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摘要：針對采用電氣元件組裝電力智能調(diào)壓器存在體積大、故障點(diǎn)多的問題，提出了研制有載分接機(jī)械開關(guān)的解決方案，從總體思路、具體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行分析等方面對該方案進(jìn)行分析，并通過實(shí)例證明，該方案具有結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，制造成本低，通流能力大等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：變壓器；智能調(diào)壓器；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；有載分接開關(guān)

長期以來，因?yàn)閭鹘y(tǒng)變壓器輸出電壓固定不變，末端合格電壓供電能力弱，再加上我國廣大農(nóng)村特別是高原山區(qū)、牧區(qū)、湖區(qū)等邊遠(yuǎn)地區(qū)廣泛存在點(diǎn)多分散、面廣量大，近變壓器用戶實(shí)際電壓偏高、遠(yuǎn)變壓器用戶實(shí)際電壓嚴(yán)重偏低等問題[1-3]。國家關(guān)于“十三五”期間實(shí)施新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程意見要求，實(shí)施新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程，是加強(qiáng)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快城鄉(xiāng)基本公共服務(wù)均等化進(jìn)程的重要舉措，對促進(jìn)農(nóng)村消費(fèi)升級、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和拉動(dòng)有效投資具有積極意義。各地區(qū)、各有關(guān)部門和相關(guān)企業(yè)要進(jìn)一步提高思想認(rèn)識，加強(qiáng)組織、規(guī)范管理，落實(shí)責(zé)任、密切配合，切實(shí)完成好新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級各項(xiàng)任務(wù)。為配合國家農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程，經(jīng)過了大量分析和多次試驗(yàn)，最終確定了采用新型自耦變壓器、有載分接開關(guān)、線路自動(dòng)監(jiān)測與控制等技術(shù)的電力智能調(diào)壓器方案。

1電力智能調(diào)壓器

電力智能調(diào)壓器主要服務(wù)于農(nóng)村、偏遠(yuǎn)山區(qū)電網(wǎng)，針對其點(diǎn)多分散、面廣量大，近變壓器電壓偏高、遠(yuǎn)變壓器電壓嚴(yán)重偏低等特點(diǎn)，采用12個(gè)調(diào)節(jié)檔位精細(xì)調(diào)節(jié)，并且調(diào)檔時(shí)不能斷電。圖1為電力智能調(diào)壓器電氣原理。由圖可以看出，該裝置主要由1個(gè)自耦變壓器、13個(gè)電氣開關(guān)、2個(gè)分裂電抗器和1個(gè)可控硅無觸點(diǎn)電子開關(guān)組成，A為輸入端，A1為輸出端。當(dāng)輸出端A1電壓符合gB/T12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)可設(shè)置為KMA3（旁路）接通，此時(shí)調(diào)壓器不工作；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到輸出端電壓低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)指示KMA2（升壓）接通，根據(jù)需要升壓的數(shù)值大小，通過8個(gè)選擇開關(guān)某2個(gè)開關(guān)的接通實(shí)現(xiàn)升壓，共有3個(gè)升壓檔次（KA7、KA8為過渡位置不升不降），如果只接通其中1個(gè)開關(guān)，則可以實(shí)現(xiàn)電壓的精細(xì)調(diào)節(jié)，此時(shí)為6檔升壓；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到輸出端電壓高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)指示KMA1（降壓）接通，根據(jù)需要降壓的數(shù)值大小，通過8個(gè)選擇開關(guān)某2個(gè)開關(guān)的接通實(shí)現(xiàn)降壓，共有3個(gè)降壓檔次（KA1、KA2為過渡位置不升不降），如果只接通其中1個(gè)開關(guān)，則可以實(shí)現(xiàn)電壓的精細(xì)調(diào)節(jié)，此時(shí)為6檔降壓。從以上開關(guān)動(dòng)作來看，整個(gè)開關(guān)切換過程中均無燃弧。切換其他檔位或降壓模式時(shí)，與此動(dòng)作類似[4-6]。在電力智能調(diào)壓器研制初期，選擇開關(guān)、切換開關(guān)、升降壓開關(guān)和旁路開關(guān)等13個(gè)開關(guān)均采用交流接觸器、繼電器等電氣元件制作，這樣三相調(diào)壓器就需要39個(gè)開關(guān)，直接影響是導(dǎo)致設(shè)備體積過大，用戶安裝時(shí)造成諸多不便。在試制過程中發(fā)現(xiàn)，由于線路點(diǎn)位太多，造成故障點(diǎn)增多，出現(xiàn)故障時(shí)需一一排查，難度增大，再者在大電流調(diào)壓器時(shí)，交流接觸器、繼電器等電氣元件則故障頻發(fā)，無法承擔(dān)大電流的沖擊，選用額定電流大的電器元件比較困難，成本成倍增加[7-8]。在試驗(yàn)中遇到上述問題后，研制了一種專門用于電力智能調(diào)壓器的有載分接機(jī)械開關(guān)，根據(jù)調(diào)壓器的有載無燃弧有規(guī)律的運(yùn)行特點(diǎn)，采用旋轉(zhuǎn)式機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，很好的解決了采用電氣元件的缺點(diǎn)。該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，制造成本低，通流能力大等特點(diǎn)。

2有載分接機(jī)械開關(guān)

2.1總體思路

根據(jù)圖1分析，選擇開關(guān)與切換開關(guān)等其他開關(guān)動(dòng)作特點(diǎn)是：在電壓不需要調(diào)節(jié)時(shí)，旁路開關(guān)KMA3是接通的，升壓開關(guān)KMA2和降壓開關(guān)KMA1可事先接通其中的一個(gè)，切換開關(guān)KM9、KM10和電子開關(guān)SSRA也可事先接通，而八個(gè)選擇開關(guān)則是全部斷開的；在電壓需要調(diào)節(jié)時(shí)，升壓時(shí)，需先接通升壓開關(guān)KMA2，選擇開關(guān)處于整檔位時(shí)，旁路開關(guān)KMA3必須是斷開的，而切換開關(guān)KM9、KM10和電子開關(guān)SSRA則根據(jù)無弧切換的需求配合動(dòng)作。降壓時(shí)，需先接通降壓開關(guān)KMA1，其余開關(guān)配合動(dòng)作。從以上分析可知：需提供一個(gè)動(dòng)力源，在機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)既相互關(guān)聯(lián)，又互不干擾，運(yùn)動(dòng)時(shí)保證各個(gè)開關(guān)的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，從而實(shí)現(xiàn)電力調(diào)壓器的各項(xiàng)功能，旋轉(zhuǎn)式機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可滿足于該功能。

2.2具體結(jié)構(gòu)

圖2為電力智能調(diào)壓器設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)有載分接機(jī)械開關(guān)主要由底盤部分、筒體部分、主軸部分、傳動(dòng)系統(tǒng)部分四大部分組成。

2.2.1底盤部分如圖3所示，底盤部分主要由下端蓋、軸承、動(dòng)觸塊、彈簧掛銷、拉簧、支架、靜觸塊、連接銅線等零部件組成。以上零部件導(dǎo)電零件為銅件，絕緣零部件為PA66增強(qiáng)尼龍。底盤部分通過下端蓋固定在筒體部分上。底盤部分除了連接件功能以外，主要是升降壓開關(guān)KMA1、KMA12的集成底座。動(dòng)觸塊在拉簧的作用力下可與2個(gè)靜觸塊分別接觸導(dǎo)電，相當(dāng)于KMA1、KMA12升降壓開關(guān)。動(dòng)觸塊上設(shè)置一個(gè)齒槽，與主軸部分上的撥塊相互配合，來實(shí)現(xiàn)升降壓開關(guān)的開合。

2.2.2筒體部分如圖4所示，筒體部分主要由絕緣套筒、導(dǎo)電銅環(huán)、導(dǎo)電塊、連接銅板、絕緣塊、接線柱等零部件組成。以上零部件導(dǎo)電零件為銅件，絕緣零部件為PA66增強(qiáng)尼龍。筒體部分的結(jié)構(gòu)為分層配置，4個(gè)絕緣套筒分別與導(dǎo)電銅環(huán)、導(dǎo)電塊和絕緣塊相配合。導(dǎo)電銅環(huán)、導(dǎo)電塊和絕緣塊設(shè)計(jì)成凹形結(jié)構(gòu)，便于定位安裝；導(dǎo)電銅環(huán)、導(dǎo)電塊上設(shè)置有接線柱，便于引出接線；絕緣塊將中間部分導(dǎo)電塊均分成5個(gè)導(dǎo)電單元，將上下兩部分分隔成2個(gè)導(dǎo)電單元。如圖4所示，筒體部分在中間部位安裝有5個(gè)均分的導(dǎo)電塊，每個(gè)導(dǎo)電塊外部均安裝有接線柱，作為引出通電，內(nèi)部圓弧面與主軸部分上的動(dòng)觸頭光滑接觸。上下2個(gè)導(dǎo)電銅環(huán)和2個(gè)導(dǎo)電塊外部也安裝有接線柱，作為引出通電，內(nèi)部圓弧面與主軸部分上的動(dòng)觸頭光滑接觸。根據(jù)圖1所示的電氣原理圖，所對應(yīng)的具體開關(guān)名稱如圖4所示。由此看來共可代替圖1虛線框內(nèi)的11個(gè)電氣開關(guān)。

2.2.3主軸部分如圖5所示，主軸部分主要由主軸、撥塊、動(dòng)觸頭、壓簧、動(dòng)觸頭架、蓋板等零部件組成。以上零部件導(dǎo)電零件為銅件，絕緣零部件為PA66增強(qiáng)尼龍。 主軸部分2個(gè)動(dòng)觸頭分別安裝在2個(gè)動(dòng)觸頭架上，動(dòng)觸頭與筒體部分的導(dǎo)電銅環(huán)和導(dǎo)電塊滑動(dòng)接觸，其預(yù)緊力由壓簧提供。動(dòng)觸頭架固定在主軸上隨主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸下端還安裝一撥塊，其與底盤部分上的動(dòng)觸塊相互作用，以實(shí)現(xiàn)升降壓開關(guān)的開合。2個(gè)動(dòng)觸頭架是完全相同的零件，安裝時(shí)反向安裝即可。在端部設(shè)置一蓋板，用于定位和安裝動(dòng)觸頭，防止動(dòng)觸頭滑落。為保證動(dòng)觸頭與筒體部分的導(dǎo)電銅環(huán)和導(dǎo)電塊光滑接觸，需對動(dòng)觸頭圓弧部位進(jìn)行研磨加工，以保證接觸導(dǎo)電的通流能力，減小接觸電阻[9-10]。主軸上端通過軸承與傳動(dòng)系統(tǒng)部分的主軸齒輪等相連接，下端與底盤部分下端蓋通過軸承連接。

2.2.4傳動(dòng)系統(tǒng)部分如圖6所示，傳動(dòng)系統(tǒng)部分主要由步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)座、電機(jī)齒輪、上端蓋、軸蓋、主動(dòng)齒輪、小齒輪、編碼器齒輪、編碼器、軸承、軸承蓋等零部件組成。該部分零部件為系統(tǒng)動(dòng)力部分，不參與導(dǎo)電，部分是金屬件，部分為絕緣材料PA66增強(qiáng)尼龍制成。傳動(dòng)系統(tǒng)部分通過上端蓋在筒體部分上，步進(jìn)電機(jī)通過安裝在上端蓋上的電機(jī)座固定，電機(jī)軸上安裝一電機(jī)齒輪，編碼器也一并安裝在電機(jī)座上，編碼器主軸上安裝一編碼器齒輪。主軸齒輪、小齒輪和軸蓋與主軸部分的主軸相連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由電機(jī)齒輪帶動(dòng)主軸齒輪旋轉(zhuǎn)，主軸齒輪同步帶動(dòng)主軸和小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪帶動(dòng)編碼器齒輪旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動(dòng)信號傳遞給編碼器。編碼器精確控制主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

2.3旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)有載分接機(jī)械開關(guān)的運(yùn)行分析

該有載分接機(jī)械開關(guān)是為了解決電氣元器件故障點(diǎn)多而開發(fā)的，將數(shù)十個(gè)電氣開關(guān)整合為一體，具有非常高的緊湊型和集成度。機(jī)械開關(guān)在調(diào)壓時(shí)線路不斷電，充分保證了用電的安全性和可靠性，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。下面介紹一下開關(guān)運(yùn)行相關(guān)程序。有載分接機(jī)械開關(guān)安裝時(shí)預(yù)置升降壓開關(guān)為升壓狀態(tài)，即KAM2升壓開關(guān)處于閉合狀態(tài)，選擇開關(guān)預(yù)置為0位，即KAM3旁路開關(guān)處于閉合狀態(tài)，切換開關(guān)KA9、KA10和電子開關(guān)SSRA屬于外置開關(guān)，事先預(yù)置為常閉狀態(tài)。當(dāng)線路電壓某項(xiàng)下降到某一系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值時(shí)，智能控制系統(tǒng)發(fā)出升壓信號，電力智能調(diào)壓器中的KAM2升壓開關(guān)已經(jīng)處于閉合狀態(tài)，信號直接控制傳動(dòng)系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)（從圖6看主軸為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），從而帶動(dòng)2個(gè)動(dòng)觸頭同步轉(zhuǎn)動(dòng)，具體轉(zhuǎn)動(dòng)角度由編碼器控制，從而實(shí)現(xiàn)既定的動(dòng)作。有載分接機(jī)械開關(guān)在調(diào)壓時(shí)應(yīng)保證線路不斷電，即A端輸入，A1端輸出在調(diào)壓過程中電路暢通。圖5中2個(gè)動(dòng)觸頭所在位置可確定為初始位置，在此情況下，旁路開關(guān)KMA3是接通狀態(tài)，其余開關(guān)為斷開狀態(tài)；當(dāng)線路電壓下降到某一系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值時(shí)，智能控制系統(tǒng)發(fā)出升壓信號，電機(jī)啟動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)組驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)動(dòng)觸頭和主軸底部的撥塊同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在動(dòng)觸頭斷開旁路開關(guān)之前，撥塊已帶動(dòng)動(dòng)觸塊壓緊到升壓開關(guān)靜觸塊上，此時(shí)相當(dāng)于KMA2升壓開關(guān)接通，當(dāng)2個(gè)動(dòng)觸頭全部旋轉(zhuǎn)到中間第一個(gè)導(dǎo)電塊上時(shí)，此時(shí)相當(dāng)于KA8、KA7兩個(gè)開關(guān)接通，從電氣原理圖來看此時(shí)既不升壓也不降壓；繼續(xù)向下一位置旋轉(zhuǎn)，當(dāng)1個(gè)動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)到中間第2個(gè)導(dǎo)電塊上時(shí)，此時(shí)另一個(gè)動(dòng)觸頭尚未離開第1個(gè)導(dǎo)電塊，此時(shí)相當(dāng)于KA7、KA6兩個(gè)開關(guān)接通，此時(shí)升壓半擋，KA5、KA6兩個(gè)開關(guān)接通時(shí)為升壓整擋,以此類推，直至升壓15%。當(dāng)線路需要降壓時(shí)，動(dòng)觸頭回轉(zhuǎn)，直至到初始位置，旁路開關(guān)KAM3接通，繼續(xù)回轉(zhuǎn)，主軸底部的撥塊轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)觸塊轉(zhuǎn)到另一側(cè)，壓緊到升壓開關(guān)靜觸塊上，此時(shí)降壓開關(guān)KMA1接通，再回轉(zhuǎn)與升壓動(dòng)作相同。其旋轉(zhuǎn)位置的準(zhǔn)確度靠主軸頂端的編碼器控制轉(zhuǎn)角來保證的。該機(jī)械開關(guān)的調(diào)壓能力為±15%，在此范圍內(nèi)調(diào)壓幅度根據(jù)電網(wǎng)電壓確定。在以上開關(guān)開合過程中，電子開關(guān)SSRA和切換開關(guān)通過控制系統(tǒng)密切配合，以防拉弧，具體動(dòng)作是在選擇開關(guān)無論是閉合或者斷開之前，電子開關(guān)SSRA和對應(yīng)的一側(cè)切換開關(guān)事先斷開。機(jī)械開關(guān)的整個(gè)動(dòng)作過程中，所有觸頭均為無燃弧動(dòng)作，這就大大增強(qiáng)了使用壽命和運(yùn)行的安全性。

2.4有載分接機(jī)械開關(guān)的應(yīng)用

該有載分接機(jī)械開關(guān)樣機(jī)試驗(yàn)成功后，分別安裝于單相和三相電力智能調(diào)壓器中進(jìn)行應(yīng)用效果驗(yàn)證。經(jīng)過幾個(gè)月的掛網(wǎng)試驗(yàn)，實(shí)時(shí)跟蹤電壓波動(dòng)情況，結(jié)果表明，調(diào)壓器整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，末端電壓符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而表明有載分接機(jī)械開關(guān)應(yīng)用狀況良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3結(jié)束語

有載分接機(jī)械開關(guān)是為配合國家農(nóng)村電網(wǎng)改造升級工程而立項(xiàng)，在經(jīng)過多次失敗的基礎(chǔ)上，經(jīng)過了大量分析和多次試驗(yàn)，最終定型的方案。該開關(guān)用于山東普益電氣有限公司研制的電力智能調(diào)壓器，具有12個(gè)調(diào)節(jié)檔位、精細(xì)調(diào)節(jié)、用戶無瞬間斷電等特點(diǎn)。根據(jù)對方案的分析和實(shí)際試驗(yàn)得知，在該裝置中，通過動(dòng)觸頭和集電環(huán)接觸可實(shí)現(xiàn)大電流通過，通過2個(gè)動(dòng)觸頭模塊和10個(gè)靜觸頭不同位置接觸，可替代8個(gè)電氣開關(guān)，再加升降壓開關(guān)和旁路開關(guān)，共可替代11個(gè)電氣開關(guān)，而且該開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，制造成本低，并且通過加裝SSRA電子開關(guān)可實(shí)現(xiàn)觸頭無燃弧開合。

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作者：李海國 單位：山東普益電氣有限公司