譚明哲，孔 健，公冶如晶

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司曲阜市供電公司，山東 曲阜 273100）

關(guān)鍵字：配電自動(dòng)化；罩式FTU；免登桿

1 選擇課題

饋線(xiàn)自動(dòng)化終端簡(jiǎn)稱(chēng)FTU，與柱上斷路器配套安裝于配電10 kV 線(xiàn)路分段、分支、聯(lián)絡(luò)、分界處，具有遙控、遙測(cè)、遙信功能，與主站配合用于故障的檢測(cè)、隔離和自愈，大致可分為罩式和箱式2 種，通常安裝于桿塔中段，懸掛離地高度約為3～6 m。

目前縣域以及大部分地級(jí)市已架空線(xiàn)路為主，為提高配電線(xiàn)路自動(dòng)化水平，配電線(xiàn)路FTU 數(shù)量激增，相關(guān)運(yùn)維工作量大大增加。常見(jiàn)工作包括三遙和離線(xiàn)消缺、更改保護(hù)定值、重合閘投退等，均須運(yùn)維人員登桿連接網(wǎng)線(xiàn)后使用筆記本電腦進(jìn)行設(shè)備參數(shù)或定值的修改，此過(guò)程中登桿準(zhǔn)備及登桿操作過(guò)程比較煩瑣，且存在高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)，登桿操作FTU 須使用腳扣或絕緣梯，桿上人員需要使用全方位安全帶，登桿準(zhǔn)備及登桿操作過(guò)程比較煩瑣，且存在高處墜落的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)日常運(yùn)維工作的統(tǒng)計(jì)，登桿準(zhǔn)備過(guò)程和登桿、下桿時(shí)間占用了85%以上的工作時(shí)長(zhǎng)。

綜上所述，現(xiàn)有罩式FTU 的運(yùn)維方式存在以下問(wèn)題：

準(zhǔn)備過(guò)程較煩瑣，占用時(shí)間較長(zhǎng)，影響作業(yè)效率；

作業(yè)人員須登桿，耗費(fèi)體力的同時(shí)存在高處跌落風(fēng)險(xiǎn)，在工作量大時(shí)尤其凸顯；

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，在某些天氣或地形下較難或無(wú)法登桿，影響工作。

現(xiàn)場(chǎng)工作中，需要一種能夠免登桿實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)口保護(hù)罩拆裝及網(wǎng)線(xiàn)插拔的輔助工具，以提升工作效率。

2 設(shè)定目標(biāo)及目標(biāo)可行性論證

通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查分析，工作人員現(xiàn)使用腳扣登桿進(jìn)行插網(wǎng)線(xiàn)過(guò)程平均用時(shí)306 s，定值修改結(jié)束后拔網(wǎng)線(xiàn)過(guò)程平均用時(shí)276 s ，拔插總用時(shí)582 s，時(shí)間主要浪費(fèi)在全方位安全帶的穿戴整理及登桿過(guò)程中。小組計(jì)劃研制一種配電自動(dòng)化罩式FTU免登桿操作桿，將6 m 以下罩式FTU 的網(wǎng)線(xiàn)插拔過(guò)程用時(shí)縮減至270 s，即4.5 min 以?xún)?nèi)。

利用所研制的操作桿，工作人員在地面能完成上述操作，不存在全方位安全帶的穿戴整理的過(guò)程，不存在使用腳扣登桿的過(guò)程，用時(shí)會(huì)大為減少。利用研制的操作桿進(jìn)行網(wǎng)線(xiàn)插拔過(guò)程總用時(shí)理論上可以達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 提出方案

根據(jù)課題目標(biāo)，小組對(duì)方案進(jìn)行初步分析。桿頂抓取裝置的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和驅(qū)動(dòng)方式，桿身結(jié)構(gòu)、控制方式等各因素對(duì)裝置能否實(shí)現(xiàn)目標(biāo)都有著重要影響。桿頂抓取部分作為該裝置的核心部件，小組從其結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式上初步提出兩種方案，對(duì)比如表1 所示。

表1 總體方案對(duì)比表

機(jī)械式操作桿，高度固定，對(duì)于現(xiàn)今3～6 m高度的FTU 的操作，適用性較差，且安全性、可靠性、操作便利性差，電動(dòng)在開(kāi)發(fā)時(shí)具有一定難度，一旦成熟后實(shí)用性更高，且具備較大的提升改造空間。所以小組決定選用電動(dòng)式機(jī)械爪作為抓取部件，以其為核心進(jìn)行操作桿整體的設(shè)計(jì)。

3.2 方案分解和確定最佳方案

小組初步選定采用電動(dòng)械爪作為抓取方案，隨后小組對(duì)方案進(jìn)一步細(xì)分，對(duì)操作桿其余組件提出的方案與思路如圖1 所示。

圖1 方案分解圖

3.2.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇

小組參考現(xiàn)有應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械爪方案提出2 種驅(qū)動(dòng)方式：電機(jī)和氣動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案是依靠電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)一系列傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪進(jìn)行分合。氣動(dòng)方式是依靠控制電動(dòng)氣泵的氣流氣量帶動(dòng)氣缸動(dòng)作，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪。小組初步擬定了2 種驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械爪設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行定制，實(shí)物如圖2 所示。

圖2 兩種驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械爪：氣動(dòng)（左）、電動(dòng)（右）

隨后小組對(duì)2 種方案的參數(shù)、性能進(jìn)行了一系列測(cè)試，得到表2 所示數(shù)據(jù)。

表2 電動(dòng)、氣動(dòng)方式參數(shù)性能表

由表2 可以看出，在抓取力度相同時(shí)，氣動(dòng)式所占空間更大，且比電機(jī)驅(qū)動(dòng)式重160 g，增重約28%，但在抓取頻率方面有很大優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合數(shù)據(jù)，兩方式主要區(qū)別在于自身裝置體積重量和抓取頻率2 個(gè)方面，本次課題目標(biāo)對(duì)機(jī)械爪的抓取速率并無(wú)太高要求，而為了提升操控性應(yīng)盡量減輕裝置重量。所以，小組最終將驅(qū)動(dòng)方式確定為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.2.2 抓取裝置結(jié)構(gòu)選擇

抓取裝置須能抓取圓柱狀的網(wǎng)口保護(hù)帽和網(wǎng)線(xiàn)水晶頭2 種形狀的物體，抓取保護(hù)帽時(shí)須有足夠抓力以便旋轉(zhuǎn)拆卸，抓取水晶頭時(shí)須同時(shí)按下水晶頭側(cè)面卡扣以便拔出網(wǎng)線(xiàn)。小組針對(duì)上述要求提出兩種方案，即二指和四指機(jī)械爪，二指要求行程在同一直線(xiàn)上，四指須程菱形排列且行程沿對(duì)角線(xiàn)。

對(duì)于兩種方案，小組認(rèn)為二指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，四指結(jié)構(gòu)在抓取力度和穩(wěn)定性上更優(yōu)。小組以前期機(jī)械爪為基礎(chǔ)分別構(gòu)建二指、四指兩種結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)方式完全相同的情況下進(jìn)行抓力的測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。

表3 相同驅(qū)動(dòng)方式下2種結(jié)構(gòu)的抓取靜摩擦力測(cè)試表

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，在保持原有電機(jī)、電池的基礎(chǔ)上，二指結(jié)構(gòu)的抓取力量較小，甚至不足以進(jìn)行保護(hù)帽的拆卸。若想以二指結(jié)構(gòu)達(dá)成目標(biāo)，需更大更重的電機(jī)與電池組，此時(shí)相較于四指結(jié)構(gòu)反而降低操控性并增加成本。

同時(shí)，小組進(jìn)行多次實(shí)際測(cè)試，二指結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)抓取網(wǎng)口保護(hù)帽平均用時(shí)為37 s，四指結(jié)構(gòu)抓取平均用時(shí)15 s。顯然，四指結(jié)構(gòu)更易于操作。

綜上所述，四指結(jié)構(gòu)抓力更強(qiáng)，操控性更好。小組在抓取裝置結(jié)構(gòu)上最終選定四指結(jié)構(gòu)。

3.2.3 桿身結(jié)構(gòu)的選擇

首先，小組對(duì)桿身的材質(zhì)達(dá)成了較為一致的意見(jiàn)：選用環(huán)氧樹(shù)脂。原因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂堅(jiān)固耐用重量輕，具備極高的絕緣性能。

對(duì)于桿身結(jié)構(gòu)，小組提出了2 種方案：抽拉伸縮式和拼接組裝式。

抽拉伸縮式常見(jiàn)于高壓驗(yàn)電器，其優(yōu)點(diǎn)為攜帶與使用方便，但伸長(zhǎng)時(shí)末端桿身逐漸變細(xì)導(dǎo)致桿身強(qiáng)度降低，會(huì)使桿身彎曲、搖晃，嚴(yán)重影響操作。拼接組裝式常見(jiàn)于絕緣操作桿，使用前須按照現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行桿身的拼接，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為煩瑣，但在加長(zhǎng)后仍能保持桿身強(qiáng)度。

小組對(duì)2 種桿身制定了方案如表4 所示。

表4 桿身結(jié)構(gòu)方案

小組認(rèn)為采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，電機(jī)、電池、控制板、機(jī)械爪將集中整合至桿頂，使桿身末端較重，桿身須具備一定強(qiáng)度來(lái)保證操作的順利。隨后小組按照計(jì)劃使用計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試2 種方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，測(cè)試時(shí)按照抓取和驅(qū)動(dòng)裝置置于桿頂，重量為600 g，底端桿與地面傾角為60°，以桿身末端與桿身首端夾角作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表5 所示。

表5 桿身強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)比測(cè)試結(jié)果，抽拉伸縮式在使用高度增加至3 m 后桿身彎曲程度較大，可預(yù)計(jì)實(shí)際使用過(guò)程中存在一定困難，同時(shí)抽拉伸縮式在不同高度的使用中桿身重量不變，而拼接組裝式則較為靈活。所以小組決定桿身結(jié)構(gòu)選用拼接組裝式。

3.2.4 控制方式選擇

小組提出有線(xiàn)和紅外2 種控制方式。2 種方式的特點(diǎn)如表6 所示。

表6 有線(xiàn)、紅外2種控制方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

結(jié)合前期桿身結(jié)構(gòu)方案和2 種控制方式特點(diǎn)，小組認(rèn)為有線(xiàn)方式雖然優(yōu)點(diǎn)明顯，但較難實(shí)施，且會(huì)破壞桿身絕緣，帶來(lái)一定安全隱患。紅外遙控使用以極為成熟，使用過(guò)程中桿身周?chē)静粫?huì)有障礙物阻擋，10 m 遙控距離足夠?qū)嶋H工作中應(yīng)用，也就是說(shuō)在本課題的應(yīng)用環(huán)境下，紅外遙控方式可避免其短板，完全突出其優(yōu)勢(shì)。小組最終決定選取紅外線(xiàn)方式傳輸控制信號(hào)。

通過(guò)對(duì)各分解方案的綜合評(píng)估，最佳方案如圖3 所示。

圖3 最佳方案圖

4 對(duì)策實(shí)施

4.1 實(shí)施一：電動(dòng)舵機(jī)實(shí)施

通過(guò)多方比對(duì)。小組購(gòu)得一螺紋式步進(jìn)電機(jī)作為舵機(jī)，電機(jī)配置固定法蘭盤(pán)，法蘭盤(pán)能夠和電池支架等相連接。電機(jī)參數(shù)：額定電壓為12 V，功率為26 W，步距角1.8°，靜扭矩為4.4 kgcm，額定電流為2.0 A，質(zhì)量為170 g，體積為4.55 cm×4.5 cm×5 cm。

小組進(jìn)行測(cè)量測(cè)試，質(zhì)量體積，靜扭矩符合要求，長(zhǎng)時(shí)間工作無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。符合目標(biāo)要求。

4.2 實(shí)施二：電池組實(shí)施

小組購(gòu)買(mǎi)到12 V，3000 mAh 鋰電池組，其預(yù)留一個(gè)充電接頭、一個(gè)輸出接頭，搭配一個(gè)充電器。產(chǎn)品到貨后小組對(duì)其進(jìn)行充放電測(cè)試，驗(yàn)證其容量和保護(hù)性能如表7 所示。

表7 電池組放充電測(cè)試記錄

在兩種放電倍率情況下放電，放電時(shí)間大于同等容量的電池組的放電時(shí)間，證明電池組容量大于3000 mAh，放電電量最大為36.9 Wh大于36 Wh的目標(biāo)要求，且正常能持續(xù)3 A 工作電流輸出。符合目標(biāo)要求

4.3 實(shí)施三：遙控模塊實(shí)施

采購(gòu)帶遙控功能的步進(jìn)電機(jī)控制器。

對(duì)到貨裝置針對(duì)性能要求，連接步進(jìn)電機(jī)與鋰電池組進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試報(bào)告如表8 所示。符合目標(biāo)要求。

表8 步進(jìn)電機(jī)與鋰電池組性能測(cè)試

4.4 實(shí)施四：四指爪制作實(shí)施

設(shè)計(jì)四指爪3D 圖紙，指尖處設(shè)有橫向防滑紋，目的是在抓取網(wǎng)線(xiàn)水晶頭時(shí)，增加摩擦力，豎向防滑紋，目的是在拆裝網(wǎng)口保護(hù)帽時(shí)增加橫向的摩擦力。利用3D 打印機(jī)打印，材質(zhì)為尼龍。

測(cè)試結(jié)果：抓取拆卸網(wǎng)口保護(hù)帽正常，不打滑，抓取插拔網(wǎng)線(xiàn)水晶頭正常，拔插順暢。符合目標(biāo)要求。

4.5 實(shí)施五：絕緣桿實(shí)施

購(gòu)買(mǎi)4 節(jié)絕緣桿，采用卡扣連接，到貨后4 節(jié)組裝測(cè)試，卡扣連接牢靠，在施加20 kg 橫向扭轉(zhuǎn)力時(shí)，絕緣桿無(wú)變形。符合目標(biāo)要求。

4.6 實(shí)施六：整體組裝調(diào)試

制作電機(jī)及控制板支架，進(jìn)行工具前部組裝；利用車(chē)床制作180 mm×60 mm×2 mm 的鋁保護(hù)筒，底部利用可調(diào)向的轉(zhuǎn)接件與絕緣桿相連；3D 打印遙控器支架，支架放置于操作桿下部，方便操作位置，并能方便上下移動(dòng)，以適合FTU 高度，方便人手操作。

圖4 室內(nèi)調(diào)試

整體調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。小組首先于室內(nèi)進(jìn)行裝置基本性能的調(diào)試，確認(rèn)裝置運(yùn)行正常后于室外實(shí)地進(jìn)行調(diào)試，主要測(cè)試其使用高度和動(dòng)作、控制的靈敏度。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)整體檢測(cè)調(diào)試，裝置符合設(shè)計(jì)要求。

5 效果檢查

5.1 檢查課題目標(biāo)

為保證測(cè)試貼近實(shí)際，小組通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工作中裝置的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)進(jìn)行此次課題的效果檢查，以修改保護(hù)定值和投退重合閘兩項(xiàng)工作作為實(shí)例，選取罩式FTU 懸掛高度6 m 以下的工作現(xiàn)場(chǎng)，采樣30 次實(shí)際作業(yè)。應(yīng)用配電自動(dòng)化罩式FTU 免登桿操作桿進(jìn)行操作，網(wǎng)線(xiàn)插拔過(guò)程平均用時(shí)為230 s，比目標(biāo)值270 s 快了40 s。小組進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，篩選出高度在6 m 以下前期使用常規(guī)操作方式的工作數(shù)據(jù)，網(wǎng)線(xiàn)插拔過(guò)程平均用時(shí)在523 s。使用罩式FTU 免登桿操作桿，相較于常規(guī)方式在網(wǎng)線(xiàn)插拔環(huán)節(jié)節(jié)省了56%的時(shí)間。小組成功實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)目標(biāo)。

5.2 效益分析

在進(jìn)行配電自動(dòng)化運(yùn)維過(guò)程中，使用配電自動(dòng)化罩式FTU 免登桿操作桿可節(jié)省一定的人力成本。此操作桿操作難度低、無(wú)上手門(mén)檻，可一定程度上節(jié)省雇傭外委登桿人員的經(jīng)費(fèi)。工作人員可免于登桿，無(wú)高處跌落風(fēng)險(xiǎn)，減少登桿過(guò)程中的磕碰、擦傷等風(fēng)險(xiǎn)，減輕作業(yè)人員在高溫天氣下的體力消耗，減少中暑風(fēng)險(xiǎn)。此裝置投入運(yùn)用后可提高配電自動(dòng)化運(yùn)維效率，縮短工時(shí)，利于加強(qiáng)配網(wǎng)自動(dòng)化的整體水平，保障配電線(xiàn)路安全平穩(wěn)運(yùn)行，為公司贏得良好的社會(huì)效益。