基于自適應(yīng)110kV 皺紋鋁套電纜外形的外護套半導(dǎo)電層剝除設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用

趙志棟 徐 鴿 張冠軍 衣曉波

(1.北京電力工程有限公司 2.南京漢啟智能科技有限公司)

0 引言

電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模支撐了經(jīng)濟社會發(fā)展需要, 隨著經(jīng)濟的不斷持續(xù)增長, 作為電力傳輸和分配重要組成部分-電纜的需求量也呈高速增長模式, 特別在負荷密集度的大城市, 電力電纜的環(huán)保優(yōu)勢更加明顯。高壓電力電纜為了保證大容量、遠距離的傳輸, 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 主要由線芯(導(dǎo)體)、絕緣層、屏蔽層和外保護套等部分組成, 外保護套厚實堅韌[1]。在電纜附件制作安裝過程中, 施工人員需要剝除一定長度電纜外護套上的半導(dǎo)電層, 以便進行外護套耐壓試驗, 以保證電纜接地系統(tǒng)的完好。目前110kV 電纜金屬屏蔽主要分為皺紋鋁套、平鋁套、鉛套三種, 而皺紋鋁套電纜在北京地區(qū)電纜工程所占比例為95%以上。平鋁套、鉛套電纜外護套表面平滑, 易于剝除外護套半導(dǎo)電層, 而皺紋護套電纜的外形類似正弦曲線, 分為波峰和波谷, 波峰、波谷交錯, 增加了電纜外護套半導(dǎo)電層的剝除難度。目前剝除方式主要有兩種: 一種是通過人工方式用玻璃片刮除外半導(dǎo)電層, 該方法簡單容易操作, 使用比較廣泛, 但便利的同時, 也存在明顯的不足, 如效率低下, 人工操作導(dǎo)致外護套表面不均勻, 端口不平齊, 并存在一定的安全隱患; 二是使用電刨子剝除外半導(dǎo)電層, 由于電纜外護套呈現(xiàn)波紋狀, 每一個圓周波峰、波谷交錯呈現(xiàn), 這種方法容易導(dǎo)致外半導(dǎo)電層被剝除的厚度或深或淺, 過淺難以完全剝除外半導(dǎo)電層, 過深減小了外護套的耐壓等級,從而影響耐壓試驗[2]。

因此, 針對110kV 皺紋鋁套電力電纜附件安裝過程中剝除外半導(dǎo)電層的處理工藝和質(zhì)量缺陷, 結(jié)合電纜施工中對接頭耐壓試驗的需求, 尋求更行之有效的解決措施, 提高施工效率, 降低勞動強度, 有必要研究一種可調(diào)節(jié)的外半導(dǎo)電層剝除設(shè)備, 自動檢測、跟蹤電纜外半導(dǎo)輪廓形狀, 實時自動控制切削刀片的切削深度, 按照波峰、波谷的尺寸變化進行半導(dǎo)電層的精確剝除[3-5]。

1 資料收集

近年來北京地區(qū)110kV 電纜工程中使用的皺紋鋁套電纜按照截面主要包括400mm2和800mm2兩種, 此剝除設(shè)備的使用對象限定為400-800mm2皺紋鋁套電纜。

通過對近年來110kV 電纜工程中不同生產(chǎn)廠家電纜技術(shù)參數(shù)進行梳理, 得出以下數(shù)據(jù):

400mm2皺紋鋁套電纜整體外徑范圍為85 -100mm, 外護套厚度為4.0mm, 材料為紅色阻燃聚氯乙烯, 外護套半導(dǎo)電層厚度為0.2 -0.5mm, 采用擠包工藝, 顏色以黑色為主。

800mm2皺紋鋁套電纜整體外徑范圍為95 -108mm, 外護套厚度為4.5mm, 材料為紅色阻燃聚氯乙烯, 外護套半導(dǎo)電層厚度為0.2 -0.5mm, 采用擠包工藝, 顏色以黑色為主。

通過對多個電纜附件廠家GIS 終端、中間接頭、戶外終端的工藝圖紙進行統(tǒng)計, 得出電纜外護套半導(dǎo)電層剝除長度范圍為130-500mm, 普遍長度為200-300mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù), 確定剝除設(shè)備的主要功能參數(shù):剝除長度200 -300mm, 剝除厚度0.2 -1mm。

2 整體設(shè)計思路

剝除設(shè)備采用模塊化設(shè)計, 根據(jù)實現(xiàn)功能的要求,主要分為切削模塊、行走執(zhí)行模塊、快速固定模塊等。

切削模塊是本設(shè)備的核心部分, 根據(jù)皺紋鋁套電纜的外形特點以及剝除要求, 剝除半導(dǎo)電層的思路是制作一種能夠沿電纜表面做圓周運動, 同時還能夠沿電纜縱向運動的切削模塊。為了保證切削的精度, 切削模塊設(shè)置激光測量傳感器能夠隨著刀片的運動不斷測量電纜表面的高度信息, 控制系統(tǒng)根據(jù)測量到的數(shù)值變化調(diào)整刀片的深度, 使得刀片在沿電纜做圓周運動時, 能夠不斷調(diào)整相對電纜的高度, 使得刀片一直緊貼電纜表面進行剝除作業(yè)。

切削模塊同快速固定模塊、行走執(zhí)行模塊等功能單元之間采用精密匹配的機械電氣技術(shù), 實現(xiàn)機電一體化。設(shè)備運用先進的PLC 全數(shù)字化控制系統(tǒng)與無線數(shù)控技術(shù), 激光測量系統(tǒng)與高精度絲桿驅(qū)動機構(gòu), 實現(xiàn)對加工過程的自動控制、高精度檢測與驅(qū)動執(zhí)行。這種集機械制造、電氣自動化與光電技術(shù)為一體的設(shè)計思路, 發(fā)揮各技術(shù)的最大效能, 達到設(shè)備自動化程度高、智能化水平高、結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊合理、性能指標優(yōu)異的技術(shù)效果。

3 各模塊設(shè)計

3.1 切削模塊設(shè)計

切削模塊是設(shè)備的核心部件, 主要功能為實現(xiàn)電纜外護套半導(dǎo)電層的精確剝除, 為了實現(xiàn)該功能, 需與精確測量技術(shù)相匹配, 切削時作圓周運動的過程中實現(xiàn)精確剝除, 主要由安裝板、絲桿驅(qū)動機構(gòu)、直線運動機構(gòu)、測量與控制系統(tǒng)和切削機構(gòu)組成。如圖1所示。

安裝板上安裝有縱向絲桿電機組、徑向絲桿電機組、直線導(dǎo)軌、激光測量裝置和切削刀片等?？v向絲桿電機組驅(qū)動絲桿螺母沿縱向直線導(dǎo)軌移動, 用于調(diào)節(jié)刀片與激光測量裝置的相對位置。徑向絲桿電機組驅(qū)動絲桿螺母沿徑向直線導(dǎo)軌移動, 帶動切削刀片和激光測量裝置相對電纜徑向運動, 實現(xiàn)隨電纜波紋形狀變化而位置變化。

本設(shè)備由于測量距離相對較短、測量精度要求比較高, 所以采用三角測量法的激光位移傳感器。激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面,經(jīng)物體表面散射的激光通過接收器鏡頭, 被內(nèi)部的CCD 線性相機接收, 根據(jù)不同的距離, CCD 線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離, 數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離(如圖2 所示)。

半導(dǎo)體激光器1 被鏡片2 聚焦到被測物體6。反射光被鏡片3 收集, 投射到CCD 陣列4 上; 信號處理器5 通過三角函數(shù)計算陣列4 上的光點位置得到距物體的距離。

3.2 其他模塊設(shè)計

快速固定模塊通過機械鎖緊機構(gòu)將電纜牢固錨定, 保證電纜軸心與切削刀盤同心。行走執(zhí)行模塊安裝在地面, 采用兩根絲桿和兩根導(dǎo)向柱將快速固定模塊的移動平臺與驅(qū)動電機連接。切削模塊采用快速插銷固定在移動刀盤上, 刀片按測量要求可快速更換。

在工作過程中, 首先根據(jù)剝離層厚度設(shè)定程序控制參數(shù)。然后電機驅(qū)動兩根絲桿轉(zhuǎn)動, 帶動移動刀盤縱向移動, 同時刀片模塊跟隨圓周運動。刀片模塊對電纜外護套進行連續(xù)測量與切削, 能自適應(yīng)電纜形狀變化, 實現(xiàn)半導(dǎo)電層的連續(xù)剝離。

整個設(shè)備模塊化設(shè)計合理, 運動機構(gòu)采用絲桿滑塊機構(gòu), 機電一體化控制, 具有構(gòu)造簡單、運動精度高、自動化程度高的優(yōu)點。模塊之間采用快速裝拆連接, 便于檢修與刀片更換。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示。

3.3 自動檢測模塊結(jié)構(gòu)及程序控制設(shè)計

激光測量裝置不斷檢測電纜外形, 將信息反饋至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)計算絲桿電機轉(zhuǎn)動量, 精確控制絲桿螺母在直線導(dǎo)軌上的移動, 從而驅(qū)動切削刀片根據(jù)電纜形狀準確切削。

整個切削模塊采用絲桿驅(qū)動機構(gòu)、直線運動機構(gòu)和先進的測量與控制系統(tǒng), 實現(xiàn)了高精度的電纜形狀檢測與自動適應(yīng)切削, 機電一體化程度高, 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理緊湊, 是設(shè)備性能的關(guān)鍵所在。模塊采用快速拆裝連接, 方便檢修和刀片更換。

設(shè)備采用PLC 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制與監(jiān)測。激光測量傳感器實時檢測電纜外護套表面形狀, 將波峰波谷位置信息反饋至PLC。PLC 根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算絲桿電機轉(zhuǎn)動量, 生成控制信號傳送至控制板, 控制板輸出驅(qū)動信號精確控制絲桿電機工作, 驅(qū)動切削刀片徑向運動, 實現(xiàn)與電纜形狀同步切削。

PLC 系統(tǒng)具有運算速度快、抗干擾能力強、易編程等優(yōu)點, 可靠性高, 適應(yīng)性強, 實現(xiàn)了對設(shè)備的精確控制與監(jiān)測。操作界面可以方便設(shè)置設(shè)備運行參數(shù)如速度、深度等, 并具有急停復(fù)位功能。設(shè)備采用無線數(shù)控技術(shù), 操作屏通過無線連接與PLC 通信, 方便設(shè)備運行監(jiān)控與參數(shù)設(shè)置。

絲桿電機采用交流伺服電機, 配合驅(qū)動器及編碼器, 實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速控制和定位控制。激光測量裝置采用先進的激光檢測技術(shù), 測量精度高, 響應(yīng)速度快, 可適應(yīng)高速運動的測量要求。

整個系統(tǒng)電氣部分采用PLC 自動控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、高性能的測量與執(zhí)行機構(gòu), 實現(xiàn)了對切削過程的精密控制與監(jiān)測, 運行穩(wěn)定可靠, 操作及維修方便, 設(shè)備自動化程度高, 具有控制精度高和系統(tǒng)集成度高等優(yōu)點。

4 自適應(yīng)外半導(dǎo)電層剝除設(shè)備實體

根據(jù)以上的設(shè)計思路, 本項目設(shè)計制作了自適應(yīng)高壓電力電纜波紋外護套外形的電纜外護套半導(dǎo)電層剝除設(shè)備。

該設(shè)備主要由縱向行走機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)刀盤機構(gòu)、刀片驅(qū)動模塊、激光測量模塊組成, 其中激光測量模塊集成在刀片驅(qū)動模塊內(nèi)。旋轉(zhuǎn)刀盤機構(gòu)帶動刀片驅(qū)動模塊沿電纜表面做圓周運動, 同時縱向行走機構(gòu)帶動刀盤機構(gòu)沿電纜縱向運動, 從而實現(xiàn)了刀片模塊沿電纜表面的縱向螺旋運動動作, 總體切削長度控制由行走機構(gòu)按設(shè)置數(shù)據(jù)執(zhí)行。

電纜表面為均勻的波紋形狀, 波紋螺距是一定的。激光測量點與刀片模塊的縱向距離可根據(jù)測量到的波紋螺距進行調(diào)整, 即激光測量點領(lǐng)先刀片一個螺距的距離。作業(yè)時, 激光測量模塊將實時測量到的數(shù)據(jù)傳輸給控制器, 控制器根據(jù)激光測量模塊傳遞的高度信息實時調(diào)整刀片的進刀深度, 保證刀片模塊根據(jù)電纜表面的高度變化自動調(diào)整, 數(shù)控實現(xiàn)一個根據(jù)激光測量數(shù)據(jù)實時調(diào)整刀片進刀深度的表面仿形切削動作, 從而保證在波紋狀電纜表面切削外半導(dǎo)電層厚度的一致性。如圖4 所示。

該設(shè)備研發(fā)思路堅持模塊化設(shè)計與機電一體化理念, 采用了PLC 控制系統(tǒng)、無線數(shù)控技術(shù)、先進的激光檢測與電機驅(qū)動技術(shù), 實現(xiàn)了對復(fù)雜加工過程的智能化監(jiān)測與優(yōu)質(zhì)控制。緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計使設(shè)備占地面積小, 使用維修方便, 有利于實現(xiàn)小型化和升級, 并大幅提高其市場競爭力和工作可靠性, 具有較高的研發(fā)創(chuàng)新性和使用價值。

5 應(yīng)用效果分析

測試選用110kV 電壓等級的800mm2電纜, 電纜外護套半導(dǎo)電層的厚度1mm, 剝除長度為300mm, 耐壓試驗合格要求為10kV, 1min, 分別采用人工和設(shè)備剝除進行對比。

5.1 剝除外觀

人工剝除外護套表面端口不齊, 表面有毛刺, 如圖5 (a); 設(shè)備剝除端口平齊, 表面光滑, 如圖5 (b)。

5.2 剝除效果

對剝除外護套半導(dǎo)電層的電纜進行外護套耐壓試驗:

傳統(tǒng)人工剝除外護套半導(dǎo)電層后, 進行直流耐壓試驗, 電壓剛調(diào)到4.8kV 時, 泄漏電流達到了50μA, 并且隨著電壓的上升, 泄漏電流不成比例地急劇增大, 這說明電纜外護套絕緣存在缺陷, 立即停止試驗, 對外護套半導(dǎo)電層剝除位置進行現(xiàn)場檢查, 發(fā)現(xiàn)部分外護套半導(dǎo)電層沒有剝除干凈, 通過人工重新剝除, 試驗合格。

使用該設(shè)備對外護套半導(dǎo)電層剝除后, 直流耐壓試驗一次性通過。

5.3 剝除時間

人工剝除需要時間大約40min, 設(shè)備剝除需要時間大約10min。

通過這次電纜試驗和現(xiàn)場檢查, 總結(jié)如下: 采用人工方式剝除, 實際操作時只能沿著電纜縱向剝除,由于電纜外護套的波紋形式導(dǎo)致剝除厚度的深淺不一, 最終形成的成品端口不齊平、剝除面有很多毛刺, 甚至有些位置未清除干凈, 影響施工工藝及耐壓試驗。采用設(shè)備剝除, 端口平齊, 表面光滑, 較人工方式剝除節(jié)省75%人工, 并大大降低了人工操作過程中因玻璃斷裂造成工人受傷的風險。

6 結(jié)束語

本項目通過重點研究電纜外半導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)和形狀特點, 應(yīng)用激光測量技術(shù)、數(shù)字聯(lián)動控制技術(shù)、伺服隨動控制技術(shù)、工業(yè)無線通訊技術(shù), 借助特制刀片對電纜外表面的半導(dǎo)電層實現(xiàn)精準的固定深度切削,實現(xiàn)波紋狀電纜外護套半導(dǎo)電層的全自動剝離切削。

經(jīng)過實際測試發(fā)現(xiàn), 該設(shè)備可實現(xiàn)波紋護套外形的電纜外護套半導(dǎo)電層自適應(yīng)、自動化剝除, 剝除均勻, 端口齊平, 剝切深度符合要求, 滿足電纜外護套半導(dǎo)電層的剝除工藝要求, 并在作業(yè)效率、工藝水平等方面有明顯提升, 減輕了施工人員勞動強度, 避免了作業(yè)人員受傷的安全風險。