激光技术在新一代户外高压负荷智能调配保护装置Word文档下载推荐.docx

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随着社会经济的发展，市场除了要求新一代户外高压负荷智能调配保护装置在设计方案上满足应用所需要的远程智能化控制、“四遥”、网络化等技术性能外，对新一代高压电器产品的生产制造工艺也提出了更多的要求。

（1）高可靠性

现代社会高度强调人的主观性、人的需要、对人的保护等。

所以电器产品的安全和可靠性被提到更高的层次上来，相关的新标准保证设备的安全和可靠性能，最大限度地提高系统和产品的运行质量和供电质量，并达到节省成本，提高经济效益的目的，这是用户和设备制造企业共同追求的目的，也需要不断采用新技术、新生产工艺来及新材料提高产品的生产质量。

（2）小型化

　现代科学技术的发展，新技术和新工艺以的使用，使得电器元件得到了长足发展。

通过优化设计、选择小型化元件、提高断口耐压、元件和功能复合集成、新技术如光电传感器等应用，使产品结构紧凑，从而实现产品小型化，达到缩小产品体积、减少占地面积、低消耗和高可靠性等目的。

而采用现代化生产设备、加工工艺水平为小型化发展提供良好的基础条件。

　（3）环保要求

　资源紧张己经成为未来生存和发展必须面对的问题，为了人类共同的生存得以很好的延续和保障，世界各国己经把环境保护和资源的可持续发展及综合利用提到了一个重要高度，绿色无污染、节能降耗、消耗资源少的生产将是大势所趋。

所以，在电器的设计及制造中也必然会使用一些新的技术工艺和新的设备来避免对环境造成的污染。

　（4）国际化

　　随着中国等更多国家加入到WTO，国际化竞争日趋加剧，大量国外的先进的产品涌入以及我国产品向国外出口，产品国际化是必然的趋势。

作为一个国际化的产品必须要符合国际的相关规定和标准，也要符合相应国家的一些特殊标准和规定，所以我们在设计和制造产品时，必须以国际的标准来保证自己的产品适应整个国际竞争的需要。

综上所述，为了满足未来越来越严格的用户需求、参与国际竞争，智能电器设备制造商必须在设计和生产两个方向进行努力，而高压电器设备的小型化，高安全性和可靠性能，绿色高效制造是也其发展的必然趋势。

而就现行市场情况来看，我国高压电器行业经过50多年的发展较完善的产品体系，目前己形成了从品种、规格、性能及生产能力等方面,满足了国民经济各领域基本需要。

据不完全统计,全国己有规模大小不等的企业近1500家。

但其中90%以上企业处于中、低档的产品无序竞争之中。

整个高压配电行业生产工艺、制造水平总体还比较落后，对技术含量的产品的开发还跟不上经济发展的要求。

面对激烈的市场竞争和市场强烈需求，提出该项目，旨在应用激光技术来改造传统的户外高压智能电器生产工艺，提高制造水平。

激光具有极高功率密度的激光光束，可以融化、气化任何材料，也可以进行据图区域的精密快速加工，加工过程中输入工件的热量小、热影响区和热变形小、加工效率高、易于实现自动化等突出优点，非常适合新一代户外高压负荷智能调配保护装置制造中在“高可靠性、免维修性、密封性、小型化”等方面的需求，此外还能加快产品生产周期，降低生产成本、提高产品外观，对我国传统高压电器的升级发展和技术提升具有重要的意义。

二、国内外研究现状和发展趋势

目前，我国自行开发的高压成套开关设备品种繁多，包括固定面板式、固定分隔式、抽出式、智能式等，高压电器产品设计水平逐步接近世界水平。

但是，高压配电行业生产工艺、制造水平总体还比较落后。

在高压电气制造行业内，金属板材加工的零件几乎占所有产品零件的30%以上。

电器箱体、柜体、箱柜的支架以及许多小批量的形状特殊的金属件等都涉及到钣金设计及加工，其制作过程一般要经过剪、冲、弯三个工序来完成。

产品主要有高低压开关柜体、成套电气设备柜体、通用电器的金属外壳、IT或通信用的金属箱体、各种金属支架及形状特别的钣金件等。

传统的下料、切角、开孔和修边等工艺较落后,直接影响产品质量和生产成本,其原由分析如下:

1）高压电器的全国市场用量一般为100万台左右，但其种类繁多，功能各异，内部结构更是千差万别，每个厂家的同一产品生产量都不大，故不宜采用适应于大批量生产方式的冲压和模压工艺进行生产。

传统的冲床加工需要大量的模具。

电器产品的零件开孔尺寸多,形状各异,单件和非标产品特别多。

模具造价高,制作周期长,不利于单件和非标件生产。

2）高压电器的零件尺寸普遍较大，板型带孔零件的厚度也较大，孔的尺寸厚度比常小于1，而且形状各异,这给采用冲压模的设计和制造也带来极大困难，不少企业采用线切割的方式加工，不但切口质量、尺寸精度不易控制,而且劳动强度大、噪声大、耗费锯片多，成本很高，生产效率低下。

3）户外高压电器一般都要求较高的外壳防护能力，且要求产品外壳具有强大的防锈蚀性能，故常需要采用不锈钢板材制作外壳，由于外壳尺寸较大一般要采用剪板机进行剪裁，但由于剪板机的加工精度很低，且板材上还需开很多的孔，故需要在修整加工，耗时耗材；

4）现今的高压电器产品短路电流要求越来越大，尺寸却要求越来越小，这对绝缘性能要求提出了很大的挑战，为此研究人员就采用充六氟化硫气体的方式来提高其绝缘性能，因此对外壳的密封性更是提出很大的挑战，传统的加工方式难以保证；

5）高压电器的操作机构和连杆机构一般都是采用带孔的板式零件通过转轴、轴销等组合而成，而由于需要传递的力很大，而轴孔的耐磨性能直接影响产品的机电寿命，故一般要对轴孔表面进行硬化处理，这又给线切割加工工艺带来诸多麻烦。

近几年有的企业从国外引进“多工位数控冲床”,这虽然代替了冲床冲孔,但是价格昂贵、噪声大、切断面有接痕,而且冲头又依赖外国进口，而采用激光加工技术就可顺利解决上述问题。

与传统的冲床、剪板机、折弯机等钣金加工设备相比，激光切割机加工板材精度高，表面粗糙度低，切割速度快，稳定性好。

不用开模，柔性加工，不产生应力，对材料利用率高，完全不需要对工件进行二次加工，极大地提高了生产效率，为用户降低了生产成本。

目前，随着激光技术的日渐成熟，其在制造过程的优点得到越来越多的认可。

激光切割、焊接、打标等逐渐在各个行业展开，逐步进入实用阶段，但是关于激光加工技术在各个行业的加工工艺技术的研究和应用却不多，特别针对户外高压电器制造工艺方面的研究和应用更是少见。

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三、研究开发内容和技术关键

本项目提出的“激光技术在新一代户外高压负荷智能调配保护装置研制中的应用研究”，旨在将先进的激光技术应用到高压电器产品的生产过程中，利用激光加工速度快、精度高、质量好等优点，改造传统的高压电器的生产工艺，提高其可靠性。

通过建立高压电器产品的基础数据库平台，构建基于激光加工工艺的零件组，选择最佳参数组合建立激光电器加工工艺数据库，结合加工路径和排样优化策略进行加工调度及排程优化，加快电器产品的生产速度、加工质量和加工成本。

项目主要研究开发内容：

（1）基于激光加工技术的成组零件组构建

根据高低压电器的结构构成，分解出适合易于激光加工的零部件：

如电器设备的箱体、柜体、箱柜的支架以及许多小批量的形状特殊的金属件等等，基于激光加工的工艺特点和要求，采用成组技术构建激光加工的基础平台库，该平台主要包括两个库：

纵向加工库和横向加工库。

其中纵向加工库体现了不同加工产品部件结构、安装关系及由安装关系产生的加工要求；

横向加工库体现为具有相同加工要求的零件组。

（2）不同零部件的激光加工工艺库的建立

在基础平台库上，进行激光加工测试，从激光系统固有特性、激光加工工艺和被加工材料特性等方面探索影响加工质量的各种因素，重点研究工艺参数对加工质量的影响规律,得到影响电器零部件加工质量的主要因素和最佳参数，并进行综合分析采取智能算法选择最佳参数组合建立激光板材加工工艺数据库以供加工时选用。

（3）辅助加工路径合理设置

在激光切割工艺研究的基础上对激光切割板材的工艺处理进行了进一步的研究。

主要对不同加工要求的零部件，激光加工引弧线或引入线与引出线等辅助加工路径的合理选择与安排。

（4）路径优化和优化排样及计算机辅助工艺设计

根据零部件加工的特点，综合加工的热效应对加工路径优化的影响、确保激光头不落下的情况，对加工路径优化，寻找最短路径生产方法；

研究综合排样算法来进行优化,并结合计算机的应用,实现计算机辅助工艺设计（CAPP）。

项目技术关键：

（1）激光焦点位置检测及控制技术。

（2）铜板的切割、打孔技术。

（3）内孔激光硬化耐磨处理技术。

（4）光斑模式、焦距深度、激光功率、扫描速度、辅助气体等工艺参数与加工质量综合关系构建,不同零部件最佳加工参数的评价。

（5）不同零部件的辅助加工路径的合理安排。

（6）路径优化和排样优化的算法。

四、项目预期目标（主要技术经济指标、知识产权情况、应用前景）

主要技术指标：

（1）实现针对新一代户外高压负荷智能调配保护装置的零部件激光加工的工艺数据库，可以满足设计方案要求和该产品的可靠性要求。

（2）实现产品不同零部件的辅助加工路径的合理安排、路径优化、排样优化的计算机辅助工艺设计系统。

（3）系统运行稳定、容错性能好、安全保密，易于移植扩充，操作简单、界面友好。

新一代户外高压负荷智能调配保护装置的具体技术指标如下：

1）耐磨传力杆件内孔表面硬度：

≥HRC55

2）自动隔离机构寿命：

≥70000次

3）铜质构件激光加工比一般激光加工效率提高一倍以上

4）钢构件的激光加工比现有加工技术成本下降一倍以上

5）额定电压：

12kV

6）额定电流：

630、1000、1250A

7）额定短路关合电流（峰值）：

40、50、63kA

8）额定短路开断电流：

16、20、25kA

9）额定雷电冲击耐压（峰值）：

75kV

10）额定短路开断电流次数：

30次

11）投切机构：

三工位、防雨雪冰冻的投切机构

12）下出线、可单柱安装

主要经济指标：

项目产品市场售价预计每套装置7万元，按年产1000套（全国年需求约10万套）计，可年增产值7000万元，年创利税1068万元，年节汇200万美元。

知识产权情况：

拥有自主知识产权，将发表学术论文6篇、申请和授权专利3项。

应用前景：

本项目技术主要用于高压电器研发和制造，提高高压电器产品的制造工艺和水平。

产品主要用于城网、工矿等用电质量要求高，需采用多电源供电的场合，能显著提高电力系统运行质量和可靠性，杜绝因强电场或雷击等外界干扰失效和机构操作错误而造成的安全事故，满足现代社会对电源不间断使用的需求，及时、快速地定位故障点的位置，从而高效率地维护电力系统的安全运行，提高配电网络的智能化管理水平，为电网的智能化改造提供技术支持；

并有效提升我国高压电器相关产品的整体技术水平和电网输、配电技术智能化水平，避免因电网故障造成巨大的经济损失和对企事业单位、居民生活造成严重的社会影响，防止产生供电安全事故；

促进国内输配电等相关行业的产业升级和技术革新。

市场需求量很大，根据有关专家预测全国年需求约10万套以上。

五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解

（一）实施方案和技术路线

项目以激光加工技术应用到新一代户外高压负荷智能调配保护装置研制中为目的，首先对户外高压负荷智能调配保护装置研制的功能进行分析，结合市场需求，完成设计方案（产品系统结构图如图1所示）；

接着根据设计方案进行制造研究，根据该产品的结构和安装关系提取加工要求，应用成组技术进行分组；

然后对加工质量的影响因素进行分析，重点分析加工质量与光斑模式、焦距深度、激光功率、扫描速度、辅助气体等工艺参数的关系，并得到了特定要出的最佳加工参数，基于智能算法选择最佳参数组合，建立激光不同零部件加工工艺数据库；

最后研究引入线、引出线的设置，辅助切割路径的合理安排，路径优化和优化排样等，结合计算机的应用，实现计算机辅助工艺设计（CAPP），项目技术路线如图2所示。

具体研究分为如下几个阶段进行：

1）立项调研阶段

成了课题研究组，对国内外户外高压负荷智能调配保护装置的客户应用需求、技术现状和发展趋势进行广泛收集、梳理，根据情况初步设计出新一代户外高压负荷智能调配保护装置的功能、结构、性能指标、生产工艺要求及关键技术研究，制定产品开发方案与激光加工方案。

2）设计评审阶段

对设计方案进行审定，进一步细化，同时提出该产品加工的工艺要求，包括：

零部件的加工具体的精度要求、速度要求、流程要求、设备要求等，基于相同的加工工艺要求，进行零部件分组，形成基于分组零件加工的方案。

3）加工测试阶段

基于分组零件，进行加工测试。

首先进行单参数测试，测试单个加工参数对加工质量的影响；

然后进行多个加工参数组合测试，逐步研究出各个加工工艺参数与加工质量的规律，得出基于综合影响的加工工艺参数组合，建立激光不同零部件加工工艺数据库。

4）试验检测阶段

按照制定的加工工艺生产出各个零部件，结合设计方案，组装后进行试用及第三方检测，满足设计各项指标后交予用户使用。

5）改进验收阶段

经过一段时间的试运行，收集用户使用情况、反馈意见。

项目研究组根据相关意见和问题进行进一步的测试改进，直到完全达到客户和市场的要求后，进行产业化运行，达到项目验收条件后，组织项目验收会进行验收。

GIS平台系统

图1激光技术在新一代户外高压负荷智能调配保护装置研制中的应用研究系统架构

零部件结构与安装关系

设计方案

零部件加工纵向数据库

零部件清单

零部件加工要求

激光加工特点

基于激光表面硬化处理的零件组

基于激光打孔的零件组

基于激光焊接的零件组

基于激光切割的零件组

相同切割要求的分组n

相同焊接要求的分组n

相同焊接要求的分组1

相同打孔要求的分组n

相同打孔要求的分组1

相同切割要求的分组1

…。

………

综合加工参数影响优化与评价算法

激光加工工艺库

基于不同工艺参数的分组加工测试

基于分组的辅助加工路径设置

智能优化算法

路径优化和优化排样

实现计算机辅助工艺设计

图2项目技术路线

项目组织方式：

本课题在课题负责人的直接组织下，确定课题开发管理机制，建立下述研发小组，定期召开会议、确定各分系统集成方案，层层落实，确保本课题的开发成功。

其中校方主要负责产品的总体设计方案，包括操作机构、投切机构等设计、GIS平台等模块及系统软件设计、通信模块及系统软件设计等；

完成设计基础的零件分组、加工工艺研究、加工路线及排样优化研究，实现计算机辅助工艺设计（CAPP）。

企业方主要负责资金筹措、采购，协助完成调研及方案设计、工艺研究测试及产品的试制、试验等工作。

课题总负责人——领导整个课题组，提出总体方案，督促与协调激光加工技术应用研究组、产品关键技术研究组、系统研发实现组、系统测试组和系统应用实施组的工作及进度。

激光加工技术应用研究组——负责研究板式带孔零件的激光高效切割技术和有耐磨要求的内孔表面硬化技术及壳体的切割和焊接加工工艺参数研究、焊后密封性能检测技术研究。

产品关键技术研究组——负责研究本课题产品的关键技术研究，主要包括系统框架、系统优化模型、优化运行技术等关键技术研究。

系统研发实现组——负责配网自动化运行系统各模块（硬件和软件）的研发和实现，并将各模块集成为完整的子系统或系统。

系统测试组——负责系统的测试及型式试验，尽可能早地发现问题并修正。

系统应用实施组——负责样机制造并进行应用示范，并对应用效果进行评价。

六、计划进度安排

1．2012-01-01至2011-06-30（注：

本项目2011年1月之前已启动前期市场调研、激光技术研究）

新产品总体方案设计、各部分智能控制和保护系统等各局部模块及零部件设计、结构、性能指标、生产工艺要求及关键技术研究，制定产品开发方案与激光加工方案。

2．2012-07-01至2013-06-30

对设计方案进行审定，进一步细化，完成总体方案设计、各部分智能控制和保护系统等各局部模块及零部件设计，同时提出该产品加工的工艺要求，包括：

不同材料零部件的加工具体的精度要求、速度要求、流程要求、设备要求等，基于相同的加工工艺要求，进行零部件分组。

碳钢件及不锈钢的激光快速加工技术及工艺参数选择研究、铜件的快速切割与加工工艺参数研究、试验。