劉克毅，周希懷，邢文海，楊新杰，牛 強

（1.新疆工程學(xué)院，烏魯木齊 830023；2.新疆送變電有限公司，烏魯木齊 830001）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會用電量持續(xù)增長，新疆超高壓輸電及特高壓輸電的建設(shè)得到了迅猛發(fā)展。高等級電壓輸變電的建設(shè)對母線導(dǎo)電性、安全性提出了更高要求[1]。管型母線（管母）因具有肌膚效應(yīng)小、載流量大的特點得到了廣泛應(yīng)用[2]，其作為變電站運行中重要的連接導(dǎo)體，對保證輸變電系統(tǒng)的可靠、安全運行具有重要的作用。新疆準(zhǔn)北750kV變電站項目使用的是6063G-T6-Φ250/230型鋁鎂合金管型母線，長度約為22m，管母由于跨度大、自身重力大和風(fēng)力等環(huán)境原因，在使用過程中會產(chǎn)生下墜現(xiàn)象（如圖1所示），導(dǎo)致向下弧形形變，嚴(yán)重影響安裝質(zhì)量、降低導(dǎo)電性能和輸電線路安全，存在安全隱患[3]。

圖1 管母下墜示意圖

《國家電網(wǎng)公司輸變電工程標(biāo)準(zhǔn)工藝 工藝標(biāo)準(zhǔn)庫2011版》要求將大口徑、大跨距支持式管型母線撓度控制在0.4D以下，其中在管母安裝前通過預(yù)拱處理，然后采用反弧垂安裝工藝是有效解決此問題的重要措施。目前的預(yù)拱工藝多采用人工控制手拉葫蘆或者液壓缸進(jìn)行，存在預(yù)拱參數(shù)控制不精準(zhǔn)、預(yù)拱質(zhì)量不高、人員成本高、工作效率低等缺點。文獻(xiàn)[1]提出基于計算機雙目視覺測量體系的測量方法，實現(xiàn)對管母撓度的實時監(jiān)測。文獻(xiàn)[4]提出了采用手拉葫蘆牽引的方式進(jìn)行管母預(yù)拱。文獻(xiàn)[5]提出了利用液壓千斤頂進(jìn)行管母預(yù)拱的工藝。上述方法實現(xiàn)了對管母撓度測量和管母預(yù)拱的工藝，但預(yù)拱參數(shù)的精確控制和預(yù)拱過程的自動控制對預(yù)拱質(zhì)量和預(yù)拱成本有著非常大的影響。在液壓系統(tǒng)設(shè)計與研究方面，目前有較多的研究成果：文獻(xiàn)[6]探討了通過伺服比例方向閥、比例壓力閥等可實現(xiàn)高精度、高生產(chǎn)效率、易操作的應(yīng)用；文獻(xiàn)[7]介紹了超長大折彎機液壓系統(tǒng)的工作原理和參數(shù)計算方法，并提出充液閥采用近端控制的方案，解決遠(yuǎn)端控制的不穩(wěn)定性的問題。在控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究方面：文獻(xiàn)[8]提出了PLC結(jié)合組態(tài)軟件實現(xiàn)對生產(chǎn)線設(shè)備自動控制的設(shè)計；文獻(xiàn)[9]提出了利用組態(tài)王軟件+PLC模式設(shè)計機械手臂自動控制裝置，該設(shè)計操作方便、使用安全、效率高，克服了人工勞動強度大、精確度不高缺點，可以較好的滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)自動化要求。然而，針對高等級電壓管母進(jìn)行預(yù)拱的自動化處理儀器，目前還極少見到。

本文提出了一種高效自動控制液壓預(yù)拱儀的設(shè)計原理。根據(jù)設(shè)計自動化液壓預(yù)拱儀來實現(xiàn)高等級電壓管母的預(yù)拱。本系統(tǒng)通過完善液壓系統(tǒng)，提高其工作的安全性和可靠性，通過傳感器、PLC和計算機精確測量、控制預(yù)拱矢量、液壓缸的偏轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，實現(xiàn)管母的高效預(yù)拱，提高工作效率，同時減少工作人員數(shù)量，提高工作安全性。

1 管母預(yù)拱儀基本原理

管母預(yù)拱儀以液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)，按照設(shè)定參數(shù)通過液壓缸的推力完成管母的預(yù)拱工作，同時通過傳感器實時測量相應(yīng)參數(shù)，最終通過PLC和組態(tài)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)控制，本設(shè)計可實現(xiàn)手動和自動控制兩種模式。預(yù)拱儀的設(shè)計參數(shù)以管母預(yù)拱時的最大撓度基礎(chǔ)，通過預(yù)拱量計算液壓缸的推力，從而計算液壓油的壓強和溢流閥的設(shè)定壓力。預(yù)拱儀根據(jù)功能主要分為液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。

2 相關(guān)參數(shù)確定

根據(jù)大跨度管母的安裝使用要求，撓度需控制在0.4D以下，需要通過管母在受自然重力作用下?lián)隙鹊挠嬎愦_定預(yù)拱的變形量，進(jìn)而確定液壓缸的受力情況。

2.1 管母的基本參數(shù)

結(jié)合變電站電壓等級、支架距離等參數(shù)，選用合適的管母，其基本參數(shù)如下所示：

管母型號：6063G-T6-Φ250/230；

長度：L =22m；

密度：ρ=2700kg/m3；

彈性模量：E=6.9×1010N/m2；

管母外徑：D1=250mm。

2.2 管母撓度計算[10]

管母在工作過程中兩端受力支撐，可看成兩端簡支的簡支梁，在自身重力作用下受到均布載荷作用。根據(jù)材料的力學(xué)理論，慣性矩可表示為：

其中α為管母的內(nèi)外徑之比，通過式(1)計算管型母線對其形心軸的慣性矩。

該簡支梁中心點最大撓度表示為：

其中Q為管母單位長度的重量，將慣性矩I代入式(2)，當(dāng)管母只受重力作用時，帶入管母參數(shù)計算得到，其自然下垂的最大撓度為：ωc=0.1622m。

2.3 管母預(yù)拱儀基本參數(shù)

預(yù)拱儀對管母預(yù)拱過程中，當(dāng)管母中心處的最大撓度ω為800mm，保持2.5h～3h的情況下，可以獲得180mm～190mm的最大撓度塑性變形，該塑性變形滿足管母的安裝、工作需求。以此為基礎(chǔ)計算液壓缸的受力和壓強。

撓度公式可表示為：

其中c、d為積分常數(shù)，依據(jù)目標(biāo)撓度通過式(3)計算出預(yù)拱時管母的彎矩。

把式(4)代入彎矩，推算出達(dá)到目標(biāo)撓度時中位液壓缸的推力F。

A為液壓缸的有效受力面積，根據(jù)式(5)推算出液壓系統(tǒng)的工作壓強P。

代入管母參數(shù)，最終計算得知達(dá)到預(yù)拱目標(biāo)時液壓缸推力為F=25535N，液壓系統(tǒng)工作壓強為P=3.25MPa。

2.4 利用ANSYS軟件對預(yù)拱過程進(jìn)行模擬

根據(jù)6063G-T6-Φ250/230型管母按照1:1比例建立模型，固定支點的間距為17.8m，劃分網(wǎng)格并模擬結(jié)果如圖2所示：當(dāng)中位液壓缸推力為24900N時，管母中間位置形變位移為801.36mm，與理論計算基本相符。為保證足夠的液壓力，后期參數(shù)計算、系統(tǒng)設(shè)計時最大推力以25535N為基準(zhǔn)。

圖2 管母變形圖（F=24900N）

3 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)主要由機架、夾具、液壓系統(tǒng)、傳感器等裝置組成（如圖3所示），管母通過兩端的固定夾具固定，液壓缸伸出時通過夾具夾具推動管母變形，完成預(yù)拱工作，傳感器用來實時測量液壓缸的伸出量和液壓缸的偏轉(zhuǎn)角度，機架的具體尺寸為20m（長）×2.2m（寬）×0.8m（高）。

3.1 機架安裝

機架以槽鋼、角鋼焊接而成，下部安裝轉(zhuǎn)向輪，便于方向和位置的調(diào)整。作為所有元器件的安裝載體，機架在預(yù)拱時承受液壓缸和管母的巨大推力，需滿足強度和剛度要求，同時為便于該設(shè)備的運輸、安裝、調(diào)試等，元器件均采用可拆卸式安裝。由于該設(shè)備體積較大，為保證管母的預(yù)拱質(zhì)量，安裝時需做“找平”、“對正”處理，保證豎直方向的安裝誤差小于5mm，水平方向安裝誤差小于10mm。

圖3 液壓預(yù)拱儀樣機

3.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是預(yù)拱儀的主要工作部件，通過液壓缸的動作完成預(yù)拱工序，具有易實現(xiàn)自動控制、自動過載保護(hù)等特點（液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示）。

圖4 預(yù)拱儀液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、控制閥、液壓缸組成。液壓泵1是系統(tǒng)的動力元件，提供符合預(yù)拱要求的壓力和流量；溢流閥2是系統(tǒng)的安全裝置，避免系統(tǒng)在誤操作或出現(xiàn)故障時由于壓力超出額定值造成儀器損壞或安全事故，根據(jù)理論計算及實際經(jīng)驗，該閥在滿足預(yù)拱壓力要求的前提下，還需考慮壓力的波動，設(shè)定壓力值調(diào)整為4Mpa，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過4MPa時，溢流閥打開，高壓油經(jīng)溢流閥流回油箱，避免系統(tǒng)壓力的進(jìn)一步升高，起到安全保護(hù)作用；換向閥3采用M型三位四通電磁換向閥，電磁控制滿足自動控制需要，中位時泵可以卸荷、液壓缸雙向鎖緊，一定程度上實現(xiàn)節(jié)能、保壓的作用；利用液控單向閥4反向密封性能好的特點，實現(xiàn)保壓階段液壓缸伸出量保持不變，進(jìn)一步減小管母形變誤差，保證預(yù)拱質(zhì)量。

液壓缸的伸出量通過拉繩式位移傳感器進(jìn)行測量，精度為0.1mm、相應(yīng)頻率100kHz，最大拉線速度1000mm/s，實施液壓缸伸出量的實時測量，提高測量精度，進(jìn)一步降低傳統(tǒng)的人工測量誤差，減輕人員測量工作量。

側(cè)位液壓缸的角度調(diào)整通過轉(zhuǎn)角電機（5LB20GU-7-120W）實現(xiàn)，該電機最大推力超過1000N，滿足工作需求。轉(zhuǎn)角電機通過U形螺栓固定在液壓缸的下部（如圖2所示），利用齒條和電機的相對運動實現(xiàn)液壓缸的平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向角度通過安裝在液壓缸回轉(zhuǎn)中心的角度傳感器（WDD35D-45K）進(jìn)行實時測量，其獨立線性精度可達(dá)±0.1%，進(jìn)一步確保液壓缸偏轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)性。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是實現(xiàn)管母預(yù)拱儀自動控制的核心部分，通過組態(tài)軟件和PLC實現(xiàn)預(yù)拱任務(wù)的參數(shù)設(shè)定和動作控制，精確控制液壓缸的角度和位移量，同時利用組態(tài)界面可方便、精確的調(diào)整預(yù)拱參數(shù)，以實現(xiàn)不同管母預(yù)拱的參數(shù)設(shè)計要求，進(jìn)一步保證管母預(yù)拱形變的一致性，保證預(yù)拱質(zhì)量。

1）預(yù)拱儀控制系統(tǒng)上位機采用組態(tài)控制，下位機采用PLC控制，設(shè)計為手動和自動兩種控制模式以滿足不同的工作需求。其中手動模式是操作人員通過組態(tài)界面或設(shè)備本地控制器控制液壓缸的角度調(diào)整和伸縮動作，需通過操作人員觀察界面的參數(shù)變化進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；自動模式根據(jù)預(yù)先通過組態(tài)軟件設(shè)定液壓缸的伸出量、角度和預(yù)拱時間等參數(shù)，系統(tǒng)將自動按照設(shè)定參數(shù)及液壓缸的動作順序完成預(yù)拱任務(wù)，達(dá)到保壓時間后發(fā)出警報，工作人員確定后，液壓缸自動回到初始位置，預(yù)拱過程結(jié)束（控制流程如圖5所示）。

2）控制系統(tǒng)控制操作界面（如圖6所示），在界面上設(shè)置位移和角度目標(biāo)、保壓時間，控制液壓泵、預(yù)拱動作的啟停等操作。

圖5 預(yù)拱儀控制流程圖

圖6 組態(tài)控制界面

管母液壓預(yù)拱儀控制系統(tǒng)操作界面通過組態(tài)軟件開發(fā)，通過該界面實現(xiàn)以下管母預(yù)拱儀的主要控制功能。

1）通過該系統(tǒng)可選擇液壓缸順序動作或者同時動作，根據(jù)預(yù)拱經(jīng)驗：液壓缸順序動作時管母穩(wěn)定性較好、預(yù)拱質(zhì)量較好，所以本系統(tǒng)默認(rèn)為液壓缸順序動作。

2）通過界面操作可控制液壓泵的啟停和是否啟動預(yù)拱動作，預(yù)拱動作通過控制方向控制閥的通斷電實現(xiàn)；換向閥右位電磁鐵通電時，液壓缸伸出，啟動預(yù)拱操作，當(dāng)左位電磁鐵通電時，液壓缸縮回，預(yù)拱動作結(jié)束。

3）通過界面可設(shè)定液壓缸的軸向目標(biāo)位移并實施顯示軸向位移。預(yù)拱動作開始后，在液壓缸伸出動作時，位移傳感器將測量到的數(shù)據(jù)實時傳遞給控制系統(tǒng)，并在控制界面實時顯示，當(dāng)軸向位移達(dá)到設(shè)定目標(biāo)后，系統(tǒng)將斷電信號發(fā)送給換向閥，電磁鐵斷電，預(yù)拱系統(tǒng)進(jìn)入保壓狀態(tài)，液壓泵進(jìn)入卸荷狀態(tài)。

4）根據(jù)實際需要設(shè)定保壓時間，為保證工作人員和相關(guān)設(shè)備的安全，當(dāng)達(dá)到保壓的目標(biāo)時間后，系統(tǒng)發(fā)出音響警報，提醒工作人員預(yù)拱動作結(jié)束，在工作人員確定后液壓系統(tǒng)啟動，液壓缸退回，當(dāng)液壓缸全部退回，距離顯示為0時，系統(tǒng)斷電，該次預(yù)拱工作全部結(jié)束。

5 結(jié)論

本研究通過機械設(shè)計、組態(tài)軟件、PLC、液壓系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)來設(shè)計管母預(yù)拱儀，通過設(shè)計及理論計算，預(yù)制管母達(dá)到了相關(guān)技術(shù)要求和安全操作要求，不同管母預(yù)拱后的塑性形變差異小于2mm，滿足了管型母線的預(yù)拱需求，進(jìn)一步保證了預(yù)拱質(zhì)量。該管母預(yù)拱儀在實際現(xiàn)場應(yīng)用將大量的節(jié)約人力資源，預(yù)拱工作過程中工作人員由8人減少為3人，降低了施工成本。