QC-研制ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置

1、研制ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置一、 选择课题（一）课题分析防误闭锁装置是变电站防止“五大类型”误操作的一个重要设备，可靠的防误操作闭锁装置是人身、电网及设备安全稳定运行的重要保障。国家电网公司十八项电网重大反事故措施中明确指出：高压开关柜应选择“五防”功能完备的产品。国家电网公司电力安全工作规程也明确规定：高压电气设备都应安装完善的防误操作闭锁装置。且具有完善的防误闭锁装置功能，不具有防误闭锁功能的应加装机械锁。2013年的“4·12”人身死亡事故和福建宁德“3·7”人身死亡事故，都是由于防误闭锁装置的缺陷，导致在柜内带电情况下，作业人员仍然可以打开柜门，进入柜内，从

2、而发生人身死亡的重大安全事故。由此可见，防误闭锁装置对作业人员的安全有着至关重要的作用。而目前公司所属变电站中所使用的厦门ABB开关有限公司于1999-2006年间提供的ZS3.2型中压开关设备(如下图所示)，其原有的开关设备五防功能（针对此类开关柜电缆仓门应具有的防误操作闭锁功能解释为：当接地刀闸未合上时，电缆室仓门无法打开，通俗讲即保证电缆室没电的情况下，电缆室仓门才能打开）不全面，开关柜内带电的情况下，亦可用专用摇把或者螺丝刀开启电缆室仓门。检修人员若在柜内带电的情况下，擅自打开电缆室仓门，误入带电间隔，极有可能造成人身触电事故。螺丝紧固带电电缆（制图人：毕凯 制图日期：2014.02.

3、03）（二）提出课题这些五防功能存在缺陷的开关柜，大大增加了检修人员触电的风险。如何解决这个问题，使此类开关柜满足十八项反事故措施和安全工作规程的要求便成了当务之急。为此，小组查阅了大量的专业资料，结合现场实际，提出了三种解决问题的思路：1、改造柜门，加装锁具，只有确认柜内无电的情况下，方可由运行人员持专用钥匙进行解锁开门。2、对开关柜内部进行改造，安装隔离挡板与接地刀闸连锁装置，在接地刀闸合上时，隔离挡板同时打开。3、研制自动闭锁装置，当柜内带电时，柜门无法打开。小组成员根据这三种思路，总结出了以下待选课题：待选课题课题一：加装开关柜电缆仓门锁课题二：研制隔离挡板与接地刀闸连锁装置课题三：研

4、制开关柜智能型闭锁装置（制图：王美君 时间：2014.02.18）（三）课题选择小组成员经过讨论后认为，各项指标需满足以下五个基本条件，才能作为最佳课题进行选择。条件描述难易程度小组成员可自行完成有效性在电缆仓内带电的情况下，检修人员不会误入经济性按照车间成本管理要求，整套装置不超过3000元时间性时间不能过长，改造一个变电站时间不宜超过一周可靠性长时间使用性能不会发生变化根据以上五个基本条件，我们对三个待选课题分别进行综合评估，每个基本条件总分为5分，评估结果如下：课题课题分析综合评估结论课题一：加装开关柜电缆仓门锁改造柜门，加装锁具，只有确认柜内无电的情况下，方可由运行人员持专用钥匙进行解

5、锁开门。难易程度有效性经济性时间性可靠性否决仅对柜门进行改造，较为容易需要人工控制解锁，有可能误解锁。主要费用为购买程序锁，改造每个开关柜大约500元。改造一个变电站时间不超过3天长时间使用性能基本不会发生变化。3分2分4分3分4分总得分：16分课题二：研制隔离挡板与接地刀闸连锁装置对开关柜内部进行改造，安装隔离挡板与接地刀闸连锁装置，在接地刀闸合上时，隔离挡板同时打开。难易程度有效性经济性时间性可靠性需要对开关柜内部进行改造，较为复杂。装置与地刀之间机械连锁，无需人员操作，有效性较好隔离挡板和地刀连杆费用较高，每套大约需要2000元。内部构造变动很大，改造一个站需要一个月的时间。否决由于需要

6、改造接地刀闸，设备可靠性降低。2分4分2分1分1分总得分：10分课题三：研制开关柜智能型闭锁装置研制自动闭锁装置，当柜内带电时，柜门无法打开。难易程度有效性经济性时间性可靠性采用仅对柜门进行改造，较为容易采用电子信号控制，只要抗干扰能力强，不会存在有效性问题。可以利用现有的保护辅助触点，改造费用1000元每套。改造一个变电站时间不超过3天长时间使用性能基本不会发生变化。3分5分3分3分4分总得分：18分（制表：赵晓楠 时间：2014.02.20）查新：确定课题方向后，小组首先开展了查新工作。小组在中国专利信息网（1985-2014）进行检索，确定检索词为“ZS3.2型开关柜 闭锁装置”，结果未

7、查到相关内容。综上比较，小组成员确定本次活动的课题是：研制ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置。二、 设定目标（一）研制要求ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置应能有效解决目前该型号开关柜在电缆室带电的情况下，仓门仍能打开的五防功能缺失的问题。只有当监测到地刀确已在合位，即电缆室内部确已无电压时，方可允许工作人员打开仓门，从而有效保障作业人员的安全。（二）量化目标1、使用装置后，阻止在柜内带电情况下打开柜门的成功率达到100%。2、切换到闭锁柜门的动作时间小于0.5s。（三）目标的可行性分析1、目前市场上电子技术与自动控制技术的产品已经相当成熟，研制可能用到的信号元件、动作元件均能保证误差精度<

8、5%，完全可以满足要求，因此利用装置阻止在柜内带电情况下打开柜门的成功率达到100%的目标可行。2、如果利用地刀的辅助触点接收信号进行逻辑判断，相比于机械联动来说，时间可以大幅缩短至毫秒级，闭锁柜门的主要时间为装置动作时间。选取合适的动作元件，便可达到动作时间小于0.5s的要求。3、小组成员中有高级技师2名，技师2名，高级工5名，大专及以上学历的成员占到了100%，其中一人还掌握机械设计软件AutoCAD，具有良好的理论、设计和技能基础。4、小组从成立至今研制出多种实际应用效果良好的工器具，获得7项专利，因此小组成员具有充分、成熟的工器具研制经验。综上所述，本次活动在技术、管理和经验方面均已经

9、过充分的考虑，我们设定的目标是可以实现的。三、 提出方案并确定最佳方案小组成员查阅了国内外大量的相关专业技术资料，结合现场实际及多年经验，集思广益，运用“头脑风暴法”和亲和图对ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置的组成特性进行了归纳整理，如下：ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置通讯方式动作方式信号传输不受电磁场环境干扰动作时间短，动作迅速动作信号来源需可靠通讯路径不干扰开关柜内布局固定方式满足防误操作闭锁功能要求保证装置固定稳定保证改造时简便易行 不会破坏开关柜的性能装置制作费用低，便于推广装置设计合理，易于研制装置保养维修简单，费用低（制表：毕凯 时间：2014.03.05）（一）方案的第级分解由

10、亲和图可以看出，新研制的装置主要由通讯单元结构、动作单元和固定单元三部分组成。方案级分解示意图通讯单元固定单元ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置动作单元（制表：李利剑 时间：2014.03.10）针对方案级分解，小组研究了其各功能组合方式，得出闭锁装置的整体结构图。信号判断通讯单元动作信号闭锁/解锁柜门闭锁模块固定单元 （制图：赵晓楠 时间：2014.03.12）（二）方案的第级分解根据装置整体结构图，进一步得到方案的级分解，小组逐一展开分析，每一个方案都提出相应的备选方案，并进行了详细的对比选择及相应评估。方案级分解示意图方案提出二级分解一级分解信号传送方式选择信号传送模块通讯单元研制ZS3.

11、2型开关柜智能型闭锁装置信号来源的选择信号来源动作单元闭锁方式的选择闭锁模块动作单元固定模块固定方式的选择固定单元（制图：张启红 时间：2014.03.15）1、信号传送方式选择智能闭锁装置信号传送方式要求：通讯单元负责将柜内是否带电的装置与动作单元相连接。当柜内带电时，发信号给动作单元，闭锁柜门；当柜内无电时，发信号给动作单元，解锁柜门。信号传送方式设计待选方案：1、有线设计2、无线设计信号传送方式方案设想：方案一：有线设计。采用屏蔽信号线将信号传送至动作单元。方案二：无线设计。将信号转换成无线信号，传送至动作单元。设想方案论证：设想方案优点缺点分析论证结论方案一：有线设计1、原理、结构简单

12、2、费用较低。在开关柜内布线较为繁琐，且要注意与带电部分的安全距离。采用1、利用PDSS01型纳秒级脉冲标定信号源模拟开关柜内高压设备产生的电磁场。将一个脉冲信号从信号发生器通过2*1.0mm2的屏蔽信号线传输到对端接收器，试验结果信号通过率为100%。2、利用停电检修时机，对ZS3.2型开关柜内部结构进行现场观察，柜内结构十分开阔，完全可以满足布线要求。方案二：无线设计无需在柜内布线，对设备影响较小。1、构造复杂，容易损坏。2、易受周围电磁场干扰。3、费用较高。否决1、利用PDSS01型纳秒级脉冲标定信号源模拟开关柜内高压设备产生的电磁场。用购买到的NRF24L01（433MHZ）无线收发模

13、块进行数据收发试验，试验结果信号通过率为40%，不能满足动作可靠性100%的要求。（制表：王新宇 时间：2014.03.20）2、信号来源选择方案设想：方案一：带电显示装置信号。从开关柜内带电显示装置分离出一路信号，通过逻辑判断装置判断柜内是否有电，从而发出是否闭锁后柜门的信号。方案二：接地刀闸位置辅助触点。利用开关柜二次仓内接地刀闸的辅助触点发出的信号，当地刀合上后，从而发出是否闭锁后柜门信号。设想方案论证：设想方案优点缺点分析论证结论方案一：带电显示装置信号1、判断原理简单。2、分离信号简便。带电显示装置容易故障，导致装置失灵。否决1、小组查阅了2010年-2014年所有ZS3.2型开关柜

14、带电显示装置的运行情况，其中带电显示装置因为故障导致的消缺占到开关柜总数的5%。2、小组在现场中发现，带电显示装置信号的截取需要对其进行改造，容易破坏其原有功能。方案二：接地刀闸位置辅助触点1、辅助触点信号较为可靠。2、无需通过逻辑运算器，可以直接发出闭锁信号。需要连接二次仓，接线比较复杂。1、现场中二次接线仓内端子比较繁杂，需要认真核对地刀辅助触点信号的位置。采用2、地刀辅助触点是通过二次回路得到的地刀位置的信号非常准确，不会发生误判断的情况。（制表：于杰 时间：2014.03.28）3、闭锁方式的选择方案设想：方案一：电磁闭锁。利用电磁铁的吸合来闭锁柜门。方案二：机械闭锁。利用市面常见的传

15、统机械锁具，通过人为管理钥匙，实现对电缆室仓门的条件开启。方案三：程序闭锁。程序锁内置程序芯片，通过特有程序命令进行开启或闭锁。设想方案论证：设想方案优点缺点分析论证结论方案一：电磁闭锁1、原理简单，不易损坏。2、价格便宜，适合大量安装。易受到现场电磁场环境干扰，造成误动。采用1、根据闭锁设计要求，闭锁元件应满足机械强度机械强度大于80N·M，机械寿命大于2000次。利用试验班现有拉力测试机进行测试，电磁闭锁：机械强度大于90N·M，机械寿命大于3000次，满足要求。机械闭锁：机械强度大于120N·M，机械寿命大于4000次，满足要求。否决程序闭锁：机械强度大于1

16、00N·M，机械寿命大于4000次，满足要求。2、电磁闭锁：利用PDSS01型纳秒级脉冲标定信号源模拟开关柜内高压设备产生的电磁场，测试结果未有误动现象发生。3、机械闭锁：人为管理解锁，容易出现误开启仓门的情况，不予采纳该方案。否决4、程序闭锁：对程序锁进行闭锁、解锁操作，成功解锁率98%，不满足100%的目标要求。方案二：机械闭锁1、原理简单。2、容易购买。人为管理解锁，容易出现误开启仓门的情况。方案三：程序闭锁1、程序授权操作，不易出现误开启。1、大量安装价格较贵。2、控制程序复杂，易发生故障。（制表：毕凯 时间：2014.04.06）4、固定方式的选择方案设想：方案一：螺丝固定

17、。在柜门处开孔，固定闭锁装置。方案二：金属粘胶固定。利用金属粘胶固定闭锁装置。方案三：拼接固定。利用柜门结构，设计免螺丝固定装置。设想方案论证：设想方案优点缺点分析论证结论方案一：螺丝固定1、原理简单，固定牢固。2、安装便捷，维护方便。需要破坏柜体，对柜内装置安全影响未知。采用1、小组利用一面废旧的开关柜进行试验，将三种固定方式分别安装在柜门上，测试其承重。螺丝固定：最大承重100kG金属粘胶固定：最大承重10kG拼接固定：最大承重35kG螺丝固定承重能力最好。2、三者安装单价都可以忽略不计。3、安装时间螺丝固定：3分钟否决金属粘胶固定：1分钟拼接固定：2分钟三者安装时间差别不大。4、螺丝固定

18、只对柜门进行改造，柜内没有有害气体也不会改变至带电部位的距离，经咨询厂家，改造不会影响带电设备。否决5、金属粘胶固定经测试，5天后脱落。方案二：金属粘胶固定1、容易购买。2、安装便捷。1、金属粘胶后柜门不美观。2、时间久了会脱落。方案三：拼接固定1、不破坏柜门2、安装便捷。1、设计复杂，无法满足所有柜门要求。2、装置不够牢固（制表：王美君 时间：2014.04.15）（三）最佳方案的确定经过逐步分析和评估，小组确定了实现目标的最佳方案：最佳方案二级分解一级分解有线传输信号传送方式通讯单元研制ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置接地刀闸位置辅助触点信号来源动作单元电磁闭锁闭锁模块动作单元固定模块螺丝

19、固定固定单元（制图：张启红 时间：2014.04.20）四、 制定对策小组成员按照5W1H原则制定对策表如下表所示：序号对策目标措施地点时间负责人1有线传输线路设计设计有线传输线路在柜内的布线，确保抗电磁干扰能力达到100%。1、利用一面废旧ZS3.2型开关柜进行有线传输线路在柜内的走线设计。2、选择抗干扰能力强的线材。3、进行抗干扰能力测试，达到100%抗干扰。海葵创新工作室、35kV田村变电站5.10赵晓楠王美君2接地刀闸辅助触点信号的截取地刀辅助触点输出信号与地刀实际位置相符率100%。1、联系二次检修班确定地刀辅助触点的选择。2、测试辅助触点输出信号与地刀实际位置相符率达到100%3、

20、将有线线路接入辅助触点海葵创新工作室、35kV田村变电站5.20张启红王新宇3电磁闭锁模块设计选取合适的闭锁模块，确保动作时间小于0.5s。1、选取合适的电磁闭锁模块2、测试其动作时间小于目标值0.5s。海葵创新工作室、35kV田村变电站5.30毕凯毕凯4螺丝固定模块设计1、设计合适的固定部件，所有部件尺寸偏差不得大于0.1mm。2、确保各部件组装整体牢固，抗机械冲击大于5kg。1、根据柜门和闭锁装置的尺寸设计固定模块尺寸。2、选择合适的材料制作固定模块，保证整体抗机械冲击大于5kg，且所有部件尺寸偏差小于0.1mm。海葵创新工作室、35kV田村变电站6.10赵晓楠李利剑5ZS3.2型开关柜智

21、能型闭锁装置的现场安装与调试实现使用装置后，阻止在柜内带电情况下打开柜门的成功率达到100%；切换到闭锁柜门的动作时间小于0.5s。1、利用停电机会对35kV开关柜进行改造。2、测试安装完成后的闭锁装置的动作成功率和动作时间35kV田村变电站7.21毕凯王美君（制表：赵晓楠 时间：2014.05.07）五、 按对策表实施（一）对策实施一：有线传输线路设计确定对策表后，小组成员首先进行有线传输线路的设计。1、2014年5月12日，由小组成员于杰、毕凯利用一面退运的ZS3.2型开关柜完成柜内从端子仓到柜门处的走线设计。布线路径尽量避开柜内带电部位，且利用现有的CT电缆槽，最大可能的避免破坏开关柜内

22、部设备。2、小组将改造方案报送公司相关部门审核，经审核，改造方案符合有关安全要求，不会对柜内设备产生影响。3、2014年5月13日，由小组成员赵晓楠去电子市场选购了三种抗干扰能力较强的线材。小组利用PDSS01型纳秒级脉冲标定信号源模拟开关柜内高压设备产生的电磁场，对三种线材进行抗干扰能力测试。最终确定直径1.0mm的10芯端子线为有线传输线路线材，其抗干扰能力达到100%。（二）对策实施二：接地刀闸辅助触点信号的截取1、2014年5月22日，由小组成员毕凯与二次检修班同事一起确定了开关柜内二次电缆仓地刀辅助触点信号节点的选取。2、2014年5月24日，张启红对连接好的线路进行测试。经测试，地

23、刀辅助触点输出信号与地刀实际位置相符率达到100%。（三）对策实施三：电磁闭锁模块设计1、2014年6月2日，由小组成员毕凯与ABB厂家进行联系，购买了两种电气用电磁铁原件，并进行了对比试验，试验结果如下。经试验，第二种电磁铁动作时间过长，不予采用。型号驱动电压额定吸力行程动作时间是否采用EM20-S-004FT220V DC20N50mm0.4s采用EM40-K-002220V DC40N60mm0.8s否决（制表：毕凯 时间：2014.06.07）（四）对策实施四：螺丝固定模块设计1、2014年6月15日，小组成员赵晓楠利用AUTOCAD软件画出了固定模块的三维视图，如下图所示。（制图：赵

24、晓楠 时间：2014.06.16）2、2014年6月18日，小组成员赵晓楠根据柜门尺寸和电磁铁模块的尺寸设计了固定模块的尺寸，并绘制了具体的加工尺寸图，如下图所示：（制图：赵晓楠 时间：2014.06.19）（制图：赵晓楠 时间：2014.06.19）3、2014年6月20日，小组成员赵晓楠根据具体加工尺寸图，联系明荣铸造机械厂对螺丝固定模块进行制作，成品如下图所示： 4、小组成员李利剑对制作完成的螺丝固定模块进行尺寸测量，经检验所有尺寸偏差均小于0.1mm。而后，有利用班组安全工器具力学性能试验台对其进行力学试验，经检验该模块整体抗机械冲击大于5kg。（五）对策实施五：ZS3.2型开关柜智能型闭锁装置的现场安装与调试2014年7月21日，小组成