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【摘要】：为了提高10kV高压开关柜快速接地刀闸弹簧更换的效率，本文对10kV高压开关柜快速接地刀闸弹簧工具进行结构和力学分析，并实现对弹簧专用拆装工具的针对性设计，优化传统作业工艺，解决现场安全生产问题。
【关键词】：10kV高压开关柜;快速接地刀閘;弹簧更换;检修
电力行业中，快速接地刀闸也称之为快速接地开关，被广泛应用于10kV高压开关柜中。快速接地刀闸常结合隔离开关配合使用，生产运行中10kV线路经操作断路器停电之后，拉开隔离开关，合上快速接地刀闸，能够使高压开关柜由运行状态转换至接地检修状态。接地刀闸保证检修设备停电部分的可靠接地，保护检修人员人身安全。另外，随着高压开关柜投运年份与操作次数的递增，快速接地刀闸逐渐出现弹簧顶胶损坏开裂、疲劳断裂等缺陷[1]，弹簧一旦掉落随即发生接地故障，威胁10kV电力系统的安全运行和用户的供电质量。
同时，10kV高压开关柜有着总量大、覆盖面广、故障率高、柜内空间狭小等特点，按照现行电网公司一次设备检修维护要求，实行对高压开关柜周期性检修维护，运维压力与日俱增。面对快速接地刀闸运维压力，迫切需要研发一种便携式的10kV快速地刀弹簧更换专用工具。
1开关柜快速接地刀闸的原理
接地刀闸主要功能就是对检修设备停电部分进行可靠接地，保护检修人员人身安全。结构上，快速接地刀闸由静触头、动触头、支柱子、操作杆、弹簧、底座、轴销等主要部件构成。3个静触头与电流通路连接同时被固定在绝缘支柱子上，接地刀闸的分合闸操作是通过开关柜的操作机构驱动，操作机构基于机械力的作用带动操作杆的旋转运动，输出至拐臂直接作用接地开关上，此运动作用利用拐臂和操作杆共同作用，然后动触头利用机械力作用接触或分开静触头。
本文以敞开式的快速接地刀闸为研究对象，如图1所示快速接地刀闸结构，在接地开关合闸处于接地状态的时候，电流通路通过动触头、静触头与接地端子到接地排[2]。图1为接地刀闸合闸状态，弹簧处理压缩状态，合闸操作时提供合闸时的作用力，合闸操作后提供合闸后的自保持作用力，保证接地刀闸的快速、可靠合闸。由于机械结构的限制，弹簧更换作业仅能处在合闸状态下进行。
快速接地刀闸弹簧更换的难点主要包括：
其一，传统的作业方法拆装弹簧时工序繁琐，在不借助专用工具的情况下难以应付拆装弹簧时的反作用力，传统作业方法可靠性低、作业时间较长，间接影响用户的停电时间。
其二，由于拆装弹簧时弹簧受力不均匀，压缩的弹簧会偏移，继续压缩摩擦力会成倍增加，本文提出结合轴承合理地设计弹簧卡口，能有效降低其运动过程中的摩擦系数。
其三，按安全生产规程等工作要求，需要对电缆接线端验明确无电压后装设接地线，高压柜内空间狭小，只能容纳单人作业，另外增加接地线的情况下，作业难度陡增，容易造成人员夹伤，工作效率低下;另外，作业人员抱侥幸心理，存在擅自拆开接地线保护的风险，作业的安全性不足。
2高压开关柜快速接地刀闸弹簧设计
2.1接地刀闸弹簧安装的力学分析
基于上文对快速接地刀闸的结构分析，快速接地刀闸处于合闸状态[3]时弹簧的压缩量最小，此时的弹簧弹力最小且弹簧处于爆露状态。因此，在拆装弹簧时只需在弹簧的两端施加一个足够大压力，即可将弹簧压缩进行拆装作业。
针对弹簧的拆装工艺，本文提出应用杠杆原理，对快速接地刀闸弹簧拆装工具进行创新研发。杠杆的平衡条件是作用在杠杆上的两个力（动力点、支点和阻力点）的大小跟它们的力臂成反比，如式（1）所示。
结合螺栓组的受力分析[4-5]，在拧紧力矩T的作用能够对弹簧进行压缩，拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩Tf，并且螺栓组的预紧力Qp与弹簧弹力FT相等。因此，理论上预紧力和拧紧力矩之间的关系如式（2）所示。
通常情况下，可使L数倍于d，结合上述分析推导出公式（3）。因此，能够使用几分之一的弹簧弹力FT就能够对弹簧进行压缩，受力分析如示意图2。
（1小车导向槽 2上压板 3下压板 4操作螺杆轴承压板 5操作杆 6内六角螺丝 7操作螺杆六角头 8螺杆 9小车 10螺杆轴承 11小车轴承 12小车螺杆丝套 13销套）
2.2专用工具结构设计
笔者研发设计的专用安装工具主要由小车导向槽、上压板、下压板、操作螺杆轴承压板、操作杆、内六角螺丝、操作螺杆六角头、螺杆、小车、螺杆轴承、小车轴承、小车螺杆丝套等零部件组成。利用螺栓组的紧固原理使上下压板能够相互的靠拢，对弹簧进行压缩。另外，为小车加装轴承能有效地减少弹簧压缩过程中产生的摩擦力，并且将小车导向槽设计成品字形结构能够固定弹簧的压缩方向（如图3），作业人员通过单手转动操作杆即可实现弹簧压缩。如图2为专用工具的结构侧视图。
2.3快速接地刀闸弹簧更换工具的组装
其一，使小车与下压板通过小车导向槽的下端套入，小车轴承主要目的就是使摩擦力降低;
其二，使螺杆套入轴承压板、上压板、轴承，使小车螺杆丝套旋入;
其三，使螺杆、轴承、轴承压板和小车向下移动到上压板中，使螺丝加紧，完成组装。
2.4快速接地刀闸弹簧更换的操作
通过专用工具对10kV快速接地刀闸弹簧更换的操作：
首先，使10kV快速接地刀闸弹簧实现上下弹簧座的套入，销套放入到压板和上下弹簧座的半弧槽中，在上弹簧座槽中插入上压板。
其次，根据顺时针对专用工具操作杆旋转，使小车根据导向槽向上直线移动，在导向槽中，小车轴承左右限位，并且降低摩擦力，压缩弹簧并且安装。
然后，通过专用工具压缩弹簧，将其放入到10kV快速接地刀闸弹簧的安装位置，插入上下插销，并且将介指套入，利用卡簧将插销锁好，对专用工具操作杆逆时针的旋转，将专用工具松出。
3结束语
本文对10kV快速接地刀闸弹簧工具的更换实现了改进优化，和传统人工操作对比，利用专用工具操作能够简化安装工作，并且解放检修人员的双手，使作业风险点降低。另外，在研发专用工具之后，能够提高作业的安全水平，降低作业的难度和设备检修维护压力，提高设备检修维护的效率，减少用户的停电时间。同时，供电企业广泛应用10kV快速地刀闸，应用前景和需求十分广泛。
参考文献
[1]李至清， 李彦超， 雍玉萍，等. KYN28A-12型高压开关柜接地刀闸紧急解锁闭锁装置改造[J]. 通信电源技术， 2016， 33（2）：174-175.
[2]尚建东. 分析KYN28A型10kV开关柜接地刀闸常见故障[J]. 通讯世界， 2016，11（21）：149-150.
[3]朱德亮， 李传江， 倪汇川. 开关柜接地刀闸电气联锁缺陷分析及改进方案[J]. 电工技术， 2016，21（5）：49-50.
[4]赵祥. 机械原理及机械零件[M]. 中国铁道出版社， 1998.
[5]肖福佳， 顾裕林. 螺栓组联接受力情况分析[J]. 日用电器， 2014（11）：67-69.
【关键词】：10kV高压开关柜;快速接地刀閘;弹簧更换;检修
电力行业中，快速接地刀闸也称之为快速接地开关，被广泛应用于10kV高压开关柜中。快速接地刀闸常结合隔离开关配合使用，生产运行中10kV线路经操作断路器停电之后，拉开隔离开关，合上快速接地刀闸，能够使高压开关柜由运行状态转换至接地检修状态。接地刀闸保证检修设备停电部分的可靠接地，保护检修人员人身安全。另外，随着高压开关柜投运年份与操作次数的递增，快速接地刀闸逐渐出现弹簧顶胶损坏开裂、疲劳断裂等缺陷[1]，弹簧一旦掉落随即发生接地故障，威胁10kV电力系统的安全运行和用户的供电质量。
同时，10kV高压开关柜有着总量大、覆盖面广、故障率高、柜内空间狭小等特点，按照现行电网公司一次设备检修维护要求，实行对高压开关柜周期性检修维护，运维压力与日俱增。面对快速接地刀闸运维压力，迫切需要研发一种便携式的10kV快速地刀弹簧更换专用工具。
1开关柜快速接地刀闸的原理
接地刀闸主要功能就是对检修设备停电部分进行可靠接地，保护检修人员人身安全。结构上，快速接地刀闸由静触头、动触头、支柱子、操作杆、弹簧、底座、轴销等主要部件构成。3个静触头与电流通路连接同时被固定在绝缘支柱子上，接地刀闸的分合闸操作是通过开关柜的操作机构驱动，操作机构基于机械力的作用带动操作杆的旋转运动，输出至拐臂直接作用接地开关上，此运动作用利用拐臂和操作杆共同作用，然后动触头利用机械力作用接触或分开静触头。
本文以敞开式的快速接地刀闸为研究对象，如图1所示快速接地刀闸结构，在接地开关合闸处于接地状态的时候，电流通路通过动触头、静触头与接地端子到接地排[2]。图1为接地刀闸合闸状态，弹簧处理压缩状态，合闸操作时提供合闸时的作用力，合闸操作后提供合闸后的自保持作用力，保证接地刀闸的快速、可靠合闸。由于机械结构的限制，弹簧更换作业仅能处在合闸状态下进行。
快速接地刀闸弹簧更换的难点主要包括：
其一，传统的作业方法拆装弹簧时工序繁琐，在不借助专用工具的情况下难以应付拆装弹簧时的反作用力，传统作业方法可靠性低、作业时间较长，间接影响用户的停电时间。
其二，由于拆装弹簧时弹簧受力不均匀，压缩的弹簧会偏移，继续压缩摩擦力会成倍增加，本文提出结合轴承合理地设计弹簧卡口，能有效降低其运动过程中的摩擦系数。
其三，按安全生产规程等工作要求，需要对电缆接线端验明确无电压后装设接地线，高压柜内空间狭小，只能容纳单人作业，另外增加接地线的情况下，作业难度陡增，容易造成人员夹伤，工作效率低下;另外，作业人员抱侥幸心理，存在擅自拆开接地线保护的风险，作业的安全性不足。
2高压开关柜快速接地刀闸弹簧设计
2.1接地刀闸弹簧安装的力学分析
基于上文对快速接地刀闸的结构分析，快速接地刀闸处于合闸状态[3]时弹簧的压缩量最小，此时的弹簧弹力最小且弹簧处于爆露状态。因此，在拆装弹簧时只需在弹簧的两端施加一个足够大压力，即可将弹簧压缩进行拆装作业。
针对弹簧的拆装工艺，本文提出应用杠杆原理，对快速接地刀闸弹簧拆装工具进行创新研发。杠杆的平衡条件是作用在杠杆上的两个力（动力点、支点和阻力点）的大小跟它们的力臂成反比，如式（1）所示。
结合螺栓组的受力分析[4-5]，在拧紧力矩T的作用能够对弹簧进行压缩，拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩Tf，并且螺栓组的预紧力Qp与弹簧弹力FT相等。因此，理论上预紧力和拧紧力矩之间的关系如式（2）所示。
通常情况下，可使L数倍于d，结合上述分析推导出公式（3）。因此，能够使用几分之一的弹簧弹力FT就能够对弹簧进行压缩，受力分析如示意图2。
（1小车导向槽 2上压板 3下压板 4操作螺杆轴承压板 5操作杆 6内六角螺丝 7操作螺杆六角头 8螺杆 9小车 10螺杆轴承 11小车轴承 12小车螺杆丝套 13销套）
2.2专用工具结构设计
笔者研发设计的专用安装工具主要由小车导向槽、上压板、下压板、操作螺杆轴承压板、操作杆、内六角螺丝、操作螺杆六角头、螺杆、小车、螺杆轴承、小车轴承、小车螺杆丝套等零部件组成。利用螺栓组的紧固原理使上下压板能够相互的靠拢，对弹簧进行压缩。另外，为小车加装轴承能有效地减少弹簧压缩过程中产生的摩擦力，并且将小车导向槽设计成品字形结构能够固定弹簧的压缩方向（如图3），作业人员通过单手转动操作杆即可实现弹簧压缩。如图2为专用工具的结构侧视图。
2.3快速接地刀闸弹簧更换工具的组装
其一，使小车与下压板通过小车导向槽的下端套入，小车轴承主要目的就是使摩擦力降低;
其二，使螺杆套入轴承压板、上压板、轴承，使小车螺杆丝套旋入;
其三，使螺杆、轴承、轴承压板和小车向下移动到上压板中，使螺丝加紧，完成组装。
2.4快速接地刀闸弹簧更换的操作
通过专用工具对10kV快速接地刀闸弹簧更换的操作：
首先，使10kV快速接地刀闸弹簧实现上下弹簧座的套入，销套放入到压板和上下弹簧座的半弧槽中，在上弹簧座槽中插入上压板。
其次，根据顺时针对专用工具操作杆旋转，使小车根据导向槽向上直线移动，在导向槽中，小车轴承左右限位，并且降低摩擦力，压缩弹簧并且安装。
然后，通过专用工具压缩弹簧，将其放入到10kV快速接地刀闸弹簧的安装位置，插入上下插销，并且将介指套入，利用卡簧将插销锁好，对专用工具操作杆逆时针的旋转，将专用工具松出。
3结束语
本文对10kV快速接地刀闸弹簧工具的更换实现了改进优化，和传统人工操作对比，利用专用工具操作能够简化安装工作，并且解放检修人员的双手，使作业风险点降低。另外，在研发专用工具之后，能够提高作业的安全水平，降低作业的难度和设备检修维护压力，提高设备检修维护的效率，减少用户的停电时间。同时，供电企业广泛应用10kV快速地刀闸，应用前景和需求十分广泛。
参考文献
[1]李至清， 李彦超， 雍玉萍，等. KYN28A-12型高压开关柜接地刀闸紧急解锁闭锁装置改造[J]. 通信电源技术， 2016， 33（2）：174-175.
[2]尚建东. 分析KYN28A型10kV开关柜接地刀闸常见故障[J]. 通讯世界， 2016，11（21）：149-150.
[3]朱德亮， 李传江， 倪汇川. 开关柜接地刀闸电气联锁缺陷分析及改进方案[J]. 电工技术， 2016，21（5）：49-50.
[4]赵祥. 机械原理及机械零件[M]. 中国铁道出版社， 1998.
[5]肖福佳， 顾裕林. 螺栓组联接受力情况分析[J]. 日用电器， 2014（11）：67-69.