架空輸電線路電動平衡走線車研究

尹維崴，李睿，張德偉，李葉軍

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司，吉林長春，130000）

0 引言

在電力領(lǐng)域中，超高壓和特高壓的輸電需要應(yīng)用多分裂導(dǎo)線來對其線路進(jìn)行架設(shè)，以此達(dá)到抑制電暈放電和線路阻抗的問題，不過，多分裂導(dǎo)線會因外部環(huán)境及施工破壞的影響而發(fā)生磨損、散股、斷股和間隔棒松脫等問題，這些問題往往具有隱蔽性，一旦發(fā)生，則勢必會給電力企業(yè)造成巨大的損失。為了防范這些問題的發(fā)生，運(yùn)行單位需要定期進(jìn)行走線檢查，在現(xiàn)有的走線檢修方式中，不僅檢修效率較低，而且走線設(shè)備體積較大，使用起來非常不便，因此，研究一種更加便捷、安全的走線檢修設(shè)備來進(jìn)行架空輸電線路線檢修是具有重要意義的。

1 公司概況

為了解決檢修人員在對架空輸電線路進(jìn)行走線檢修時容易出現(xiàn)身體損傷的問題，提高分裂導(dǎo)線上檢修人員的巡檢效率，國網(wǎng)吉林省電力有限公司檢修公司同遼寧蘭陵易電工程技術(shù)有限公司欲通過立項(xiàng)來研發(fā)一種小型的電動平衡走線車。該公司的成立時間是2002年，地處于遼寧省鞍山市，其服務(wù)范圍包括研發(fā)帶電作業(yè)工器具和電力安全工器具、建設(shè)、檢修和運(yùn)維變電站以及檢驗(yàn)電力設(shè)施。目前，該公司憑借積累的30年專業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，成功研發(fā)了包括無人機(jī)輔助類、橫擔(dān)卡具類、絕緣滑車類、紅框類等共14個大類，超過200個品種的帶電作業(yè)工器具。其業(yè)務(wù)范圍更是涉及到全國各地，并以“務(wù)實(shí)、合作、求精、創(chuàng)新”作為企業(yè)的發(fā)展理念，始終堅(jiān)持以優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、服務(wù)和領(lǐng)先的技術(shù)來不斷推動我國電力系統(tǒng)的節(jié)能、安全與環(huán)保建設(shè)。

2 架空輸電線路走線檢修方式存在的弊端

由于超高壓與特高壓在輸電過程中，其線路主要是以多分裂導(dǎo)線為主的，因此在對這種分裂導(dǎo)線進(jìn)行走線檢修時，能夠適用的檢修方式主要包括三種：第一種是人工檢修走線方式，這種檢修走線方式需要作業(yè)人員進(jìn)行徒步行走，在行走過程中，作業(yè)人員需要雙手分別扶持著一根導(dǎo)線，雙腳則站立在同一根分裂導(dǎo)線上，然后采取徒步行走的方式來對輸電線路進(jìn)行逐段的檢查，不過，由于其在走線過程中很容易因受力不均而發(fā)生危險(xiǎn)，并且長時間的走線還會造成檢修人員的足弓出現(xiàn)損傷。此外，作業(yè)人員需要進(jìn)行長期的訓(xùn)練才能適應(yīng)走線檢修工作。第二種是利用電動走線裝置進(jìn)行檢修，該裝置主要是利用大型電機(jī)來進(jìn)行傳動行走的，檢修人員只需坐在該裝置中即可完成檢修，這種檢修方式往往體積較大，而且裝置重量普遍超過80公斤以上，這也造成操作人員在控制該裝置時非常不便。第三種是利用機(jī)械走線裝置進(jìn)行架空線路檢修，該裝置主要由滑輪、鏈條和齒輪等零部件構(gòu)成，檢修人員可騎行該裝置來進(jìn)行檢修，不過在行走速度上比較慢，而且該裝置的體積比較大，不僅檢修效率較低，使用起來也比較不便。由此可知，在現(xiàn)有的走線檢修方式中，都普遍存在使用效率低、適用性較差等弊端，難以滿足架空輸電線路的檢修要求。為此，研發(fā)一種更加先進(jìn)的架空走線類工器具已經(jīng)到了迫在眉睫的地步。

3 架空輸電線路電動平衡走線車的研究目標(biāo)

在考慮到上述走線檢修方式的種種弊端以后，考慮到架空輸電線路的檢修要求，在研發(fā)架空走線類工器具時，經(jīng)過仔細(xì)的研討，研究目標(biāo)應(yīng)包括以下三點(diǎn)：

(1)動力輸出、控制、傳動與平衡的研究

結(jié)合架空輸電線路的走線檢修工作要求，電動平衡走線車在檢修過程中不需要對轉(zhuǎn)向進(jìn)行考慮，因此可以剔除用于轉(zhuǎn)向控制的模塊，通過單片機(jī)和單陀螺儀來確保電動平衡走線車在行走過程中能夠雙輪同步運(yùn)行。在功率分配上，考慮到波動擾動問題，需要采用兩個電機(jī)來分別為各個傳動輪提供動力，使其能夠適用于大跨越的桿塔走線。

(2)接觸構(gòu)造和傳動的研究

現(xiàn)階段，該公司在對500kV電壓的輸電線路進(jìn)行多分裂導(dǎo)線設(shè)計(jì)時，多分裂導(dǎo)線的股數(shù)主要包括四股和六股，導(dǎo)線型號分別為LGJ-240/30與LGJ-400/35，直徑分別是21.6mm與26.82mm。只有電動平衡走線車能夠在上述兩種分裂導(dǎo)線形式中同時適用，才能提高其適用性和安全性。因此，電動平衡走線車的傳動輪直徑應(yīng)在28mm至26.82mm之間，并且輪體應(yīng)為凹型輪轂，其輪轂深度應(yīng)超出分裂導(dǎo)線縱向橫截面積的70%，而且其凹槽內(nèi)側(cè)應(yīng)加設(shè)耐磨防滑裝置，以此確保電動平衡走線車在下坡過程中不會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

(3)安全防護(hù)研究

考慮到檢修人員在雙手分別扶持導(dǎo)線時，電動平衡走線車在走動過程中會磨傷檢修人員的手部，因此需要在兩側(cè)導(dǎo)線上分別安裝一個防磨的筒形套管，這種筒形套管便于安裝與拆卸，并和走線車之間進(jìn)行柔性連接，以此避免走線車失控后發(fā)生掉落。

4 架空輸電線路電動平衡走線車的研究方案

(1)電動平衡走線車的研究思路及功能要求

在架空輸電線路電動平衡走線車的研制中，對于其技術(shù)指標(biāo)具體有以下要求：

其一，電動平衡走線車的體型應(yīng)盡量小型化，體積應(yīng)控制在0.06m3以內(nèi)，整車質(zhì)量不得超出20kg，這樣便于檢修人員進(jìn)行攜帶；其二，電動平衡走線車在控制、動力輸出與平衡方面應(yīng)保證優(yōu)良，走線車在輸電線路中的行走速度應(yīng)至少在10km/h以上，最大行駛角為15度，同時，考慮到外界環(huán)境的風(fēng)速、摩擦力及檢修人員體重等因素給電動平衡走線車帶來的影響，其工作距離應(yīng)滿足7km，并且在滿電狀態(tài)下能夠連續(xù)工作14個小時；其三，電動平衡走線車在走線過程中需要確保其姿態(tài)平衡，因此需要在其中安裝平衡芯片，該芯片利用傳感器以每200次/s的頻率來對電動平衡走線車的姿態(tài)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；其四，電動平衡走線車在走線過程中要具備足夠的動力輸出，在動力輸出裝置設(shè)計(jì)中，其通過雙直驅(qū)電動機(jī)來進(jìn)行功率輸出，輸出總功率可達(dá)到700瓦以上，瞬時功率就去地2000瓦以上，并且最大扭矩應(yīng)保持在70Nm，當(dāng)坡度為15度時，電動平衡走線車的滿載重量應(yīng)為80kg；其五，電動平衡走線車應(yīng)確保檢修人員進(jìn)行獨(dú)立安全的操作。

通過結(jié)合上述技術(shù)指標(biāo)，在電動平衡走線車研發(fā)中，將其劃分為電路驅(qū)動與機(jī)械硬件兩個部分進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，具體功能要求如下：其一：電動平衡走線車應(yīng)采用單片機(jī)對雙輪無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制；其二，雙輪無刷電機(jī)的帶載能力應(yīng)達(dá)到90kg，并能夠進(jìn)行自動調(diào)速，速度最高值應(yīng)達(dá)到5km/h；其三，利用開關(guān)信號來判斷檢修人員是否坐好，待檢修人員坐好后方可啟動；其四，利用轉(zhuǎn)換開關(guān)按鈕來實(shí)現(xiàn)走線過程中的加速、減速、前進(jìn)與后退控制；其五，在電動平衡走線車發(fā)生故障時能夠進(jìn)行自動報(bào)警；其六，在電動平衡走線車上安裝有電源狀態(tài)指示燈；其七，電動平衡走線車的體積應(yīng)盡量較小，安裝起來較為方便；其八，能夠滿足工業(yè)設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)要求，并具有一定的抗干擾能力。

(2)電動平衡走線車在研究過程中遇到的技術(shù)問題及解決方案

遼寧蘭陵易電工程技術(shù)有限公司在2017年對電動平衡走線車進(jìn)行了階段性研討，并在四分裂導(dǎo)線試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如下技術(shù)問題：其一是電動平衡走線車的動態(tài)平衡問題，雖然電動平衡走線車能夠利用陀螺儀來進(jìn)行前后平衡調(diào)整，但其左右晃動卻難以避免，而且會對前后平衡造成一定的干擾，通過加裝輔助平輪后發(fā)現(xiàn)效果并不理想；其二是電動平衡走線車中的電路安全問題，由于采用的線路板程序模塊無法在高空走線作業(yè)中適用，而且無法進(jìn)行解鎖調(diào)整，因此需要對該模塊的程序進(jìn)行重新編程；其三是安全防護(hù)問題，在上文中提及到需要在導(dǎo)線中設(shè)置雙手扶持套管，但這種套管在實(shí)驗(yàn)過程中難以避免的會發(fā)生橫向晃動，而且在扶持過程中會產(chǎn)生一定的摩擦力，因此需要在套管中加裝握緊與滑輪裝置，但卻會使走線作業(yè)變得更加復(fù)雜；其四是跨越間隔棒問題，該問題是需要對間隔棒進(jìn)行相應(yīng)的改裝，但改裝成本卻過高，因此需要確保走線車在體積較小的同時，還要確保各個保護(hù)措施之間能夠掛接在一起，以此起到跨越間隔棒的目的；其五是作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的評估問題，走線作業(yè)需要對檢修人員的身心素質(zhì)有著較高的要求，當(dāng)遇到風(fēng)雨天氣時，架空線路的左右晃動幅度會非常大，這會對走線作業(yè)造成很大的影響。為了解決上述問題，電動平衡走線車在研究過程中需要制定以下解決方案：其一是通過結(jié)構(gòu)調(diào)整來提高兩個從動輪的平衡性；其二是對動態(tài)平衡調(diào)整電路進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，巡線速度分為高、中、低三個檔次，即可利用PLC進(jìn)行控制，也可進(jìn)行手持遙控控制；其三是將站行驅(qū)動改成坐行驅(qū)動，以提高檢修人員的穩(wěn)定性；其四是利用鏈?zhǔn)綊戽i來固定檢修人員；其五是利用倒梯形凹槽來對驅(qū)動輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，并內(nèi)嵌防滑橡膠來加大驅(qū)動輪與導(dǎo)線之間的摩擦力。

(3)電動平衡走線車的電路研究

電動平衡走線車所使用的電機(jī)為直流無刷電機(jī)，該電機(jī)自帶有霍爾檢測功能，其是由霍爾位置傳感器、轉(zhuǎn)子和繞組定子三個部分組成。STM8S105S6T6C單片機(jī)是電動平衡走線車中的核心控制器，并嵌入有130nm存儲器。驅(qū)動電路架構(gòu)采用N+N MOS，并通過8片MDP1932并聯(lián)來構(gòu)成上下橋臂，通過三相24片MDP1932來進(jìn)行22A電流的輸出與電機(jī)霍爾信號檢測。

(4)電動平衡走線車的軟件設(shè)計(jì)

電動平衡走線車的軟件開發(fā)工具為Keil 5.12，其利用6步換向法來控制電機(jī)，零爾位置傳感器的三相角度是120度，并結(jié)合霍爾傳感器狀態(tài)，將電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)時進(jìn)行六個狀態(tài)的劃分，并利用二二導(dǎo)通法來控制開關(guān)管狀態(tài)。電機(jī)調(diào)速方法為PWM調(diào)壓，通過對占空比進(jìn)行調(diào)整來控制電機(jī)電壓有效值，以此實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在系統(tǒng)設(shè)置中其轉(zhuǎn)速控制分為低速檔、自由檔與高速檔，其中自由檔可利用手柄來進(jìn)行控制。在安全檢測方面，根據(jù)檢修人員的手柄緊握信號與腳踏開關(guān)信號來進(jìn)行人員安全狀態(tài)判斷，在判斷檢修人員坐穩(wěn)后才會啟動電機(jī)。電機(jī)調(diào)試軟件應(yīng)用LabView系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)試，并利用串行口來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端通信，并可對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時查看與修改。

(5)電動平衡走線車的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動平衡走線車的硬件結(jié)構(gòu)主要包括車體、電動驅(qū)動輪轂、輪帶、弧形槽、控制電路板、驅(qū)動開關(guān)、延伸架、平衡輪、掛鉤、安全帶、橡膠防滑層與提手。兩個驅(qū)動輪轂分別位于車體兩側(cè)，在輪轂中安裝有輪帶，輪帶截面是弧形槽，該弧形槽可騎在分裂導(dǎo)線上，弧形槽的內(nèi)表面為厚度3-5mm的像膠防滑層，延伸架位于車位前側(cè)，并且延伸架兩側(cè)安裝有兩個平衡輪，在車體中安裝有控制電路板，并由鋰電池進(jìn)行供電，其車體上表面安裝有腳控開關(guān)，同時在車體中還設(shè)有提手來進(jìn)行搬運(yùn)移動。

5 架空輸電線路電動平衡走線車的應(yīng)用效果分析

通過以上設(shè)計(jì)，電動平衡走線車的實(shí)際應(yīng)用效果具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

（1）車體重量方面

相比于吊艙式的電動走線車，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的電動平衡走線車在材質(zhì)上為鋁合金，這使其體積更小、重量更輕，如果使用碳纖維材料，則電動平衡走線車的整車重量甚至可達(dá)到10kg以內(nèi)，車體重量的減輕，不僅能夠提高作業(yè)效率，而且攜帶起來也非常方便，當(dāng)巡線時出現(xiàn)雙線弛度過大等緊急狀況時，檢修人員只需通過單手即可進(jìn)行應(yīng)對，從而使檢修人員的體能得到大量節(jié)省。

（2）障礙跨越方面

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的電動平衡走線車配備有多功能越障裝置，這使其能夠輕松跨越相間間隔板、架空線間隔棒等障礙。其障礙跨越流程如下：第一步是利用快捷線間卡具在越障方向的某個位置中固定主支撐柱；第二步是把三段折疊裝臂在適當(dāng)高度中固定于主支撐柱；第三步是利用省力絲柱與推力軸承來連接走線車和吊裝臂；第四步是轉(zhuǎn)動省力絲杠來提高走線車高度；第五步是把走線車推送到間隔棒的另一端；第六步是走線車位置及方向調(diào)整，使其能夠在分裂導(dǎo)線中坐穩(wěn)；第七步是拆卸越障裝置。

（3）速度控制方面

電動平衡走線車在速度控制方面利用數(shù)字電路進(jìn)行正弦波矢量控制，并通過電流+速度閉環(huán)控制算法來達(dá)到電機(jī)控制的目的，同時利用三檔限速來確保電流之間的高功率與低功率穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，使電動平衡走線車在行走、上坡、下坡過程中能夠保持穩(wěn)定的速度。

（4）功能拓展方面

該電動平衡走線車具備強(qiáng)大的功能拓展功能，其既可充當(dāng)傳統(tǒng)的巡檢工具，也可連接更多的拓展程序，或是結(jié)合遙控器材來進(jìn)行無人巡檢。