張 恒 汪 明

（山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

帶電作業(yè)是指在高壓電氣設(shè)備不停電狀態(tài)下進(jìn)行檢修、測試的一種作業(yè)方法，是避免檢修時停電，使得電網(wǎng)正常運(yùn)行的有力措施[1-3]。發(fā)電廠、架空輸電線路、配電線路和配電設(shè)備等都存在帶電作業(yè)的需求[4]。然而，配網(wǎng)帶電作業(yè)易受環(huán)境影響，且體力消耗大、作業(yè)風(fēng)險大。以往進(jìn)行帶電作業(yè)時，作業(yè)人員一般需要穿戴好絕緣防護(hù)服，在做好絕緣措施后接觸帶電體進(jìn)行作業(yè)。整個過程不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且存在較高的危險性。其中，斷線作業(yè)是帶電作業(yè)操作中的重要環(huán)節(jié)。配電線路附近大型工廠的拆遷以及舊城區(qū)輸電線路改造等都會涉及斷線作業(yè)[5-6]。

在斷線作業(yè)裝置的智能化方面，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究較少。日本和美國等國家雖有可以進(jìn)行斷線作業(yè)的電動斷線工具，但大部分都無法完成帶電作業(yè)[7-9]。國家電網(wǎng)上海松江供電公司研制了一款絕緣斷線鉗，該斷線鉗為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，切刀為棘輪結(jié)構(gòu)，以此完成電纜的剪斷工作。雖然絕緣斷線鉗使用的輪式切刀構(gòu)造輕便，但是剪切較粗線徑的電纜時，操作仍然不夠方便[10-11]。為了使作業(yè)人員在操作時更加方便，進(jìn)一步降低作業(yè)的復(fù)雜度，本文設(shè)計研制了一款高壓電纜切斷裝置。高壓電纜切斷裝置可以提高帶電作業(yè)的工作效率和人員安全性，從而提高電網(wǎng)的智能化水平。

1 高壓電纜切斷裝置設(shè)計

1.1 高壓電纜切斷裝置樣機(jī)設(shè)計

該裝置的整體結(jié)構(gòu)主要包括切刀本體、切刀驅(qū)動部分、驅(qū)動控制部分和位置傳感器模塊等，如圖1所示。切刀本體主要用于切斷高壓電纜；切刀驅(qū)動部分由直流電機(jī)與減速器組成，能夠接收來自驅(qū)動控制部分產(chǎn)生的控制信號，從而帶動切刀轉(zhuǎn)動將電纜切斷；位置傳感器模塊能夠?yàn)轵?qū)動控制部分提供檢測到的切刀位置信號。

1.2 工作流程設(shè)計

工作時，驅(qū)動控制部分接收到控制指令后開始控制直流電機(jī)動作，同時檢測流過直流電機(jī)的電流。通過判斷電流大小控制直流電機(jī)動作，使其帶動切刀本體切斷電纜。電纜切斷之后，切刀自動復(fù)位，位置傳感器感應(yīng)到切刀到位后，驅(qū)動控制部分控制直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。圖2為該裝置的工作流程圖。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與智能控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)中，從動齒輪與驅(qū)動齒輪嚙合，驅(qū)動齒輪傳動軸與減速器固定連接，減速器與直流電機(jī)固定連接。如圖3所示，在電機(jī)的驅(qū)動下，減速器帶動驅(qū)動齒輪傳動軸及驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動切刀從動齒輪轉(zhuǎn)動，將電纜切斷[12]。

其中，主從動齒輪材料選擇45鋼，齒面硬度為240 HBS，主動齒數(shù)為17齒，從動齒數(shù)為24齒。本次設(shè)計依據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度，主動齒輪分度圓直徑范圍為：

式中：KHt為載荷系數(shù)，取值為1.3；T1為主動齒輪的扭矩，取值為5.8×104N·mm；φd為齒寬系數(shù)，取值為1；ZH為區(qū)域系數(shù)，取值為2.5；ZE為材料的彈性影響系數(shù)，取值為189.8 MPa；Zε為接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)，取值為0.94；[σH]為接觸疲勞許用應(yīng)力，取值為896.5 MPa。

主從動齒輪的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)N1、N2分別為：

主動齒輪的圓周力Ft1為：

實(shí)際載荷系數(shù)KF為：

按實(shí)際載荷系數(shù)算得的齒輪模數(shù)m為：

式中：mt取值為1.69；KFt取值為1.3。

齒輪模數(shù)的大小由承載能力決定，而齒輪承載能力只與齒輪直徑有關(guān)，因此選擇主動齒輪為17齒、從動齒輪為24齒。按接觸疲勞強(qiáng)度算得的分度圓直徑為32 mm，齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度都能夠得到滿足，且結(jié)構(gòu)上也能夠做到緊湊合適。

2.2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

各種控制算法中，比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法因其簡單和魯棒性好被應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)，而且特別適應(yīng)于具有精確數(shù)學(xué)模型的己知系統(tǒng)[13]，原理如圖4所示。

PID算法的控制規(guī)律為：

式中：u(t)為輸出量；kp為比例系數(shù)；e(t)為系統(tǒng)的偏差；TI為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。

PID控制雖然易于實(shí)現(xiàn)，但在控制過程中會面臨外部擾動的影響，其控制效果往往難以達(dá)到控制要求[14]。模糊PID控制將模糊控制和PID控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對PID參數(shù)的最優(yōu)整定[15]，因此對于非線性系統(tǒng)具有顯著的控制效果。設(shè)定模糊規(guī)則時，要在Fuzzy工具箱中建立模糊控制器，然后將輸入量設(shè)置為e和ec，輸出量設(shè)置為Kp、Ki、Kd，控制器設(shè)計界面如圖5所示。設(shè)定好模糊規(guī)則后，輸出量Kp、Ki、Kd與誤差e和誤差變化率ec的關(guān)系如圖6所示。

本文所研究的被控對象的傳遞函數(shù)模型H(s)為：

在Simulink中搭建PID與模糊PID的仿真模型如圖7所示。

通過仿真可以得到PID與模糊PID的曲線如圖8所示，其中虛線是PID的輸出曲線，實(shí)線是模糊PID的輸出曲線。從圖8中可以看出，模糊PID曲線超調(diào)量σ=3%，調(diào)節(jié)時間ts=1.3 s。與PID相比，模糊PID在控制上具有顯著的優(yōu)越性。

3 樣機(jī)測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 測試準(zhǔn)備

10 kV配電網(wǎng)使用的70 mm2電纜如圖9（a）所示，其外層絕緣皮厚度為3.5 mm，銀白色部分為鋁絞線。高壓電纜切斷裝置切斷70 mm2電纜示意圖如圖9（b）所示，切刀采用高硬度冷作模具鋼，不僅能夠克服絕緣外皮的粘連，而且能提高對鋼芯的剪切能力。高壓電纜切斷裝置樣機(jī)如圖9（c）所示。由于本裝置的作業(yè)對象是高壓電網(wǎng)，因此要求工具在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、控制等方面必須滿足作業(yè)要求。本裝置合理采用了聚甲醛熱塑性結(jié)晶聚合物、合成樹脂、鋁合金等輕質(zhì)、耐磨材料，在滿足使用要求的同時大幅降低了整機(jī)的質(zhì)量。

3.2 帶電作業(yè)時70 mm2線徑電纜電流值變化

高壓電纜切斷裝置在10 kV高壓下切斷70 mm2電纜時，加入PID控制后其電流變化情況如圖10（a）所示。在620 ms時，電機(jī)空轉(zhuǎn)產(chǎn)生超調(diào)。在3 000 ms時，電機(jī)空轉(zhuǎn)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段之后電流開始上升，說明切刀已觸碰到電纜，電流值隨著切斷過程不斷增大，直至2 950 mA左右開始下降。加入模糊PID控制后，其電流變化情況如圖10（b）所示。在700 ms時，電機(jī)空轉(zhuǎn)產(chǎn)生超調(diào)，相比圖10（a）的超調(diào)幅度有了明顯的改善。在3 000 ms時，電機(jī)空轉(zhuǎn)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行階段之后電流開始上升，說明切刀開始工作，電流值隨著切斷過程不斷增大，直至2 800 mA左右開始下降。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看到，模糊PID控制的效果在超調(diào)量、速度以及穩(wěn)定性方面比PID控制具有更明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文針對目前帶電斷線作業(yè)中的難題，設(shè)計研制了一款高壓電纜切斷裝置，主要介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)，同時對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析并對控制算法進(jìn)行了仿真，最后對該工具進(jìn)行高壓試驗(yàn)測試。結(jié)果表明，該裝置能夠滿足帶電作業(yè)需求，能夠代替人工切斷10 kV高壓引流線。