鲁达 中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”，并设“智能制造与电工装备行业的转型升级”“智能开关设备的关键技术与最新发展”两个分论坛。
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国网安徽省电力公司合肥供电公司的研究人员潘超、韩光等，在2016年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，电源盘作为电力企业日常检修中最常使用的工具之一，传统的电源盘存在工作效率低下、配套性差及无法监视电压、电流等问题，迫切需要一种新型电源盘。
针对上述问题，多功能自动排线数显电源盘分别设计自动排线装置、多插头模块及数显电源状态模块。经过多次试应用的统计，可节约三分之二的配置时间，消除了安全隐患，保证了试验数据的准确性，具有很高的适用性和推广价值。
电力企业进行检修试验工作时绝大多数情况都需要使用低压交流电源，目前采用交流电源盘带入现场使用，电源盘在交流电源处取电源，并放线至工作现场。电源盘的配置流程如图1所示，据统计其中散线整理、制作插头（插座不匹配时）及收线都花费较多时间。
图1 电源盘配置流程
传统电源盘在配置过程中存在工作效率低下、配套性差及无法监视电源电压、电流等问题，为解决上述问题，研制出一种新型电源盘十分必要。
1 传统电源盘存在的问题
1.1 工作效率低
传统电源盘收线时，通常需要两人进行操作，一人固定电源盘架、转动电源盘，一人往复移动电源线，以保证电源线均匀分布在电源盘上。倘若一人收线，则需手脚并用，操作复杂，而且手握电源线容易造成手掌损伤。
此外，传统电源盘收线通常会出现散线的情况，电源线无法保证整齐紧固，在下次放线使用时，可能导致电源线缠绕在一起，无法顺利拉出，此刻需耗费大量时间整理电源线，严重影响工作效率。
通过对八个变电站的日常工作中传统电源盘的配置时间（不包括正常检修工作时间）统计，其测量电压、制作插头及折算收放50m线缆所用的时间见表1。
表1 传统电源盘配置时间统计表
根据表1统计结果，单次配置传统电源盘的时间合计约10.025min，其中，测量电压所需时间约为0.9min，制作插头约需用2.75min，折算收放50m线缆约需用6.375min，折算收放50m线缆和制作插头占时最长，共计9.125min，占总耗时的91%，是首先要解决的问题。
1.2 配套性差
另外，从表1可以看到制作插头的极差与最大值相同，反映在流程图1上主要是因为插座不适应性所致。不同的工作地点，现场检修电源接口也各异，通常包括不同种类的插座和接线柱，而传统电源盘只固定连接一种插头，当插头与现场检修电源接口不相符时，就需要临时进行插头的拆卸和制作，延长了工作时间。据统计，H市供电公司所辖的79座变电站中，有62座变电站存在插座不匹配的情况，不匹配比例高达78.5%。
1.3 无法监视电源电压、电流
某些精密的仪器对电源电压、电流有较高的要求[1]，若电压产生较大波动，或者超出其输入电压范围，都有会导致仪器数据的不准确，进而影响对被试设备进行诊断，因此必须对电源电压进行监视，若发现异常需及时调整电源。对95次现场工作进行统计，因电源电压异常造成试验数据异常的次数达29次，数据异常比例达30.5%。
2 新型电源盘的设计与制作
2.1 设计关键点
电源盘具有便捷的收线操作、可适应各种现场的插座以及能对电源电压电流监测，是研制新型电源盘的关键点。针对上述3项关键点，针对收线效果及收线操作，考虑研制自动排线装置；针对配套性，欲研制多插头模块；针对监视电压，欲研制数显电压模块，详细情况见表2。
表2 关键点分析
2.2 设计方案
根据上述3个设计关键点，可分别解决传统电源盘三项主要问题，也是本设计的特点及优势。由于几项功能相对独立，所以从组成元素的角度对方案进行分解，以此为设计思路，即对自动排线装置、多插头模块及数显电源状态模块进行进一步分解，具体方案分解如图2所示，并根据图2做详细阐述。
图2 方案分解
1）自动排线装置
自动排线装置的结构、传动及电机的方案目标及关键技术[2-3]要求见表3。
表3 自动排线装置方案目标及关键技术
能实现自动排线装置的结构主要包括凸轮结构，即利用转动的凸轮带动导杆，使的滑块在导轨上做往复运动[4]；双齿条结构，即利用转动的半齿轮，使得上下两个齿条组成的轨道做往复运动[5]及往复丝杠结构，即利用转动的往复丝杠，使得丝杠螺丝做往复运动[6]，从排线效果、结构体积及经济性[7-8]等方面综合考虑，采用往复丝杠，如图3所示。
图3 往复丝杠结构
往复丝杠的螺纹为“8”字型结构，其丝杠螺母沿螺纹运动，当往复丝杠沿轴心线做匀速转动时，其丝杠螺母可沿往复丝杠做匀速直线往返运动[9]。
自动排线装置的传动主要分为皮带式、齿轮式及链式，其中皮带式即为两皮带轮通过皮带传动；齿轮式为通过齿轮组的咬合实现传动；链式则是由齿轮及链条组成，类似于自行车的结构，从传动精度、使用寿命及经济性[10]综合考虑采用链式传动。
鉴于直流电机功能方便、调试性能良好[11]，自动排线装置的电机采用直流电机。
2）多插头模块
多插头模块主要为了增强电源盘的适应性，可以适应现场检修电源的常用插座及接线柱，并且安全性高、操作方便。采用分立式结构，即分别利用多个常用国标插头及接线环，以适应现场检修电源。
分立式结构安全性能高，即未使用的插头不带电；拓展性好，即可根据不用插座附加其他插头；维护难度低，即只需修理损坏的插头，其他插头可正常使用；经济性好，即无需开模制造。
3）数显电源状态模块
数显电源状态模块主要为了监视电源的电压、电流状态，保证仪器设备的正常使用，主要使用监视电压电流一体化电表连接在电气回路中。
2.3 制作
1）自动排线装置
往复丝杠主要考虑其有效长度、螺纹螺距及硬度。传统50m线缆的电源盘其轴向有效收线范围为15cm，所以将往复丝杠的螺纹有效范围定为15cm也同样能满足折算收放50m线缆的要求。又根据调研，目前通常三芯16A线缆的直径约为12mm，所以采用15mm的螺距完全满足要求，不至于单层线缆相互挤压，又不显得松散。
综合考虑往复丝杠的受力，将往复丝杠的直径定为20mm，材质选用不锈钢，可使得往复丝杠在收线过程中不至于变形断裂。螺纹宽度、深度等图4中参数只要与丝杠螺母配套即可，无特殊要求。
图4 往复丝杠设计图纸
自动排线装置的工作过程为：蓄电池为能源，以直流电机为动力，通过减速器使得电源盘转动；应用齿轮及链条组成的链式传动，电源盘带动往复丝杠等角速度转动；当往复丝杠等角速度转动时，再利用螺杆限位，使得丝杠螺母带动线缆在电源盘轴向做往复运动，最终实现自动排线的功能，具体装置如图5所示。
2）多插头模块
根据对现场检修电源插座的调研，确定插头种类主要分为两线10A、三线10A、三线16A及接线柱环。如图6所示，电源盘端配置公头，插头及接线柱端配置母头。针对工作现场检修电源不同种类的插座，采用此种插拔式的航空插头结构易于切换，并可保证切换过程中不会破坏线缆的绝缘层。
图5 自动排线装置
图6 插拔式多插头结构
根据相应试验，插拔式多插头中各个插头及接线柱中的地线、零线及火线两两之间的施加500V电压，测得其之间绝缘电阻均在3G以上，完全满足绝缘性能要求；航空插头的接触电阻约为0.8m，正常持续工作不会导致过热而产生不良情况。
3）数显模块
经过对网络、实体店的大量咨询调研，发现市场存在符合要求的成品，运用LCD液晶屏6秒循环显示电压及电流，可监视的电压、电流范围为0～250V，0～10A，电压、电流精度约为1%，如图7所示。
4）整机组装
整机组装如图8所示，在固定、装配了各功能模块的同时，为了方便搬运还配备了提手、万向轮、手刹等附件。保证各功能模块在搬运的过程中不发生损坏，并能实现相应功能，能较好的完成自动排线、适应多种插座及数显电压的功能。
图7 数显模块
图8 装置整体结构图
3 效果确认
3.1 性能效果
经过了多次现场工作的试用，运行正常，性能稳定，整体情况良好。降低了安全隐患，提高了工作效率及效果，通常配置电源盘的时间控制在3min之内，消除了电压测量时间、消除制作插头的时间。经测试，整机收线速度约为19m/min，能适应两线10A、三线10A、三线16A及接线柱的插座，能较高精度的显示0～250V的电压，测试220V电压、10A电流其误差分别在1V及10mA以下。
本装置解决了传统电源盘工作效率低及插头不匹配问题。使用本装置收线只需一人，且操作方便，收线整齐紧固，不会出现电源线散线、缠绕的情况，可提高工作效果和效率；适用于绝大多数现场检修电源，不必现场临时制作或拆卸插头，节约工作时间，试用时各部分耗时统计见表4。
本装置解决了无法监测电压、电流的问题。使用本装置可监视电源电压及仪器输入电流，保证了仪器的安全性及数据的准确性，并且可提前判断异常情况，保证人身、设备安全及工作顺利进行。
表4 试用时各部分耗时统计
3.2 经济效益
据统计，仅仅H市供电公司变电检修室一年日常工作所使用的电源盘次数即高达约800次，应用本装置，每次配置电源盘的时间可减少2/3，即约节约7min。在426次工作中试用了本装置，合计节约时间约50h。
H市地区单个变电站输出功率约为15.1MW，电价按照0.9元/度计算，合计每小时售价约1.4万元，即总共创造的经济效益约为70万元，而且随着本成果的推广应用，每次工作都能创造一定量的经济效益，经济效益持续增加。
此处还不包括万一发生人身、设备安全事故的情况，本装置只要能避免一次人身、设备安全事故的发生，其所带来的经济效益就是无法估量的。
3.3 社会效益
电力生产作为电力企业的主营业务之一，始终将安全放在首要位置。本装置采用插拔式的多插头，可以适应所有检修现场电源插座（包括接线柱），省去了现场制作插头的过程，避免了因频繁拆解插头造成的线缆绝缘层损坏，降低了工作人员的触电风险。其次，本装置具有监视电源电压、电流的功能，可以提前发现设备故障等异常情况，降低工作人员、设备的安全风险。
在保证安全的同时，本装置中自动排线及多插头的功能提高了工作效率，提升了工作效果，使收线整齐紧固，并且由于本装置可以监视电源状态，为那些对电源状态要求较高的仪器设备提供了保障，使得仪器数据更加可靠，保证了工作质量。
4 结论
多功能自动排线数显电源盘使用安全、便捷，降低了现场工作人员的安全风险，提高了工作效率及效果，具有较高的应用价值；可替代传统电源盘，不仅可供电力行业使用，而且适用于所有无特殊要求的用电场合，应用范围广泛。
本装置属于国内首创，已申报发明专利及实用新型发明专利申请各一项，并且编写相应的《多功能自动排线数显电源盘的使用说明书》、《多功能自动排线数显电源盘的试验流程》、《多功能自动排线数显电源盘的注意事项及危险点》等资料。由于本装置具有很高的实用性，切实解决了迫切的实际问题，具备广阔的推广前景。
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