高级工程师论文变电设备专用液压装拆装置研制
户外运行的变电一次设备经过长时间运行会出现缺陷，某些情况下需对其进行更换，更换过程中难免涉及电力设备的起重工作。本文是一篇高级工程师论文范文，主要论述了变电设备专用液压装拆装置研制。
摘要：文章介绍了一种变电设备在不停主变跨线情况下的装拆方案，通过现场组合、液压伺服控制系统实现4个油缸的同步升降，通过伺服马达与齿轮齿条机构实现水平移动，并进行了现场测试，达到了预期设计目标。
关键词：变电设备,专用液压装拆装置,液压伺服系统,多级油缸,导轨滑块
1 概述
电力设备的起重作业不同于常规起重作业，有其自身的特殊性，被吊电力设备周围往往存在带电设备，在起重作业中需保证与带电体之间有《电力安全工作规程》所规定的安全距离。传统的汽车起重设备、扒杆起重设备、塔式起重设备等方法由于所需安全距离比较大，变电站现场难以满足要求。例如：500kV天一变1号主变3号电容器串抗更换工作，因设备上方为1号主变压器220kV跨线，串抗的顶部与1号主变220kV跨线的净空距离7080mm，如图1所示。考虑吊车吊钩1500mm，吊装时吊臂最高点与220kV跨线距离约5580mm，不满足吊机作业安全距离220kV≥6m要求，如果使用传统吊车作业方式，需要1号主变陪停。因此如使用传统起重方式，为了起重工作能够安全实施必须扩大停电范围，而现实中存在停电难的问题，这与保证供电持续性产生矛盾。同时，扩大停电范围增加了电力设备运行人员和检修人员工作量，从而加大了检修工作的安全隐患。研发一种能在不停主变的情况下满足安全作业距离≥6m的专用装拆设备就很有必要。
2 专用液压装拆装置方案
该液压装拆装置对应的主要目标物之一为电抗器，重量为4000～8000kg，直径范围为2.4～2.6m，外形为圆柱形，考虑到通用性，该装拆装置在3m高度的载重量设计为10000kg，在9m高度的设计载重量为1000kg。在实际作业现场，电抗器顶部上端的主变跨线不能停电作业，装拆装置实际操作面最高点不超过电抗器的顶端，将电抗器圆柱形底面作为固定和顶升的作业面。
考虑到装拆的目标物为大吨位重型设备，作业空间比较狭窄，所有机构的重量及体积都不能太大，整体移动到现场必须动用吊机作业，实际工作现场不满足吊机作业条件(除非停电作业)，因此该液压装拆装置的顶升系统采用液压伺服系统来实现，单位面积出力大，结构简单，容易实现直线运动。为了将目标物下降到比较低的位置，便于更换，装置下降后的最低高度不超过0.5m，顶升高度9m，因此采用多级油缸实现大幅度的顶升高度，装置的整体结构组成如图2所示：
2.1 结构设计
变电设备专用液压装拆设备的机械结构由水平移动机构、顶升机构、顶端平台三部分组成。
2.1.1 水平移动机构。水平移动机构采用4滚轮支撑，连接滚轮的结构件中孔成U形，这样方便吊装目标物最大限度降低高度，机构如图3所示。水平移动轨道采用起重机的专用轨道，根据施工现场情况临时搭设，底部采用枕木进行连接，移动机构水平移动距离为2m。水平移动采用液压低速马达带动顶升机构和顶端平台在水平面铺设的轨道上水平移动，动力采用低速大扭矩马达，既能提供大的水平移动力，又能保证水平移动整体的稳定性。水平的滚轮采用高强度耐磨的球墨铸铁实现。
2.1.2 顶升机构。为了实现户外现场组装作业，机构重量要尽量轻，在保证强度的情况下尽量选择高强度的轻质材料，同时考虑成本即户外抗腐蚀的因素，选择7075铝合金作为主要结构的材料。为了达到预定的顶升高度，设计多级液压缸来实现9m的顶升，考虑到每级液压缸的形成不超过2m，9m的高度采用5级液压缸来实现。顶升机构采用4组多级液压缸均布的形式，并将液压缸之间通过固定杆进行连接，同时配合液压多级缸行程同步控制系统来实现4台液压缸的升降同步动作。4个液压缸分别采用统一的液压泵站，统一对4个液压缸进行供油，在安装时只需通过快速接头将液压油管连接即可，结构如图4所示。液压缸之间的同步通过位置信号检测统一传送给主控制器(也可采取4个单独的液压系统及单独油箱，但成本高，集中控制不易实现)。主控制器根据测试的位置信号，进行运算、比较，输出控制信号到各液压缸的伺服阀放大器，实现4个油缸顶升、下降的位置同步动作。为了避免在停电的情况下出现异常，同时并联一套手动阀控系统，在停电情况下将顶升机构下降到最低点，防止出现安全事故。
2.1.3 顶端平台。顶端平台通过安装各种工装来实现对不同吊装物的固定功能，具体结构要根据实际吊装物进行分类设计，平台的基础架构如图5所示。采用U形凹槽结构，将目标物包裹在结构内部，提升目标物在顶升下降过程中的稳定性。考虑到不同目标物的形状大小及重心点不一致，顶端平台的支撑U型机构在水平面内位置可以调节，并通过连杆将两个U型支撑架固定在一起，共同组成顶端的平台，用于固定吊装的目标物。 2.2 控制系统设计
2.2.1 液控单元。装置的顶升、驻留、下降的动力采用液压系统来实现，为了保证对每个液压缸的行程进行可靠控制，对每个液压缸的速度和位置控制采用伺服阀来实现。根据位置检测信号来实时控制输入到指定油缸的流量和压力，保证各液压缸的上升下降同步。考虑到液压缸的高位驻留，采用液控单向阀来实现液压缸负载停留。专用顶升装置属于现场组装，因此每个液压油缸的液压油管都是现场通过快速接头来实现。液压系统原理如图6所示。由于整个顶升机构加上吊装物重量很大，要实现在水平方向移动，采用低速液压马达实现顶升机构和吊装物的水平移动。为了避免水平移动的控制影响顶升系统的稳定性，水平移动的液压动力采用单独液压泵实现。顶升油缸工作时需要高压的液压油，因此采用额定压力为31.5MPa的柱塞泵来实现。为了避免出现压力波动，液压系统压力设置了储能器，有效平衡上升下降过程中的流量和压力波动，保证系统平稳运行。
2.2.2 电控单元。该液压装拆装置的目标物是变电设备，起重重量大，顶升高度高，同时是在高压的环境下进行操作，不易采用遥控或自动方式，因此该装置采用手动控制来实现。主控制器采用可靠性高、抗干扰强的工控机来实现，配以数据采集卡来实现液压油缸的行程和压力数据采集，并通过A/D转换给主控制器，主控制器根据采集到行程和压力信号，经过换算然后通过信号转换板发送控制信号到液压系统，控制伺服阀和相应的电磁阀，以控制液压缸的升降及速度。为了保证控制的精度，数据采集卡采用高精度的数据采集卡，同时加装滤波电路，保证数据采集的可靠及高精度。控制方式采用比较成熟的PID控制算法，可靠实现顶升液压缸的同步上升、驻留、下降动作。
2.3 受力分析
根据设计要求将第一级的液压缸直径设计为125mm，液压系统最高工作压力为21MPa。
2.3.1 顶升高度为3m的情况下，承压油缸主要是第一级油缸，单个油缸顶升能力为：
大于实际需求的10T顶升力，4个油缸在理想工作情况下均分10T压力，单独油缸顶升力在2.5T左右，因此该系统3m顶升力满足要求。
2.3.2 顶升9m高度的情况下，承压油缸主要是第五级油缸，油缸直径为40mm，该油缸顶升力为：
大于实际需求的1T顶升力，4个油缸在理想工作情况下均分1T压力，单独油缸顶升力在0.25T左右，因此该系统9m顶升力满足要求。
2.3.3 目标吊装物重量为10000kg情况下，考虑到机构的重量，设计为12T，水平移动是在钢轨上滚动进行，摩擦系数选为0.07，滚动轮的直径为150mm。
水平移动克服摩擦力=12000×9.8×0.078232N
单个马达输出的扭矩为=
该输出扭矩属于大扭矩马达，因此采用径向柱塞马达来实现，DMQ-500/40型，转速范围为3～150r/min，满足系统的要求。
3 结语
在2015年10月试制一台样机，并到试验基地进行了负重测试。根据现场试验情况，由于目标物重量大，在顶升过程中由于各油缸特性不一致，不可能完全一致地伸出和缩回，控制系统采用PID方式进行控制，在低速情况下运行比较平稳，基本达到设计目标。该装置的研制为变电设备采用底部顶升进行装拆提供了新的作业手段，增加了在不停主变的情况进行作业的可能，为电网平稳运行提供保障，有非常现实的意义。
参考文献
[1] 闻邦椿.机械设计手册(第5版)[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 王祖林，胡毅，樊亚东，等.220kV变电设备带电水冲洗清洗效率试验研究[J].高电压技术，2015，(4).
[3] 王峰，阎春雨，毕建刚，等.变电设备状态监测系统的设计方案[J].电力建设，2011，(11).
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