陳凌峰， 葉成彬， 吳淑樺， 李安娜， 陳賢鈺

(廣州城市理工學(xué)院， 廣東， 廣州 510800)

0 引言

輸電線路在整個(gè)輸配電系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的輸送電能作用，輸電線路的正常運(yùn)行是保障用戶正常用電的重要因素之一，而輸電線路絕緣的損壞是影響線路正常工作的原因之一[1]。

特別地，從輸電線路走向而言，一些類似樹木、雜物或者樓房等接近絕緣輸電線時(shí)，因一些惡劣天氣或者環(huán)境的影響，容易發(fā)生由輸電線絕緣破損處通過類似樹木等物體與地構(gòu)成接地短路，從而危及系統(tǒng)運(yùn)行。全部更換出現(xiàn)絕緣損壞的輸電線，顯然不太現(xiàn)實(shí)，且如今不停電作業(yè)已成一大趨勢(shì)，對(duì)輸電線維護(hù)工作提出更高的要求。帶電作業(yè)，降低輸電線絕緣修復(fù)的難度，提高維保人員工作效率，節(jié)約維修時(shí)間和人員成本，延長(zhǎng)配電線路運(yùn)行的壽命，使輸電線維修過程更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，是本輸電線路絕緣修復(fù)裝置研究的目的[2]。

1 總體設(shè)計(jì)方案

輸電線路絕緣修復(fù)裝置主要包括輸電線路絕緣修復(fù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和遙控器。絕緣修復(fù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括修復(fù)執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子裝置控制模塊等，其中修復(fù)執(zhí)行機(jī)械結(jié)構(gòu)包括絕緣膠布包扎裝置、機(jī)械手和絕緣膠布收尾裝置，而電子裝置控制模塊包括單片機(jī)、42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、42步進(jìn)電機(jī)、圖像無線傳輸模塊和無線通信模塊。遙控器包括單片機(jī)、無線通信模塊、圖像無線傳輸模塊以及功能按鍵模塊等[3-4]。輸電線路絕緣修復(fù)裝置總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 輸電線路絕緣修復(fù)裝置總體設(shè)計(jì)方案

2 絕緣修復(fù)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 絕緣膠布包裹裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣膠布包裹裝置是修復(fù)裝置實(shí)現(xiàn)修復(fù)動(dòng)作的核心執(zhí)行機(jī)械機(jī)構(gòu)，而該裝置分別由旋轉(zhuǎn)包扎結(jié)構(gòu)體和絕緣膠布切割結(jié)構(gòu)體2部分組成，裝置組成見表1。

表1 旋轉(zhuǎn)包扎裝置、膠布切割裝置組成表

2.1.1 旋轉(zhuǎn)包扎結(jié)構(gòu)體

旋轉(zhuǎn)包扎結(jié)構(gòu)體包括環(huán)形缺口齒輪、絕緣膠布托架、絕緣膠布導(dǎo)向輪、絕緣膠布防反轉(zhuǎn)裝置[12]。

(1) 環(huán)形缺口齒輪

環(huán)形缺口齒輪，即在一個(gè)環(huán)形齒輪上切開一個(gè)相應(yīng)尺寸的缺口，該缺口使得待修復(fù)絕緣輸電線通過此缺口直接進(jìn)入絕緣膠布包裹區(qū)域(即缺口齒輪中心軸線)。缺口齒輪如圖2所示。

圖2 缺口齒輪

(2) 絕緣膠托架與絕緣膠布導(dǎo)向輪

絕緣膠布托架是用于放置絕緣膠布的裝置，該絕緣膠布托架在外力作用下可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以提高絕緣膠布輸出順暢性。絕緣膠布導(dǎo)向輪安裝在絕緣膠布導(dǎo)輪座上，絕緣膠布導(dǎo)向輪的作用是引導(dǎo)絕緣膠布的輸出方向。絕緣膠布導(dǎo)輪座可受外力作用進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且具有一定的回彈力，回彈力使得絕緣膠布導(dǎo)向輪始終保持緊挨著缺口齒輪的中心軸線的狀態(tài)，以保證絕緣膠布時(shí)刻緊緊貼在中心軸線的待修復(fù)絕緣的輸電線上。膠布座與膠布導(dǎo)輪如圖3所示。

圖3 絕緣膠布座和絕緣膠布導(dǎo)輪

(3) 絕緣膠布防反轉(zhuǎn)裝置

絕緣膠布防反轉(zhuǎn)裝置旨在保證缺口齒輪發(fā)生反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該裝置的擋針能夠與絕緣膠布導(dǎo)輪座的尾部進(jìn)行接觸，從而實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)的效果，此時(shí)絕緣膠布處于緊繃?yán)睜顟B(tài)。絕緣防倒轉(zhuǎn)裝置如圖4所示。

圖4 絕緣防倒轉(zhuǎn)裝置

2.1.2 絕緣膠布切割結(jié)構(gòu)體

絕緣膠布切割結(jié)構(gòu)體主要包括絕緣膠布切割刀、絕緣膠布切割刀座、絕緣膠布?jí)喊?部分。絕緣膠布切割結(jié)構(gòu)體如圖5所示。

(1) 絕緣膠布切割刀

切割刀安裝在移動(dòng)刀架上，切割刀外形類似等腰三角形，兩等長(zhǎng)的刀刃和刀尖十分尖銳，可快速切斷或扎穿絕緣膠布。

(2) 絕緣膠布切割刀座

絕緣膠布切割刀座用于裝載切割刀，并能夠隨著導(dǎo)軌和絲桿的方向前后移動(dòng)。

(3) 絕緣膠布?jí)喊?/p>

絕緣膠布?jí)喊灏惭b在移動(dòng)刀座的后方，且具有指向絕緣膠布導(dǎo)輪的回彈力。

圖5 絕緣膠布切割結(jié)構(gòu)體

2.2 絕緣膠布包裹裝置的工作原理

絕緣膠布包裹裝置工作時(shí)，第一步，環(huán)形缺口齒輪的缺口朝向必須向下，如圖6所示。待修復(fù)絕緣的輸電線通過環(huán)形缺口齒輪進(jìn)入修復(fù)區(qū)域的中心軸線上，因絕緣膠布托架和絕緣膠布導(dǎo)輪座是安裝在環(huán)形缺口齒輪上的，所以當(dāng)環(huán)形缺口齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絕緣膠布托架、絕緣膠布導(dǎo)輪座和絕緣膠布導(dǎo)向輪跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，絕緣膠布導(dǎo)向輪會(huì)把絕緣膠布緊緊壓在待修復(fù)絕緣的輸電線上，并沿著輸電線進(jìn)行360°滾動(dòng)，以此把絕緣膠布包裹到輸電線上[5-7]。

圖6 絕緣修復(fù)裝置修復(fù)第一步

當(dāng)輸電線絕緣膠布包裹完成后，即進(jìn)入絕緣膠布切割環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)需要整個(gè)絕緣修復(fù)裝置多個(gè)結(jié)構(gòu)部件聯(lián)動(dòng)動(dòng)作。第二步，將環(huán)形缺口齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至缺口向上，移動(dòng)絕緣膠布切割刀座至其最左端(切割刀安裝在刀座上)[12]，如圖7所示。

圖7 絕緣修復(fù)裝置修復(fù)第二步

第三步，將環(huán)形缺口齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至缺口向下，由于防倒轉(zhuǎn)裝置的存在(防倒轉(zhuǎn)裝置在缺口齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)擋住膠布導(dǎo)輪座的尾部，使膠布導(dǎo)輪座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))使得膠布導(dǎo)輪與絕緣導(dǎo)線分離，如圖8所示。

圖8 絕緣修復(fù)裝置修復(fù)第三步

第四步，將絕緣膠布切割刀座向右移動(dòng)，以至切斷絕緣膠布。由于絕緣膠布切割刀座的左方存在絕緣膠布?jí)喊?絕緣膠布?jí)喊灏惭b在移動(dòng)刀座的左方，且具有一定的向上回彈力)，絕緣膠布?jí)喊灏呀^緣膠布的斷口壓在導(dǎo)輪上，防止絕緣膠布斷口走位，方便下一輪的絕緣膠布包裹工作[12]。當(dāng)輸電線需要進(jìn)行絕緣膠布包裹時(shí)，只要把絕緣膠布?jí)喊逋页冯x，與此同時(shí)，缺口齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，絕緣膠布導(dǎo)輪便可把絕緣膠布重新壓到輸電線上，從而繼續(xù)下一輪的輸電線絕緣包裹工作，如圖9所示。

圖9 絕緣修復(fù)裝置修復(fù)第四步

2.3 絕緣修復(fù)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.1 絕緣修復(fù)執(zhí)行裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

絕緣修復(fù)執(zhí)行裝置的硬件主要包括STC15W4K系列單片機(jī)、NRF無線通信模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，主要實(shí)現(xiàn)無線遙控及根據(jù)相關(guān)指令進(jìn)行絕緣修復(fù)動(dòng)作。

STC15W4K系列單片機(jī)具備增強(qiáng)型8051內(nèi)核，4 000 B RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，16 000～635 000 B程序存儲(chǔ)空間， 8個(gè)定時(shí)器，5路高精度PWM，4個(gè)UART異步串行通信端口、1個(gè)SPI同步串行通信端口等。

NRF24L01是一款具有6個(gè)自動(dòng)應(yīng)答、自動(dòng)重發(fā)和地址通信通道，內(nèi)置硬件鏈路層和增強(qiáng)型ShockBurstTM的FGSK單片式收發(fā)無線通信芯片。1 M～2 Mbit/s無線速率，125個(gè)可選工作頻道， 0～8 Mbit/s速率的SPI同步串行通信接口與其內(nèi)部FIFO先進(jìn)先出數(shù)據(jù)緩沖器配合，可與大部分高低速微處理器進(jìn)行通信[8-11]。

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具有雙路H橋驅(qū)動(dòng)工作模式，輸入電源電壓為5～35 V，控制信號(hào)邏輯電壓為0/5 V，最大驅(qū)動(dòng)電流2 A，4路邏輯電平控制信號(hào)輸入端，2路邏輯電平使能信號(hào)輸入端，大容量濾波電容和續(xù)流二極管具備較強(qiáng)的可靠性。

絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件電路經(jīng)直流降壓模塊LM7805將12 V可充電式鋰電池電壓降至穩(wěn)定的5 V電壓，從而向單片機(jī)、無線通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等供電。單片機(jī)使用其內(nèi)置的1路硬件同步串行通信SPI接口和通信方式與無線通信模塊SPI接口進(jìn)行連接，多個(gè)普通準(zhǔn)雙向I/O口分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊邏輯電平信號(hào)端連接[12]。絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件電路

2.3.2 絕緣修復(fù)裝置遙控器的硬件電路設(shè)計(jì)

絕緣修復(fù)裝置遙控器的硬件電路中經(jīng)直流降壓模塊LM7805將9 V可充電式鋰電池電壓降至穩(wěn)定的5 V電壓，以向單片機(jī)、無線通信模塊、功能按鍵模塊等供電。單片機(jī)使用其內(nèi)置的1路硬件同步串行通信SPI接口和通信方式與無線通信模塊接口進(jìn)行連接，多個(gè)普通準(zhǔn)雙向I/O口分別與功能按鍵模塊連接[12]。絕緣修復(fù)裝置遙控器的硬件電路設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 絕緣修復(fù)裝置遙控器的硬件電路

3 絕緣修復(fù)裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主程序設(shè)計(jì)

絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要具備以下功能：① 單片機(jī)通過硬件SPI接口及其通信方式對(duì)無線通信模塊的通信地址、工作頻率、通信通道、工作模式等進(jìn)行初始化設(shè)置；② 無線通信模塊通過指定的通信地址、信道等方式實(shí)時(shí)接收遙控器的相關(guān)指令數(shù)據(jù)；③ 單片機(jī)根據(jù)接收到的指令數(shù)據(jù)，經(jīng)相應(yīng)算法計(jì)算后向步進(jìn)電機(jī)模塊輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)絕緣修復(fù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在輸電線上的行走、受損絕緣區(qū)域包扎絕緣膠布等動(dòng)作。

絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)主程序設(shè)計(jì)思路：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電復(fù)位后對(duì)其相應(yīng)的I/O口配置為準(zhǔn)雙向口工作模式，配置定時(shí)器T0工作方式和初始值，配置無線通信模塊通信地址、通道、頻率等，絕緣膠布包裹裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)體自檢復(fù)位，實(shí)時(shí)檢測(cè)和判斷無線通信模塊是否接收到新的指令數(shù)據(jù)，并對(duì)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作的控制信號(hào)[12]。絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)主程序設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12 絕緣修裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主程序設(shè)計(jì)流程

3.2 遙控器的主程序設(shè)計(jì)

遙控器主要具備以下3點(diǎn)功能：① 單片機(jī)通過硬件SPI接口及其通信方式對(duì)無線通信模塊的通信地址、工作頻率、通信通道、工作模式等進(jìn)行初始化設(shè)置；② 單片機(jī)使用中斷次數(shù)累計(jì)延時(shí)掃描法消除功能按鍵被按下時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)信號(hào)，以準(zhǔn)確判斷功能按鍵狀態(tài)；③ 無線通信模塊根據(jù)將相關(guān)功能按鍵的狀態(tài)，實(shí)時(shí)更新向絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送相關(guān)命令數(shù)據(jù)。

遙控器主程序設(shè)計(jì)思路如下。單片機(jī)上電復(fù)位后對(duì)其相應(yīng)的I/O口配置為準(zhǔn)雙向口工作模式，配置定時(shí)器工作方式和初始值，配置無線通信模塊通信地址、通道、頻率等，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中實(shí)時(shí)檢測(cè)功能按鍵狀態(tài)，當(dāng)功能按鍵狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過無線通信模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)的功能指令數(shù)據(jù)[12]。遙控器主程序設(shè)計(jì)流程如圖13所示。

圖13 遙控器主程序流程

4 實(shí)驗(yàn)與分析

絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)與遙控器分別如圖14、圖15所示。

圖14 掛在導(dǎo)線上的修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖15 遙控器按鍵功能圖

遙控器中各個(gè)功能按鍵名稱如圖15所示，其中有控制絕緣修復(fù)裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)上升和下降，向前和向后行走，絕緣膠布開始包扎，包扎3圈(默認(rèn)3圈，每按下1次增加3圈)，割斷絕緣膠布，撫平絕緣膠布切割接口以增強(qiáng)包裹效果，使絕緣膠布與電線貼合更緊密。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試修復(fù)裝置第一代樣機(jī)已經(jīng)完成，且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。樣機(jī)尚處于實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段，有很多改進(jìn)空間。修復(fù)裝置輕量化、小型化是一個(gè)大的改進(jìn)方向，也需要后期不斷探索、改進(jìn)以及測(cè)試驗(yàn)證。

5 總結(jié)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用戶對(duì)供電可靠性需求不斷提高，為避免工作人員帶電作業(yè)出現(xiàn)危險(xiǎn)，配電線路絕緣維修工作需要智能化裝置的加入。本文所提出的一種配電線路絕緣修復(fù)裝置旨在希望進(jìn)一步減輕數(shù)電線路維保工作人員的工作量，提供安全可靠的工作環(huán)境，降低維修的時(shí)間和人力成本，使維修過程更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，同時(shí)為輸電線路絕緣修復(fù)實(shí)現(xiàn)智能化技術(shù)的發(fā)展提供參考。