试验测试，测试数据，如表2所示。

表2 试验结果Tab.2 Test Results

通过表2中的测试数据可知，使用未改进的10kV开关转运小车将开关由检修状态推至试验状态时需要两个人平均耗时约118.75s，改进之后的转运小车只需要1个人，平均约30s就可以完成操作，工作效率提高了将近8倍。

（1）阐述了10kV开关机械转运小车结构优化的改进方法，在转运小车的升降平台上安装一个改进后的潜望镜，完全消除了小车在转运过程中的视野盲区，很好的解决了视野阻挡问题。

（2）使用未改进的10kV开关转运小车将开关由检修状态推至试验状态时需要两个人平均耗时约118.75s，改进之后的转运小车只需要1个人，平均约30s就可以完成操作，工作效率提高了将近8倍。节约了人力，提高了工作效率，不仅保障了运维人员的人身及设备安全，还提高了电网的安全可靠性。

（3）该改进方案的实施直接能使运行专业受益，可推广到公司所有运行班组，提高公司经营效益，对今后提高运行人员的工作效率也有重要意义。