★国网湖南省电力有限公司常德供电分公司钟玄，吴少波，王蕾，肖瑛，李勇

关键词：脱扣装置；磁吸；推杆；自检

近年来报道了多起变电站10千伏、35千伏间隔中置柜断路器由于分闸线圈烧损或测保装置通信故障导致断路器拒动的事件^[1,2]。根据开关柜反措要求，中置式开关柜必须配备紧急分闸按钮，近几年新出厂的开关柜均按要求执行，但紧急分闸按钮均在断路器本体，在断路器拒动后需由运维人员现场旋转或按压紧急分闸按钮，才能达到手动分闸的目的。根据变电运维专业管理及安全操作规程规定，严禁人员现场就地手动机械操作断路器，导致配备的紧急分闸按钮成了摆设，只能将该间隔所在母线停电，进行分闸线圈更换，才得以消除缺陷并恢复正常方式，但扩大了停电范围，造成该段母线上10千伏、35千伏负荷损失，影响了供电服务质量。

针对上述问题，国内外学者对中置柜断路器内部结构及辅助脱扣工具两方面进行了深入研究。其中，魏波等提出在传统中置柜断路器上安装电动操作机构来驱动断路器分闸、合闸^[3]，以实现小型断路器的智能化，但装置的可靠性仍待提高。为此，李海等提出了一套紧急分闸按钮装置和一套紧急分闸绝缘推杆装置^[4]，并将二者长期固定安装在高压断路器分闸按钮的同一水平线上，成功提高了装置的可靠性。朱瑞超等研发了液压弹簧机构电动储能装置，提高了储能速度和成功率^[5]，但该方法改造技术难度大，性价比不高。洪国鹏等则提出了一种基于无线控制的断路器紧急分闸装置^[6]，通过远距离的无线操作，实现装置的自动操作。尽管这些辅助脱扣工具能够降低因断路器无法隔离故障从而产生的经济损失，但其安装繁琐和操作失败率高的问题尚未得到有效解决。

基于此，本文设计了一种可远方遥控操作断路器分闸按钮的机械手臂，其通过合理控制，实现了故障中置柜断路器有效的分闸控制，防止了出现故障时需要隔离上一级断路器造成的停电范围扩大，从而减少了负荷损失，同时其具备操作简便、灵活可靠等特点。

1　系统设计

1.1　装置总体设计

目前，国网常德供电公司采购的10千伏高压成套开关设备主要为KYN28型高压开关柜，在开关柜手车室门板上均装有紧急脱扣按钮，供操作人员在紧急情况下不打开手车室门进行紧急分闸操作^[7]。紧急脱扣按钮结构主要分为按压型和旋转按压型两种，如图1所示。

（a）按压型

（b）旋转按压型

图1 紧急脱扣按钮结构

紧急脱扣按钮在操作过程中存在以下难题^[8-10]：（1）操作方式严格限制。紧急脱扣按钮必须通过远程遥控操作，以防止操作不当导致严重的大规模人身伤亡事故。（2）面板材质不统一。高压开关柜小车面板多数采用金属材质，但也有少部分使用塑料材质，这增加了装置固定和操作的难度。（3）紧急脱扣方式不一。按压型紧急脱扣按钮需要打开前柜门，然后按下紧急分闸按钮即可完成分闸操作；而旋转按压型紧急脱扣按钮每次操作都需要先将旋转按钮转换到允许紧急分闸操作的位置，然后再按下紧急分闸按钮才能实现分闸。

本文设计的便携式通用快装断路器紧急脱扣装置主要由无线遥控模块、数据接收模块、主控模块、电机驱动模块、电源管理模块和电机通电控制模块组成，如图2所示。

图2 装置总体设计框图

其中，无线遥控通过蓝牙无线通信技术发送信号，数据接收模块接收信号后输入到主控模块，主控模块将信号进行解码，根据解码内容向电机通电控制模块和电机驱动模块发出操作指令，电机根据指令进行操作，从而实现推杆分闸。

1.2　装置结构设计

图3 装置外观设计图

装置外观如图3所示，装置包括绝缘外壳、三色指示灯、电源开关、电池、磁吸底座。（1）三色指示灯用于显示装置的当前状态；（2）电源开关用于控制电源的开启和关闭；（3）内置电池供电将电池提供的电能转换为适合系统各个部件和电子设备使用的电压和电流；（4）装置底部设计磁铁底座，可以通过磁吸效应将装置吸附于环网配电柜上，便于远程遥控操作按钮，确保了操作人员的人身安全。

通过对该装置的外观设计和磁吸底座的应用，使得操作人员能够在远程遥控操作按钮时更加方便和安全，避免了因操作不当造成的潜在危险。

2　模块分析

2.1　主控模块

控制模块实现断路器远距离分闸操作，根据紧急脱扣按钮结构来改变分闸方式，使操作人员可以在高配室外远程控制分闸，从而确保断路器安全可靠分闸。紧急脱扣装置控制原理图如图4所示，其中PLC是控制模块的核心，通过PLC控制器实现伺服电机和分闸电磁铁的控制功能，控制器接收人机交互界面用户输入的参数，并通过处理器将这些参数传递给PLC控制器。经过数据处理后，PLC控制器输出控制信号，以实现自动分闸操作。

图4 紧急脱扣装置控制原理图

操作人员首先按照系统参数将手机APP无线通信模块初始化，将其与紧急脱扣装置建立连接，读取分闸方式输入以及分闸延时输入设定值，持续读取紧急脱扣装置采集的分闸完成信号，当完成装置需要实时控制或修改设定时，控制程序将跳转到相应控制流程，待控制流程结束，装置持续采集上位机传来的遥控分闸信号，保证控制程序可循环运行。

在实现对紧急脱扣装置正常运行及修改等操作的控制过程中，当不同操作指令下发时，PLC自动将控制指令寄存器赋值相应的操作数值，控制模块识别下发的控制指令后，执行对应的操作。

2.2　电机驱动模块

电机驱动为脱扣紧急脱扣按钮提供分闸力，以厦门ABB公司的核心产品VD4弹簧操作机构为例，其技术参数如表1所示。其中，分闸电磁铁的参数功率均为250VA。

表1 VD4型真空断路器操动机构的主要技术参数

从表中可以看出，紧急脱扣按钮的撞击力不低于250W，且由于在推进过程中顶杆会受到轴向力、径向分力和旋转力的作用，因此顶杆必须具备足够的强度。此外，根据《GB/T11022-2011高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》的规定，断路器的操作电压至少应达到分闸最低动作电压阈值。因此，电磁铁可选用DC24V操作电压，并且在30%~65%操作电压范围内能够正确地操作分闸断路器。

2.3　操作界面

为了提升用户的操作体验及装置的便携性，本装置采用Qt工具开发的手机APP操作面板，操作界面的菜单被分为多个级别。

紧急脱扣装置主程序框图如图5所示。操作软件自检后，首先进行初始化，系统会设置紧急脱扣装置的分闸方式以及相关配置。然后，手机APP与装置建立无线通信连接。在确定装置对准分闸按钮的中心后，用户可以输入分闸信号指令进行遥控分闸。在遥控分闸过程中，操作界面会实时显示装置运行状态，在正常工作状态时，用户可操作分闸模块进行推进。如果发生故障，用户需要首先检查故障状态，然后调用故障中断子程序来进行处理。在执行急停程序以紧急中止操作的同时，系统还会将故障时的照片和其他数据存入发送缓冲单元，以供操作人员后续查看和调用。

图5 紧急脱扣装置主程序框图

（1）监控界面用于显示系统的参数设定以及紧急脱扣装置在遥控分闸过程中的运行情况，用户可以在此界面实时监视装置的状态和操作进展。

（2）参数设定界面允许用户设定分闸方式等各种参数，以根据具体需求进行个性化配置。

（3）报警界面用于显示报警情况及详细记录查询。用户可以在此界面查看装置的报警信息，以及查询历史记录以便后续分析和处理。

（4）通信设定界面用于设置系统参数和通讯相关参数，以确保装置能够与手机APP等设备进行有效的无线通信。用户可以在此界面进行必要的配置和调整。

3　工作原理分析

3.1　工作原理

（1）固定装置并调节。在操作过程中，操作人员首先进行装置固定，将分闸模块装配在带磁性杆座固定或真空吸盘的支撑模块上，通过磁性杆座或真空吸盘固定在断路器或者断路器旁边带铁磁材料的支架上，分闸模块根据现场断路器分闸脱扣按钮位置进行合理调节，安装示意图如图6所示。

图6 工作原理图

（2）装置连接。通过无线信号使该装置与手机APP相连，操作人员在高配室外通过摄像头远程控制伺服电机上下、左右调节，直至分闸模块完全对准分闸脱扣手动按钮。

（3）遥控操作。直流电源为分闸模块提供持续的撞击力，装置持续推动或旋转分闸模块动作于断路器分闸按钮上。操作人员通过摄像头实时监测电磁铁推进的位置，以确保顶杆对分闸按钮施加足够的力，直到装置返回分闸完成信号，从而实现中置柜断路器的远程分闸。

3.2　推杆自适应技术

当推杆按下分闸按钮时，装置需要判断是否成功按下分闸按钮。本装置采用自复位位移传感器。该传感器内部包含一个弹簧和一个可移动的测量杆，如图7所示。当被测物体发生位移时，测量杆会随之移动。传感器可以通过输出模拟信号来表示位移的大小。当分闸按钮被按压成功后，推杆位移不会继续改变，主控模块检测输出的位移数据在3秒内没有发生改变，则视为按压成功，推杆已经达到了所需的状态，则装置进行下一步收杆操作。这种传感器具有高精度和可靠性，可以准确地判断推杆的按压状态。

图7 自复位位移传感器图

3.3　自检技术

装置每次开启运行时，均需要对装置进行一次自检从而确保装置在运行时处于正常的工作状态，避免因故障等原因而导致损坏或工作中断。装置自检包括：电量自检、模组初始化等。

在初步测试过程中我们发现，推杆在分闸时会出现由于突然断电而导致推杆或收杆操作中断的情况。这种中断可能导致推杆未能完全推出后收回，或者完全推出但未能完全收回。这样的情况可能会对下次操作产生影响，因此为了确保推杆电机和其他相关组件处于正确的状态，每次启动前都需要对各个模块进行初始化。

在初始化过程中，首先需要检查推杆电机的位置，并确保其处于正确的起始位置。接下来，需要设置推杆电机的初始参数，包括速度、加速度和位置限制等。同时，还需要对电机控制器进行初始化，包括配置工作模式、通信协议和电流限制等参数。如果推杆电机需要使用驱动器进行控制，还需要对驱动器进行初始化和配置，确保电机控制器和驱动器能够正常工作，并与推杆电机进行有效的通信和控制。

4　小结

本文提出了一款便携式通用快装断路器紧急脱扣装置，其通过远距离的无线操作，解决了中置柜断路器的拒动问题。这一装置的应用可以代替现场操作人员就地操作，从而避免了故障时断路器拒动引起的停电范围扩大、负荷损失增加、供电服务质量下降等问题。同时，这项技术的应用也有助于防止由于供电可靠性降低而引发的社会不满情绪，确保了居民用电的可靠性。

该装置成功将故障中置柜断路器的脱扣时间控制在1秒以内，为抢修故障提供了技术支持，有效缩短了抢修时长，提高了工作效率。此外，这一装置在电源设置、定位方式、控制模式等方面都取得了显著的进展，不仅提高了工作人员的操作效率，还增强了操作的安全性，具有广泛的推广应用价值。

★基金项目：国网常德供电公司2023群众性科技创新项目（B316J023000R）。

作者简介：

钟　玄（1996-），男，湖南常德人，助理工程师，硕士，现就职于国网湖南省电力有限公司常德供电分公司，研究方向为变电站运行维护。

吴少波（1973-），男，湖南常德人，工程师，专科，现就职于国网湖南省电力有限公司常德供电分公司，研究方向为变电站运行维护。

王　蕾（1977-），女，湖南常德人，高级工程师，学士，现就职于国网湖南省电力有限公司常德供电分公司，研究方向为计算机技术。

肖　瑛（1988-），女，湖南常德人，工程师，学士，现就职于国网湖南省电力有限公司常德供电分公司，研究方向为变电运维。

李　勇（1977-），男，湖南常德人，助理工程师，专科，现就职于国网湖南省电力有限公司常德供电分公司，研究方向为变电站运行维护。

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摘自《自动化博览》2024年6月刊