杭州市臨安區(qū)昌化職高 盛黎平

電力電纜在輸變電線路工程建設(shè)中，由于電力電纜制造長度有限，需通過電纜中間接頭連接，連接后通過電流能力不能明顯降低，密封性要好，絕緣性能耐壓等級不能明顯變化，因此，保證高壓電纜中間接頭的質(zhì)量，不影響電纜供電的安全性可靠，非常重要。本發(fā)明涉及電纜附件的技術(shù)領(lǐng)域，一是電纜中間接頭電氣性能的測試方法，二是實現(xiàn)功能的測試工裝（設(shè)備或裝置的機(jī)械和電氣部分）。

1 技術(shù)背景[1]

高壓電纜中間接頭為多層復(fù)合介質(zhì)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品質(zhì)量缺陷造成電場分布不均勻，由此可能產(chǎn)生絕緣弱點(diǎn)，因耐壓降低而發(fā)生絕緣擊穿。生產(chǎn)過程中的質(zhì)量品控，主要方法和手段就是加強(qiáng)半成品的抽檢，對其進(jìn)行相關(guān)的放電測試和耐壓試驗，技術(shù)發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品，杜絕不合格產(chǎn)品流入下一道工序。

現(xiàn)有的技術(shù)中，如圖1所示，模擬安裝現(xiàn)場，通過2根1米長的電纜9，端部剝開15厘米左右絕緣后，電芯分別插入到中間接頭7內(nèi)，中間接頭7的絕緣硅膠體73中部一體成型有由炭黑制成的內(nèi)電極71，纜芯92外側(cè)設(shè)有絕緣層91，剝開的纜芯91之間套設(shè)有與內(nèi)電極71貼合的連接管10，連接管10經(jīng)壓接鉗壓接后實現(xiàn)兩個纜芯91間的連接。在中間接頭7的端部內(nèi)還一體成型有應(yīng)力錐72，應(yīng)力錐72與內(nèi)電極71均能夠使得中間接頭7的場強(qiáng)分布均勻，不易因電場集中而發(fā)生局放現(xiàn)象。

圖1 電纜中間接頭結(jié)構(gòu)示意圖

由于中間接頭采用硅膠制成,材質(zhì)較軟，且電纜端部需插入的行程較長,在試驗過程中很難實現(xiàn)電纜與中間接頭的插拔。為解決這一問題，常規(guī)的做法是采用硅脂等潤滑劑進(jìn)行潤滑，測試結(jié)束后又需要人工利用酒精等溶劑對中間接頭內(nèi)壁的潤滑劑殘留進(jìn)行加壓擦拭，不僅費(fèi)時費(fèi)力，且非常容易導(dǎo)致內(nèi)電極上的炭黑因摩擦而脫落，并粘附至電纜纜芯外側(cè)的絕緣層上，最終導(dǎo)致整個中接頭容易被高壓擊穿。

此發(fā)明，高壓電纜中間接頭電氣性能測試工裝，解決了測試棒與中間接頭插拔困難，且測試完畢也不需要對內(nèi)壁再進(jìn)行清理。

2 工程說明

電纜中間接頭電氣性能測試分三步，步驟一：保持軟硅膠制成的中間接頭水平且固定；步驟二：將測試棒圖二同時插入中間接頭的兩端，插入的過程，同時通過電氣接口槽不斷對金屬管4充氣，直至定位臺階14與中間接頭的端口抵接，然后加電壓；步驟三：電氣性能測試完畢，斷電壓，金屬管接地，通過電氣接口槽再次對金屬管充氣，延時后將兩個測試棒依此抽出，當(dāng)兩測試棒都退至70%-80%，測試棒同時抽離中間接頭[1]。

圖2 測試棒結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)測試步驟，測試臺夾持電纜中間接頭固定，通過高壓測試棒內(nèi)孔送氣，軟硅膠材質(zhì)中間接頭鼓起，方便測試棒送進(jìn)電纜中間接頭內(nèi)壁，到位后升至安全高度，加高壓測試，完畢，降至初始位置，測試棒分階段抽出。高壓測試棒采用機(jī)械方法固定，電纜中間接頭采用氣動機(jī)械手（平行氣爪）四點(diǎn)或五點(diǎn)固定，測試棒進(jìn)出中間接頭內(nèi)壁，采用壓縮氣體作為動力源，雙向雙出氣缸伸出縮回，帶動測試棒動作。運(yùn)動的力矩和速度通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)控制，換向閥控制方向，伸縮距離通過調(diào)節(jié)接近開關(guān)位置控制。

測試臺運(yùn)行過程中，機(jī)械手的夾持，測試棒的伸縮移動，工作臺的升降都屬于位置控制，根據(jù)需要按設(shè)定速度設(shè)定方向完成指定的位移。傳統(tǒng)的位置控制采用行程開關(guān)，運(yùn)動部件碰到行程開關(guān)，切斷控制電路，使運(yùn)動部件停止，達(dá)到定位的目的，這種控制雖電路簡單，但受系統(tǒng)慣性、負(fù)荷大小、滑行阻力等因素擾動，定位精度較差。因此，壓縮氣體作為動力源的氣動控制部分，機(jī)械手的夾持，測試棒的插拔運(yùn)動慣性小，精度要求不高，可以采用磁性開關(guān)直接安裝在氣缸缸體上，通過控制活塞的位移，從而達(dá)到控制測試棒的位移。固定高壓電纜中間接頭的工作臺，上裝時要便于工人操作，上裝完畢要上升到測試位置，并與兩側(cè)的測試棒處于同軸位置，便于測試棒擠壓進(jìn)軟硅膠制成的電纜中間接頭，定位精度要求較高，故決定采用伺服電機(jī)加PLC的控制方式，PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位移距離的數(shù)字脈沖信號，伺服驅(qū)動器同時又采集運(yùn)行狀況時轉(zhuǎn)速和已移動距離的編碼信號，兩信號比較，通過半閉環(huán)反饋，消除外界擾動，準(zhǔn)確停止在控制信號設(shè)定的位移距離[2]。

伺服電機(jī)控制的絲桿和導(dǎo)軌，用作工作臺的升降裝置，通過伺服電機(jī)的位置控制模式，原點(diǎn)位置就是初始位置，就是電纜中間接頭上裝固定位置，固定完畢，短延時后，將電纜中間接頭抬升至與兩高壓測試棒處于同軸位置，待測試棒擠壓進(jìn)中間接頭，打高壓測試，利用PLC的定時器，設(shè)定測試時間至測試完畢，按程序拉出測試棒，然后將工作臺下降到初始位置。將整個測試過程分解為PLC的工步如下：設(shè)備自檢，檢查檢測設(shè)備各運(yùn)動裝置是否都處于原位，如不在原位，首先各裝置復(fù)位至原位。在原位以后，測試臺等待開機(jī)信號。按下啟動按鈕→電纜套管接頭機(jī)械手合攏夾持→夾持完畢→測試臺帶動測試棒抬升至安全位置→電磁閥得電送氣→測試棒兩邊向中間擠壓到預(yù)定位置→高壓測試開始→測試定時時間到→測試棒分兩步退出→測試臺下降至初始位置，測試流程完成，所有動作裝置復(fù)位至原位。

3 設(shè)備的選型

測試臺驅(qū)動主要通過氣動和伺服電機(jī)驅(qū)動兩種方式。

3.1 氣動元件的選擇

主要壓縮機(jī)、空氣過濾器、調(diào)壓閥、油霧過濾器及雙作用雙出單杠氣缸2個，氣缸行程200mm左右，平行式氣爪4個，氣爪開距100mm左右。

3.2 伺服電機(jī)的選擇

測試棒需準(zhǔn)確對準(zhǔn)電纜中間接頭，壓縮氣體才能通過電氣接口槽進(jìn)入接頭內(nèi)壁，所以工作臺升降采用伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過絲桿和導(dǎo)軌轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動來保證精度。提升工作臺主要就是電纜中間接頭和4個氣缸手抓集成的夾持裝置的質(zhì)量，不超過10kg。負(fù)荷按1000N要求計算，精度并不需要很高，扭矩也不需要很高。根據(jù)提升行程先確定絲桿的規(guī)格，MKF40,有效行程500mm螺距0.03mm,轉(zhuǎn)速100-200r/min,最大垂直承重50kg。

選擇伺服電機(jī)需根據(jù)負(fù)載的慣量，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，計算出加速、減速和停止保持轉(zhuǎn)矩。由于本人沒有實際工程經(jīng)驗，先大致求出伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，工作臺所需轉(zhuǎn)矩1000N，一般根據(jù)經(jīng)驗，電機(jī)扭矩×2π/導(dǎo)程,就是螺旋傳動的無損耗出力，滾珠絲桿的傳動效率80%，在保證足夠余量的前提下，選擇了三菱HG-SR152BJ交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)速3000r/min低慣量輸出功率1500W交流伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩有7.2Nm，帶電磁制動器，防止舉升到位以后因為受重力影響垂直向下滑動[3]。

3.3 伺服驅(qū)動器要根據(jù)伺服電機(jī)功率和慣量

選擇同一生產(chǎn)商與之相配套規(guī)格的伺服驅(qū)動器，于是就采用了對應(yīng)的三菱，MR-J4-150B。整套伺服系統(tǒng)具有500Hz的高響應(yīng)性，高精度定位，帶電磁制動，有位置、速度和轉(zhuǎn)距三種控制功能，完全滿足要求[4]。

3.4 伺服配套裝置

伺服裝置還必須有配套的電源電纜，編碼器電纜、制動抱閘電纜、控制接頭等。

表1 伺服配套裝置

3.5 PLC的選型

因為伺服電機(jī)的位移距離與輸入脈沖個數(shù)成正比，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，所以我們需要對電機(jī)的脈沖個數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行設(shè)定。三菱公司的FX3U晶體管輸出的PLC可以進(jìn)行6點(diǎn)同時100kHz高速計數(shù)及3軸獨(dú)立100kHz的定位功能[4]，選用FX3U-48MT-ES-A型晶體管輸出PLC，保證了輸出輸入點(diǎn)數(shù)的余量，且滿足定位控制要求，無須定位模塊[5]。

4 設(shè)備連接

MR-J4伺服驅(qū)動器要跟電源，伺服電機(jī)、編碼器以及PLC等外圍設(shè)備連接，主要有CNP1、CNP2、CNP3組成的主電路端口，CN1、CN6組成的控制信號端口，以及通信端口、編碼器連接端口。CNP1接AC220-240V電源，CN2接伺服電機(jī)編碼器，CNP3的UVW接電動機(jī)電源UVW。

5 伺服系統(tǒng)計算和參數(shù)的設(shè)置

定位控制中的機(jī)械運(yùn)行參數(shù)有滑臺的移動距離，速度和控制精度。電子齒輪的設(shè)定是一個重要的參數(shù)，它的重要性在于調(diào)節(jié)控制的脈沖當(dāng)量，可以提高動作精度，設(shè)定合理的電子齒輪比，使控制器輸出最大脈沖頻率。伺服電機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，又能使電動機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時，效率最高工況最好[5]。

電子齒輪的設(shè)定主要是CDV和CMX的取值，不同的伺服驅(qū)動器對分母CDV和分子CDX取值都有一定的范圍，三菱MR-JE-200A是1～16777215。根據(jù)經(jīng)驗電子齒輪比的取值一般應(yīng)控制在（1/50）＜CMX/CDV＜500范圍內(nèi)、超出范圍多大或過小，會導(dǎo)致伺服電動機(jī)加/減速時產(chǎn)生異常噪聲，也導(dǎo)致電動機(jī)可能不會按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速和加/減速運(yùn)行，導(dǎo)致定位發(fā)生錯誤[3]。

5.1 脈沖當(dāng)量的設(shè)定

脈沖當(dāng)量的取值首先決定了控制精度，一般來講直線位移，主要有10m、1m、0.1m圓周運(yùn)動選取1deg、0.1deg、0.01deg。本系統(tǒng)脈沖當(dāng)量設(shè)定為10m[3]。

5.2 電子齒輪比的簡便設(shè)定

這是一個直線位移的伺服驅(qū)動裝置，絲桿螺距D=10mm,編碼器分辨率Pm=131072，伺服電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min，PLC最大輸出頻率100kHz,根據(jù)這些參數(shù)電子齒輪比計算如下：CMX/CDV=δ/δ0=Pm/δ0。

CMX取131072，根據(jù)公式計算CDV= CMX×δ0/δ=D/δ=10mm/0.01mm=1000。則電子齒輪比CMX/CDV=131072/1000，這個是根據(jù)精度控制要求設(shè)定電子齒輪比。為保證與PLC最大輸出脈沖相匹配，就是控制器輸出最大脈沖頻率，伺服電動機(jī)能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，否則要作調(diào)整降低精度[3]。

如果精度控制要求不高，應(yīng)該以電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)設(shè)定電子齒輪比。有另外的計算公式。

5.3 脈沖距離的計算

原點(diǎn)到設(shè)定位置的位移距離為20cm,一個脈沖能移動10m，這需要的脈沖數(shù)為20/0.0001=20000個脈沖。

5.4 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的計算

假設(shè)要求回歸原點(diǎn)高速8r/min、運(yùn)行5r/min、低速0.5r/min，則高速脈沖頻率為10×10000=80000Hz，運(yùn)行脈沖頻率為50000，低速脈沖頻率5000。

5.5 伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置

PA01設(shè)置為000h（位置控制模式）；PA03設(shè)置為000h（絕對位置控制模式）；PA06設(shè)置電子齒輪CMX分子；PA07設(shè)置電子齒輪CDX分母；PA14設(shè)置為電機(jī)轉(zhuǎn)動方向[3]。

6 PLC系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制主要有2組（推進(jìn)或拉出）高壓測試棒氣壓控制的直線氣缸和4組夾持電纜中間接頭的手抓氣缸，接在PLC輸出繼電器上的負(fù)載主要是氣缸電磁閥線圈，當(dāng)電磁閥線圈斷電瞬間會產(chǎn)生高壓，必須并聯(lián)續(xù)流二極管用來保護(hù)PLC輸出繼電器，這里運(yùn)行是按照順序進(jìn)行的，所以按照SFC步進(jìn)指令單序列編程即可。

伺服電機(jī)要實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、原點(diǎn)回歸和停止制動等動作。采用定位控制方式，除了初始點(diǎn)和舉升平臺位置安裝接近開關(guān)作為起點(diǎn)和終點(diǎn)，程序內(nèi)部的LSRLSF指令也可作為極限位的立即停止，起到一個雙重保護(hù)的作用[4]。

定位控制中工作臺的移動速度取決于絲桿螺距、電子齒輪比和PLC中的脈沖頻率。500mm的移動行程采用PLC輸出的脈沖數(shù)量。

表2 PLC輸入輸出地址分配

7 梯形圖設(shè)計及說明

程序工部運(yùn)行編寫如圖3。

圖3 程序運(yùn)行圖

程序設(shè)計采用順控和步進(jìn)兩種編程指令，整個流程以步進(jìn)工步為順序，從上至下按步驟執(zhí)行。伺服電機(jī)的控制按邏輯分成幾個程序塊，分別是急停、原點(diǎn)回歸、停止、電磁制動控制、加減速、手動（JOG）正轉(zhuǎn)控制、手動（JOG）反轉(zhuǎn)控制、正轉(zhuǎn)定位控制、反轉(zhuǎn)定位控制。

X007輸入控制特殊輔助繼電器M8349作為急停，X003是伺服原點(diǎn)回歸，運(yùn)行前需要首先進(jìn)行原點(diǎn)回歸，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。便于調(diào)試，需設(shè)計手動正轉(zhuǎn)和手動反轉(zhuǎn)程序塊。設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)是正、反轉(zhuǎn)定位控制，限位開關(guān)能起作用自動返回的半自動控制。程序中的停止方式有立即停止和正常停止兩種方式。急停是故障情況下采用特殊輔助繼電器M8349得電禁止所有的輸出，沒有減速功能能迅速停止，對設(shè)備有一定的沖擊。工作臺在導(dǎo)軌運(yùn)行中返回到初始位置，限位開關(guān)X006和停止信號X023的停止是帶減速的停止[4]。

本裝置經(jīng)過安裝調(diào)試已經(jīng)運(yùn)行了兩年，完全達(dá)到控制要求，測試棒與中間接頭插拔無須人工，測試完畢也不需要對內(nèi)壁再進(jìn)行清理，把插入、測試、拔出、清理四道工序，合并成一道工序，企業(yè)每年可節(jié)省人工成本20多萬，產(chǎn)品的良品率提高到95%，一臺機(jī)器的綜合效益就達(dá)50多萬，而機(jī)器的造價不到10萬。運(yùn)行過程中有待改進(jìn)和升級的地方是，產(chǎn)品換型，對定位控制用的傳感器位置要重新設(shè)置和調(diào)試，費(fèi)時費(fèi)力，在原來的基礎(chǔ)上可以增加觸摸屏的人機(jī)交互，設(shè)定參數(shù)，可以方便的修改定位位置和插拔速度，提高了裝置多型號產(chǎn)品測試的適應(yīng)性。