基于無線遙控技術(shù)的配電網(wǎng)帶電作業(yè)工具

張耀月

(廈門大學(xué)馬來西亞分校, 馬來西亞 雪蘭莪州 43900)

0 引言

中低壓配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、配電設(shè)施密集且相間及對(duì)地距離較小，同桿高低壓或多回架設(shè)較多，使帶電作業(yè)范圍非常狹小，作業(yè)時(shí)極易造成觸碰不同電位或其他帶電設(shè)備。

目前，國內(nèi)采用的配電線路帶電作業(yè)有地電位法、中間電位法或等電位法；按照絕緣方式可分為直接作業(yè)法(絕緣手套作業(yè)法)和間接作業(yè)法(絕緣桿作業(yè)方法)。在帶電作業(yè)開展初期，由于個(gè)人安全防護(hù)用具的限制，間接作業(yè)法較為普遍，但也因?yàn)榻^緣操作工具靈活性差、有效性不夠、功能單一等因素，不能較好地實(shí)現(xiàn)作業(yè)意圖及完成復(fù)雜的作業(yè)項(xiàng)目。

隨著絕緣服、絕緣手套、絕緣帽等防護(hù)工具的使用，特別是絕緣斗臂車、絕緣梯或其他絕緣平臺(tái)的引入，直接作業(yè)法因運(yùn)用靈活、作業(yè)方便、勞動(dòng)強(qiáng)度小、工藝質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，得以迅速推廣應(yīng)用。

然而，配電網(wǎng)不停電作業(yè)受人員作業(yè)思維、技能素質(zhì)、線路結(jié)構(gòu)等諸多因素影響，以及供電可靠性的提高和用戶對(duì)連續(xù)供電的需求，現(xiàn)有帶電作業(yè)法的局限性愈加凸顯。因此，研制一種安全性更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的配網(wǎng)帶電作業(yè)成套工具勢(shì)在必行。

1 工作原理及方案

無線遙控帶電作業(yè)工具綜合各類作業(yè)方法并融入電動(dòng)液壓技術(shù)、不停電作業(yè)技術(shù)和遙控操作技術(shù)。該多功能組合工具由快速接頭、絕緣油管、操作桿、輔助操作桿和遙控器組成。

電池容量4.0 Ah，電壓14.4 V，充電時(shí)間2 h，采取槽式、按壓鎖扣方式與電動(dòng)工具連接；采用遠(yuǎn)程無線遙控方式，其操作桿電壓等級(jí)為35 kV，絕緣桿材質(zhì)為環(huán)氧樹脂。

該工具的絕緣油管下端連接無線遙控液壓泵，通過絕緣高壓軟管提供油壓，快速接頭聯(lián)接頂部不同類型的操作件，可實(shí)現(xiàn)各類不停電作業(yè)，有效解決人工作業(yè)的缺陷和局限性，顯著提升帶電作業(yè)效率及帶電作業(yè)技術(shù)水平，提高帶電作業(yè)的安全性。

1.1 無線通信技術(shù)分析

目前，使用較廣泛的近距無線通信技術(shù)有藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)和紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)。同時(shí)，還有ZigBee、超寬頻(Ultra WideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等發(fā)展?jié)摿^大的通信技術(shù)。

無線通信的干擾主要分為多址干擾、共道干擾以及碼間串?dāng)_等3大類。對(duì)無線通信自身而言，外界干擾只有在特定頻帶和調(diào)制方式時(shí)才會(huì)造成影響。跳頻技術(shù)應(yīng)用較早，其抗干擾效果較好，主要應(yīng)用在微波、毫米波段等民用無線通信，引入自適應(yīng)技術(shù)后抗干擾能力更加強(qiáng)大。

(1) 擴(kuò)頻技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)可以把信號(hào)隱藏在噪聲中，采用很寬的頻帶形成偽噪聲通信，對(duì)窄帶干擾具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

(2) 快速跳頻?？焖偬l是對(duì)抗中、低速跳頻通信易受跟蹤式干擾的一種技術(shù)，它能有效對(duì)抗跟蹤式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，能消除寬帶移動(dòng)中多徑效應(yīng)造成的不利影響，大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。

(3) 多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)。MIMO技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新技術(shù)，通過多個(gè)發(fā)射天線在發(fā)射端傳送信號(hào)，接收端使用多個(gè)接收天線接收信號(hào)，極大提高了通信容量。

(4) 虛擬智能天線技術(shù)。智能天線技術(shù)相對(duì)成熟，一個(gè)智能天線可以抑制多個(gè)方向的干擾信號(hào)，該技術(shù)的核心是多通道信號(hào)處理和交互。

(5) 軟件無線電技術(shù)。該技術(shù)是通過網(wǎng)絡(luò)加載實(shí)現(xiàn)各種通信功能，是各種電臺(tái)互聯(lián)互通的無線網(wǎng)關(guān)，是空中轉(zhuǎn)信的多功能平臺(tái)，可進(jìn)行智能化通信與電子對(duì)抗。

綜上，無線通信的難題不只是抗干擾信號(hào)處理，而是多元技術(shù)集成、綜合抗干擾技術(shù)應(yīng)用，無線信號(hào)交叉疊加，可充分發(fā)揮各類通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長避短，比如，基于傳輸速度、距離、耗電量等特殊要求，或著眼于功能的擴(kuò)充性，或符合某些單一應(yīng)用的特別要求，或建立競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的差異化等。

1.2 抗干擾技術(shù)分析

(1)利用屏蔽技術(shù)。采用電纜屏蔽，屏蔽層電導(dǎo)為每相導(dǎo)線芯電導(dǎo)的1/10及以下，且可靠接地。

(2)利用接地技術(shù)。所有設(shè)備接地良好，地線直接接地或連接到變頻器接地端子(PE)上。

(3)利用濾波技術(shù)。利用進(jìn)線電抗器降低諧波，對(duì)噪聲敏感的運(yùn)行環(huán)境，采用FIR濾波器減小輻射干擾。

(4) 選用磁環(huán)材料。磁環(huán)選用鎳鋅鐵氧體或錳鋅鐵氧體材質(zhì)，可以抑制頻段較寬的干擾信號(hào)。

(5) 開關(guān)電源電磁干擾的抑制措施。開關(guān)電源電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。

① 傳導(dǎo)干擾經(jīng)電網(wǎng)傳播，會(huì)對(duì)其他電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。常用的抑制方法有緩沖器法、減少耦合路徑法、減少寄生元件法等。

② 輻射干擾又分為近場(chǎng)干擾(測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離＜λ/σ)和遠(yuǎn)場(chǎng)干擾(測(cè)量點(diǎn)與場(chǎng)源距離＞λ/σ)。其中，λ為干擾電磁波波長，σ為媒質(zhì)的電導(dǎo)率。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，導(dǎo)體中的電流會(huì)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)。干擾受開關(guān)頻率影響，干擾的能量集中在離散的開關(guān)頻率點(diǎn)上。通過將開關(guān)信號(hào)的能量調(diào)制分布在較寬的頻帶上，產(chǎn)生分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上以符合EMI標(biāo)準(zhǔn)。

(6) 共模干擾抑制措施。傳導(dǎo)干擾可分為共模(CM)干擾和常模(DM)干擾。主要抑制方法有優(yōu)化電路元器件布置、延緩開關(guān)的通斷時(shí)間、應(yīng)用緩沖電路減小電壓上升(速)率(dv/dt)等。

1.3 設(shè)計(jì)方案

研制不停電作業(yè)多功能組合成套工具，主要涉及動(dòng)力機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)、連接件、操作件和遙控器等。

(1) 主絕緣材料采用環(huán)氧樹脂材料，承力材料采用金屬材質(zhì)，接頭金具采用合金材質(zhì)，滿足絕緣和強(qiáng)度需要。

(2) 采用高頻鎖碼技術(shù)及雙頻互鎖自動(dòng)復(fù)核方案，并采用電磁屏蔽效果較好的鋁合金材料作屏蔽體，將主要元器件屏蔽，達(dá)到防干擾和防誤操作的目的，確保準(zhǔn)確接收和傳達(dá)作業(yè)人員的遙控指令。

(3) 采用超外差無線接收模塊進(jìn)行電磁干擾屏蔽，應(yīng)用積分分離PID控制算法進(jìn)行電流閉環(huán)控制，以減小外部擾動(dòng)的影響。

(4) 采用高強(qiáng)度絕緣油管，配合無線遙控電動(dòng)油泵，為所掛載的模塊化操作件提供動(dòng)能。

根據(jù)上述要求，分析不同工作形式和各類作業(yè)場(chǎng)景，完成帶電作業(yè)多功能組合成套工具設(shè)計(jì)圖紙。

2 成果分析

2.1 性能分析

按設(shè)計(jì)圖紙加工制作，并在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多次試用，根據(jù)試用情況進(jìn)一步改進(jìn)、完善，完成多功能組合成套工具研制。

(1) 絕緣操作桿。由快速接頭、絕緣油管、操作桿、輔助操作桿及遙控器組成，其中絕緣油管下端連接無線遙控液壓泵，通過絕緣高壓軟管提供動(dòng)能，快速接頭聯(lián)接不同型號(hào)接頭，用于不同作業(yè)場(chǎng)所。絕緣桿的承力部件采用鋁合金材質(zhì)，操作桿長1.8 m，絕緣油管長5 m，另配2 m可伸縮式輔助操作桿。

(2) 絕緣軟管。作為主要的連接機(jī)構(gòu)，分別連接操作桿、電動(dòng)液壓油泵和遙控器，可隨意調(diào)節(jié)長度。采用環(huán)氧樹脂材料，具有良好的物理和化學(xué)性能，變形收縮率小，穩(wěn)定性好，硬度高，柔韌性好。

(3) 快速接頭。快速接頭安裝在絕緣軟管的頂端，用于連接壓線鉗、剪線鉗、破拆器等帶電作業(yè)操作件。

(4) 彈簧式金屬快速接頭。彈簧式接頭安裝在絕緣軟管的底端，用于連接電動(dòng)液壓油泵。

(5) 帶電作業(yè)操作件。操作件是多功能組合工具的核心部件，主要有電動(dòng)壓線鉗、電動(dòng)剪線鉗、分體式螺母破拆器、沖孔工具等四類。

① 電動(dòng)壓線鉗。采用高壓油液壓遠(yuǎn)方遙控操作方式，同時(shí)配置各種線夾壓接模具。壓接重力可達(dá)180 kN，壓接尺寸為16～400 mm2，行程42 mm，自重1.6 kg，具有自動(dòng)卸壓、省時(shí)省力、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

② 電動(dòng)剪線鉗。采用液壓遠(yuǎn)方遙控工作方式，剪切能力為275 kN，剪切范圍為35～300 mm2鋼芯鋁絞線，自重1.5 kg。具有切口整齊、刀片可調(diào)換、高效耐用等特點(diǎn)。

③ 分體式螺母破拆器。最大出力294 kN，破切范圍M10～M24螺母，自重1.3 kg，采用液壓遙控工作方式，破切頭可360°旋轉(zhuǎn)。具有操作靈活、高效耐用、安全可靠等特點(diǎn)。

④ 沖孔工具。模具采用高碳鎢合金，沖壓出力392 kN，沖孔范圍φ6.2～20.5 mm，喉深65 mm，行程62 mm，自重1.3 kg，適用于沖壓3～12 mm厚的各種鋁板或銅板，具有單孔回油、一鍵復(fù)位、操作靈活、偏差率小、不易破損等特點(diǎn)。

2.2 安全性

對(duì)組合成套工具進(jìn)行電氣試驗(yàn)、機(jī)械試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。型式試驗(yàn)在每個(gè)部件定型前逐一進(jìn)行，各項(xiàng)試驗(yàn)均合格。按照規(guī)定，對(duì)多功能組合工具進(jìn)行整體工頻耐壓試驗(yàn)和靜負(fù)荷試驗(yàn)。

(1) 工頻耐壓試驗(yàn)。在絕緣配件(絕緣油管、絕緣作業(yè)桿)上施加工頻耐壓102.3 kV/1 min，試驗(yàn)距離為0.4 m，試驗(yàn)合格。

(2) 靜負(fù)荷試驗(yàn)。施加重力2.32 kN/5 min，各部件無損傷，無變形或裂紋。

2.3 創(chuàng)新性

(1) 充分融合電動(dòng)作業(yè)、液壓動(dòng)力和無線遙控技術(shù)，創(chuàng)新性提出絕緣操作桿作業(yè)法，利用主輔作業(yè)桿和不同類型操作件，實(shí)現(xiàn)各類不停電作業(yè)。

(2) 具有無線遙控功能，采用高頻鎖碼技術(shù)及雙頻互鎖自動(dòng)復(fù)核方案，主要元件采用電磁屏蔽，可以消除超高壓、特高壓線路周圍電磁場(chǎng)對(duì)附近配電網(wǎng)帶電作業(yè)的影響。

2.4 實(shí)用性

2020年11月，選調(diào)4名具有帶電作業(yè)資格的技師，開展10 kV線路常規(guī)帶電檢修組合操作，在預(yù)定時(shí)間完成了所有工作任務(wù)。

從應(yīng)用情況來看，該項(xiàng)目綜合了現(xiàn)階段國內(nèi)10 kV配電網(wǎng)絕緣桿作業(yè)法、絕緣手套作業(yè)與綜合作業(yè)法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)融入電動(dòng)液壓技術(shù)、不停電作業(yè)技術(shù)和遙控操作技術(shù)，工具大小、重量適中，安全性、實(shí)用性、適用性、便攜性、簡便性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，功能齊全，應(yīng)用可靠。

2.5 效益分析

該工具采用液壓動(dòng)力系統(tǒng)和無線電動(dòng)遙控技術(shù)，有效拓展了配電網(wǎng)帶電作業(yè)類型，尤其適合開展較為復(fù)雜的帶電作業(yè)，可減少線路重復(fù)停電，有效解決了傳統(tǒng)手動(dòng)和電動(dòng)作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)場(chǎng)所局限大等“短板”，提高了帶電作業(yè)效率和安全性，擴(kuò)大了帶電作業(yè)普及率。

3 結(jié)論

(1) 基于無線遙控技術(shù)的配電網(wǎng)帶電作業(yè)工具充分利用無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模塊化作業(yè)。

(2) 采用無線遙控操作完成常規(guī)帶電作業(yè)，融合了絕緣桿作業(yè)法、絕緣手套作業(yè)和綜合作業(yè)法的優(yōu)點(diǎn)。

(3) 融入電動(dòng)液壓技術(shù)、不停電作業(yè)技術(shù)和遙控操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了帶電作業(yè)實(shí)用化、標(biāo)準(zhǔn)化、精益化。

(4) 針對(duì)市場(chǎng)需求多樣化特點(diǎn)，創(chuàng)造性提出了各個(gè)部件矩陣模塊化思路，建立了模塊功能劃分方法，實(shí)現(xiàn)功能需求和市場(chǎng)需求相互關(guān)聯(lián)、相互聯(lián)動(dòng)。