一種輸電線路絕緣修復裝置

陳凌峰， 葉成彬， 吳淑樺， 李安娜， 陳賢鈺

(廣州城市理工學院， 廣東， 廣州 510800)

0 引言

輸電線路在整個輸配電系統(tǒng)中承擔著重要的輸送電能作用，輸電線路的正常運行是保障用戶正常用電的重要因素之一，而輸電線路絕緣的損壞是影響線路正常工作的原因之一[1]。

特別地，從輸電線路走向而言，一些類似樹木、雜物或者樓房等接近絕緣輸電線時，因一些惡劣天氣或者環(huán)境的影響，容易發(fā)生由輸電線絕緣破損處通過類似樹木等物體與地構成接地短路，從而危及系統(tǒng)運行。全部更換出現(xiàn)絕緣損壞的輸電線，顯然不太現(xiàn)實，且如今不停電作業(yè)已成一大趨勢，對輸電線維護工作提出更高的要求。帶電作業(yè)，降低輸電線絕緣修復的難度，提高維保人員工作效率，節(jié)約維修時間和人員成本，延長配電線路運行的壽命，使輸電線維修過程更加安全、可靠、經(jīng)濟，是本輸電線路絕緣修復裝置研究的目的[2]。

1 總體設計方案

輸電線路絕緣修復裝置主要包括輸電線路絕緣修復執(zhí)行機構和遙控器。絕緣修復執(zhí)行機構包括修復執(zhí)行機械結構、電子裝置控制模塊等，其中修復執(zhí)行機械結構包括絕緣膠布包扎裝置、機械手和絕緣膠布收尾裝置，而電子裝置控制模塊包括單片機、42步進電機驅動模塊、42步進電機、圖像無線傳輸模塊和無線通信模塊。遙控器包括單片機、無線通信模塊、圖像無線傳輸模塊以及功能按鍵模塊等[3-4]。輸電線路絕緣修復裝置總體設計方案如圖1所示。

圖1 輸電線路絕緣修復裝置總體設計方案

2 絕緣修復裝置硬件設計

2.1 絕緣膠布包裹裝置的機械結構設計

絕緣膠布包裹裝置是修復裝置實現(xiàn)修復動作的核心執(zhí)行機械機構，而該裝置分別由旋轉包扎結構體和絕緣膠布切割結構體2部分組成，裝置組成見表1。

表1 旋轉包扎裝置、膠布切割裝置組成表

2.1.1 旋轉包扎結構體

旋轉包扎結構體包括環(huán)形缺口齒輪、絕緣膠布托架、絕緣膠布導向輪、絕緣膠布防反轉裝置[12]。

(1) 環(huán)形缺口齒輪

環(huán)形缺口齒輪，即在一個環(huán)形齒輪上切開一個相應尺寸的缺口，該缺口使得待修復絕緣輸電線通過此缺口直接進入絕緣膠布包裹區(qū)域(即缺口齒輪中心軸線)。缺口齒輪如圖2所示。

圖2 缺口齒輪

(2) 絕緣膠托架與絕緣膠布導向輪

絕緣膠布托架是用于放置絕緣膠布的裝置，該絕緣膠布托架在外力作用下可進行旋轉，以提高絕緣膠布輸出順暢性。絕緣膠布導向輪安裝在絕緣膠布導輪座上，絕緣膠布導向輪的作用是引導絕緣膠布的輸出方向。絕緣膠布導輪座可受外力作用進行旋轉，且具有一定的回彈力，回彈力使得絕緣膠布導向輪始終保持緊挨著缺口齒輪的中心軸線的狀態(tài)，以保證絕緣膠布時刻緊緊貼在中心軸線的待修復絕緣的輸電線上。膠布座與膠布導輪如圖3所示。

圖3 絕緣膠布座和絕緣膠布導輪

(3) 絕緣膠布防反轉裝置

絕緣膠布防反轉裝置旨在保證缺口齒輪發(fā)生反向轉動時，該裝置的擋針能夠與絕緣膠布導輪座的尾部進行接觸，從而實現(xiàn)堵轉的效果，此時絕緣膠布處于緊繃拉直狀態(tài)。絕緣防倒轉裝置如圖4所示。

圖4 絕緣防倒轉裝置

2.1.2 絕緣膠布切割結構體

絕緣膠布切割結構體主要包括絕緣膠布切割刀、絕緣膠布切割刀座、絕緣膠布壓板3部分。絕緣膠布切割結構體如圖5所示。

(1) 絕緣膠布切割刀

切割刀安裝在移動刀架上，切割刀外形類似等腰三角形，兩等長的刀刃和刀尖十分尖銳，可快速切斷或扎穿絕緣膠布。

(2) 絕緣膠布切割刀座

絕緣膠布切割刀座用于裝載切割刀，并能夠隨著導軌和絲桿的方向前后移動。

(3) 絕緣膠布壓板

絕緣膠布壓板安裝在移動刀座的后方，且具有指向絕緣膠布導輪的回彈力。

圖5 絕緣膠布切割結構體

2.2 絕緣膠布包裹裝置的工作原理

絕緣膠布包裹裝置工作時，第一步，環(huán)形缺口齒輪的缺口朝向必須向下，如圖6所示。待修復絕緣的輸電線通過環(huán)形缺口齒輪進入修復區(qū)域的中心軸線上，因絕緣膠布托架和絕緣膠布導輪座是安裝在環(huán)形缺口齒輪上的，所以當環(huán)形缺口齒輪發(fā)生轉動時，絕緣膠布托架、絕緣膠布導輪座和絕緣膠布導向輪跟著轉動，絕緣膠布導向輪會把絕緣膠布緊緊壓在待修復絕緣的輸電線上，并沿著輸電線進行360°滾動，以此把絕緣膠布包裹到輸電線上[5-7]。

圖6 絕緣修復裝置修復第一步

當輸電線絕緣膠布包裹完成后，即進入絕緣膠布切割環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)需要整個絕緣修復裝置多個結構部件聯(lián)動動作。第二步，將環(huán)形缺口齒輪逆時針轉動至缺口向上，移動絕緣膠布切割刀座至其最左端(切割刀安裝在刀座上)[12]，如圖7所示。

圖7 絕緣修復裝置修復第二步

第三步，將環(huán)形缺口齒輪順時針轉動至缺口向下，由于防倒轉裝置的存在(防倒轉裝置在缺口齒輪順時針旋轉時會擋住膠布導輪座的尾部，使膠布導輪座逆時針旋轉)使得膠布導輪與絕緣導線分離，如圖8所示。

圖8 絕緣修復裝置修復第三步

第四步，將絕緣膠布切割刀座向右移動，以至切斷絕緣膠布。由于絕緣膠布切割刀座的左方存在絕緣膠布壓板(絕緣膠布壓板安裝在移動刀座的左方，且具有一定的向上回彈力)，絕緣膠布壓板把絕緣膠布的斷口壓在導輪上，防止絕緣膠布斷口走位，方便下一輪的絕緣膠布包裹工作[12]。當輸電線需要進行絕緣膠布包裹時，只要把絕緣膠布壓板往右撤離，與此同時，缺口齒輪逆時針旋轉，絕緣膠布導輪便可把絕緣膠布重新壓到輸電線上，從而繼續(xù)下一輪的輸電線絕緣包裹工作，如圖9所示。

圖9 絕緣修復裝置修復第四步

2.3 絕緣修復裝置的硬件電路設計

2.3.1 絕緣修復執(zhí)行裝置的硬件電路設計

絕緣修復執(zhí)行裝置的硬件主要包括STC15W4K系列單片機、NRF無線通信模塊、L298N電機驅動模塊等，主要實現(xiàn)無線遙控及根據(jù)相關指令進行絕緣修復動作。

STC15W4K系列單片機具備增強型8051內(nèi)核，4 000 B RAM數(shù)據(jù)存儲空間，16 000～635 000 B程序存儲空間， 8個定時器，5路高精度PWM，4個UART異步串行通信端口、1個SPI同步串行通信端口等。

NRF24L01是一款具有6個自動應答、自動重發(fā)和地址通信通道，內(nèi)置硬件鏈路層和增強型ShockBurstTM的FGSK單片式收發(fā)無線通信芯片。1 M～2 Mbit/s無線速率，125個可選工作頻道， 0～8 Mbit/s速率的SPI同步串行通信接口與其內(nèi)部FIFO先進先出數(shù)據(jù)緩沖器配合，可與大部分高低速微處理器進行通信[8-11]。

L298N電機驅動模塊具有雙路H橋驅動工作模式，輸入電源電壓為5～35 V，控制信號邏輯電壓為0/5 V，最大驅動電流2 A，4路邏輯電平控制信號輸入端，2路邏輯電平使能信號輸入端，大容量濾波電容和續(xù)流二極管具備較強的可靠性。

絕緣修復裝置執(zhí)行機構的硬件電路經(jīng)直流降壓模塊LM7805將12 V可充電式鋰電池電壓降至穩(wěn)定的5 V電壓，從而向單片機、無線通信模塊、電機驅動模塊等供電。單片機使用其內(nèi)置的1路硬件同步串行通信SPI接口和通信方式與無線通信模塊SPI接口進行連接，多個普通準雙向I/O口分別與電機驅動模塊邏輯電平信號端連接[12]。絕緣修復裝置執(zhí)行機構的硬件電路設計如圖10所示。

圖10 絕緣修復裝置執(zhí)行機構的硬件電路

2.3.2 絕緣修復裝置遙控器的硬件電路設計

絕緣修復裝置遙控器的硬件電路中經(jīng)直流降壓模塊LM7805將9 V可充電式鋰電池電壓降至穩(wěn)定的5 V電壓，以向單片機、無線通信模塊、功能按鍵模塊等供電。單片機使用其內(nèi)置的1路硬件同步串行通信SPI接口和通信方式與無線通信模塊接口進行連接，多個普通準雙向I/O口分別與功能按鍵模塊連接[12]。絕緣修復裝置遙控器的硬件電路設計如圖11所示。

圖11 絕緣修復裝置遙控器的硬件電路

3 絕緣修復裝置軟件設計

3.1 絕緣修復裝置執(zhí)行機構的主程序設計

絕緣修復裝置執(zhí)行機構主要具備以下功能：① 單片機通過硬件SPI接口及其通信方式對無線通信模塊的通信地址、工作頻率、通信通道、工作模式等進行初始化設置；② 無線通信模塊通過指定的通信地址、信道等方式實時接收遙控器的相關指令數(shù)據(jù)；③ 單片機根據(jù)接收到的指令數(shù)據(jù)，經(jīng)相應算法計算后向步進電機模塊輸出相應的控制信號，實現(xiàn)絕緣修復執(zhí)行機構在輸電線上的行走、受損絕緣區(qū)域包扎絕緣膠布等動作。

絕緣修復裝置執(zhí)行機構主程序設計思路：單片機上電復位后對其相應的I/O口配置為準雙向口工作模式，配置定時器T0工作方式和初始值，配置無線通信模塊通信地址、通道、頻率等，絕緣膠布包裹裝置機械結構體自檢復位，實時檢測和判斷無線通信模塊是否接收到新的指令數(shù)據(jù)，并對新的數(shù)據(jù)進行運算得出相應的執(zhí)行動作的控制信號[12]。絕緣修復裝置執(zhí)行機構主程序設計流程如圖12所示。

圖12 絕緣修裝置執(zhí)行機構的主程序設計流程

3.2 遙控器的主程序設計

遙控器主要具備以下3點功能：① 單片機通過硬件SPI接口及其通信方式對無線通信模塊的通信地址、工作頻率、通信通道、工作模式等進行初始化設置；② 單片機使用中斷次數(shù)累計延時掃描法消除功能按鍵被按下時產(chǎn)生的抖動信號，以準確判斷功能按鍵狀態(tài)；③ 無線通信模塊根據(jù)將相關功能按鍵的狀態(tài)，實時更新向絕緣修復裝置執(zhí)行機構發(fā)送相關命令數(shù)據(jù)。

遙控器主程序設計思路如下。單片機上電復位后對其相應的I/O口配置為準雙向口工作模式，配置定時器工作方式和初始值，配置無線通信模塊通信地址、通道、頻率等，在定時器中斷服務程序中實時檢測功能按鍵狀態(tài)，當功能按鍵狀態(tài)發(fā)生變化時，通過無線通信模塊發(fā)送對應的功能指令數(shù)據(jù)[12]。遙控器主程序設計流程如圖13所示。

圖13 遙控器主程序流程

4 實驗與分析

絕緣修復裝置執(zhí)行機構樣機與遙控器分別如圖14、圖15所示。

圖14 掛在導線上的修復裝置執(zhí)行機構

圖15 遙控器按鍵功能圖

遙控器中各個功能按鍵名稱如圖15所示，其中有控制絕緣修復裝置執(zhí)行機構上升和下降，向前和向后行走，絕緣膠布開始包扎，包扎3圈(默認3圈，每按下1次增加3圈)，割斷絕緣膠布，撫平絕緣膠布切割接口以增強包裹效果，使絕緣膠布與電線貼合更緊密。

根據(jù)實際測試修復裝置第一代樣機已經(jīng)完成，且能夠實現(xiàn)預期功能。樣機尚處于實驗測試階段，有很多改進空間。修復裝置輕量化、小型化是一個大的改進方向，也需要后期不斷探索、改進以及測試驗證。

5 總結

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，用戶對供電可靠性需求不斷提高，為避免工作人員帶電作業(yè)出現(xiàn)危險，配電線路絕緣維修工作需要智能化裝置的加入。本文所提出的一種配電線路絕緣修復裝置旨在希望進一步減輕數(shù)電線路維保工作人員的工作量，提供安全可靠的工作環(huán)境，降低維修的時間和人力成本，使維修過程更加安全、可靠、經(jīng)濟，同時為輸電線路絕緣修復實現(xiàn)智能化技術的發(fā)展提供參考。