帶電清除配電線路異物的遙控仿生操作工具

章志鈞，孫 偉，傅正財

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

配電線路帶電作業(yè)是指在配電線路的各類設(shè)備上進(jìn)行不停電檢修和測試的一種特殊作業(yè)，可避免檢修時線路停電。應(yīng)用和推廣遙控仿生操作工具，可以提高異物清除的帶電作業(yè)化率。本文主要介紹遙控仿生操作工具的各部件規(guī)格與參數(shù)，工作原理和特性，以及投入現(xiàn)場應(yīng)用的情況，就遙控仿生操作方式在配電線路中間電位法帶電清除異物的應(yīng)用實驗進(jìn)行論述。

1 配電線路帶電清除異物的狀況

1）作業(yè)量大且逐年提升 帶電作業(yè)可以根據(jù)人體與帶電體之間的關(guān)系，分為等電位作業(yè)、地電位作業(yè)和中間電位作業(yè)。為了最大限度保證作業(yè)人員的人身安全，配電線路帶電作業(yè)優(yōu)先考慮中間電位作業(yè)。

帶電清除異物最常用的作業(yè)方法是中間電位作業(yè)法，即人體處于接地體和帶電體之間的狀態(tài)，使用絕緣工具間接接觸帶電設(shè)備來達(dá)到清除異物的方法。在利用絕緣高架車帶電清除異物的過程中，工作人員處于中間電位下，關(guān)鍵是要對帶電體保持一定的安全距離。

帶電清除異物是供電公司日常帶電作業(yè)工作的重要組成部分，嘉定供電公司帶電作業(yè)組有關(guān)2005年，2008—2010年帶電作業(yè)類別統(tǒng)計數(shù)，如表1所示。

由表1可見，近年來隨著配電自動化率的提高，配電線路帶電斷接導(dǎo)線的工作逐年減少，而隨著人民物質(zhì)生活水平的提高，各類活動產(chǎn)生的異物造成配電線路障礙次數(shù)增多，帶電清除線路異物的比重增幅比較顯著。

表1 帶電作業(yè)組作業(yè)類別統(tǒng)計

對2010年帶電清除異物工作單進(jìn)行細(xì)分，將最后通過停電作業(yè)清除的異物以及缺陷處理較為困難的異物按照形狀、纏繞方式、位置、導(dǎo)電性分類，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 2010年帶電作業(yè)組清除困難異物統(tǒng)計

由表2可見，現(xiàn)有操作方式難以清除的異物幾乎都導(dǎo)電，重力支持與非重力附著方式參半，大部分位于導(dǎo)線和橫擔(dān)上。

2）作業(yè)方式不斷創(chuàng)新和完善 最初清除異物是利用有效長度的絕緣操作棒接觸異物，改變異物的重心位置，使異物受到重力影響，從指定的方向或軌道脫離配電線路設(shè)備。隨著配電線路異物多樣性的發(fā)展，帶電清除異物的工器具與操作方法也在不斷地完善和拓展，如絕緣操作棒端部機構(gòu)的更新，利用輔助絕緣操作桿傳遞機械能等。

3）作業(yè)項目安全風(fēng)險高且艱難 帶電清除異物是帶電作業(yè)中安全風(fēng)險最高的項目，由于異物種類、纏繞方式、結(jié)構(gòu)等受各種因素的影響，不能觀察透徹，僅靠帶電作業(yè)過程中“隨機應(yīng)變”的方式，往往會埋下安全隱患。以目前清除異物的方法進(jìn)行作業(yè)，受現(xiàn)場環(huán)境因素和異物類別的制約，部分清除異物的作業(yè)難度大、耗時長，占用了較大的帶電作業(yè)資源。例如：農(nóng)村中被大風(fēng)吹起的塑料薄膜、廣場上斷線的風(fēng)箏、各類文化活動放飛的氣球、喜慶節(jié)日燃放的鞭炮……與配電線路構(gòu)件纏繞緊密。另外，隨著地區(qū)生態(tài)環(huán)境的逐步改善，各類候鳥棲息繁殖，配電線路上的鳥巢也被列為帶電清除異物作業(yè)的對象。

2 遙控仿生操作工具的研制

遙控仿生操作工具由機械端部、絕緣桿、遙控發(fā)射器和接收機組成。機械端部用來實施具體操作，絕緣桿用以維持人體與帶電體有效絕緣，發(fā)射器與接收機實現(xiàn)操作命令的無線傳輸功能。

2.1 機械設(shè)計

在停電情況下，登桿作業(yè)清除異物最主要是通過“手”的操作，實施“拉、鉤、抓”等動作，遇到僅靠手無法清除的異物，一般采用實施“割、剪”動作工具的配合，即可使異物脫離配電線路設(shè)備。遙控仿生操作工具的機械功能設(shè)計，滿足“割、拉、鉤、剪、抓”5個動作的功能，如圖1所示。

圖1 遙控仿生操作工具

遙控仿生操作工具端部與絕緣部位采用萬向接頭，用以調(diào)整端部操作工具與絕緣部位的角度，以滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境多變的需要，如圖2所示。

2.2 絕緣設(shè)計

遙控仿生操作工具的性能指標(biāo)，要滿足35kV及以下工器具的安全標(biāo)準(zhǔn)并通過電氣試驗。其端部機構(gòu)的尺寸有嚴(yán)格的技術(shù)要求，對于延展性與機械強度要求較低的部位采用絕緣材料，在確保電壓穩(wěn)定的前提下，選擇體積小巧的微型電機與電池，使配電線路帶電清除異物操作過程滿足國家GB／T 18857—2008標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 遙控仿生操作工具端部萬向接頭

2.3 電氣設(shè)計

為了保證遙控仿生操作工具接收器的正常工作，選用了12V的2 500mA／h鋰電池，充電后能連續(xù)工作10h，當(dāng)電池電壓低于9.5V時，電源指示燈熄滅，此時必須給鋰電池充電，以免電池?fù)p壞。

因為在夾鉗夾緊和張開太大時，電機會因停轉(zhuǎn)而引起很大的堵轉(zhuǎn)電流（電機正常工作時的電流在70～100mA，堵轉(zhuǎn)時大于700mA），為了防止電池大電流放電和電機過熱被燒毀，特增加限流保護(hù)電路，在堵轉(zhuǎn)時限流保護(hù)電路工作，把電流限制在350mA以下（實踐證明，該電流太小會影響夾鉗的夾緊力，太大會影響電機和電池壽命），并用蜂鳴器報警，告訴操作人員通過發(fā)射器關(guān)閉電機。遙控仿生操作工具主要電氣技術(shù)規(guī)范，如表3所示。

表3 遙控仿生操作工具主要電氣技術(shù)規(guī)范

為了清晰地指示夾鉗的夾緊和放開兩種工作狀態(tài)，在接收器的下方裝有兩只LED燈，綠燈亮表示操作機構(gòu)處于閉合狀態(tài)，紅燈亮表示操作機構(gòu)處于分開狀態(tài)。

2.4 遙控設(shè)計

遙控發(fā)射器和接收機采用超高頻無線電波通信，具有較好的抗干擾性能。遙控發(fā)射器采用專用芯片編碼，通過高頻調(diào)制，形成無線電波發(fā)射給接收機。接收機將接收到的無線電波信號，放大解調(diào)后再經(jīng)專用單片機解碼，分別去控制不同的繼電器，使直流電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。電機輸出的高轉(zhuǎn)速，通過高變比的變速器，降為50～100r／min，并產(chǎn)生較大的力矩，通過絲桿推動機構(gòu)的分合動作。

2.5 遙控仿生操作工具的試驗

除了進(jìn)行絕緣耐壓試驗之外，遙控仿生操作工具還進(jìn)行了4項試驗。

1）電動力矩試驗 根據(jù)電機轉(zhuǎn)速、調(diào)速裝置以及端部機構(gòu)設(shè)計，測試機械鉗緊固力，機械剪剪切力，機械鉤張力，確保操作機構(gòu)能夠順利夾緊、切斷和拖拉異物。

2）遙控試驗 仿生操作工具可以在高架車等絕緣環(huán)境下進(jìn)行操作，在桿上操作人員視線不佳的情況下也能由地面人員幫助遙控，遙控距離試驗將確定地面遙控人員的位置范圍。

3）電場干擾試驗 不同于家用電器的遙控裝置，仿生操作工具在操作過程中時刻受到高壓設(shè)備電場的作用，電場干擾試驗是將操作機構(gòu)觸碰帶電設(shè)備的條件下進(jìn)行開合操作，以確認(rèn)其不受帶電設(shè)備電場的影響。

4）操作可靠性試驗 用以測試工具的電池壽命、端部機械構(gòu)件的回程誤差等。

3 帶電清除異物

3.1 帶電作業(yè)及實例

1）作業(yè)機理中間電位作業(yè)法是帶電清除異物的主要作業(yè)方式，作業(yè)人員站在絕緣平臺內(nèi)，用絕緣工具進(jìn)行操作。此時，人體與導(dǎo)線之間構(gòu)成一個電容C1，人體與地（桿塔）之間構(gòu)成另一個電容C2，絕緣工具的電阻為R1，絕緣平臺的絕緣電阻為R2。作業(yè)人員通過兩部分絕緣體分別與接地體和帶電體隔開，這兩部分絕緣體共同起著限制流經(jīng)人體電流的作用，同時兩段組合空氣間隙防止帶電體通過人體對接地體發(fā)生放電。中間電位作業(yè)的位置示意圖及等效電路如圖3所示。

2）清除異物功效 應(yīng)用遙控仿生操作工具清除異物，由于采用遠(yuǎn)程遙控的方式取代了人為施力的方式，在操作過程中力的施加更加準(zhǔn)確，減少了端部機構(gòu)的抖動，保持了人體與帶電體間的有效空氣間隙，保證了作業(yè)工具的有效絕緣距離，使電容C1與電阻R1維持在一個較為穩(wěn)定的數(shù)值，從而有效地降低了流經(jīng)人體的泄漏電流，提高了帶電作業(yè)的安全性。

圖3 中間電位作業(yè)的位置示意圖及等效電路

3）應(yīng)用實例 2012年1月至6月嘉定供電公司利用仿生遙控操作工具進(jìn)行帶電清除異物作業(yè)68次。清除線路異物、作業(yè)次數(shù)、處理時間匯總后如表4所示。

表4 2012年1至6月嘉定供電公司帶電清除異物統(tǒng)計

在68次帶電清除異物過程中，將遙控仿生操作工具端部機構(gòu)放在合適的位置，利用功能控制即可方便地實現(xiàn)抓取、拽拉或剪斷異物的操作，使帶電作業(yè)過程更安全、更平穩(wěn)、更迅速、更輕松，平均清除異物時間為5.4min，較以往的平均清除異物時間11.2min減少了51.79%，節(jié)約了大量人力、物力和車輛臺班。利用拇指化的遙控操作取代傳統(tǒng)的體力操作，對于鳥巢的清除更徹底，減少候鳥在配電線路同一設(shè)備處重復(fù)筑巢的概率，降低鳥害的風(fēng)險。

4）注意事項 在清除異物時，只需將操作棒端部機構(gòu)放在合適的位置，利用功能控制即可方便地實現(xiàn)抓取、拽拉或剪斷異物工作，操作極其簡便，平均帶電清除異物的工作時間顯著減少。仿生遙控操作棒現(xiàn)場作業(yè)如圖4所示。

圖4 仿生遙控操作棒現(xiàn)場作業(yè)

3.2 仿生遙控絕緣機械鉗使用方法

1）使用前在發(fā)射器內(nèi)裝上12V遙控器專用電池。倘若按下發(fā)射器上的工作按鍵電源指示燈不亮，說明電池電壓過低，應(yīng)及時更換電池。

2）把配套專用的充電插頭，插入接收機的充電孔內(nèi)，將充電器接入市電，此時充電器上的LED燈顯示紅色，說明電池處于充電狀態(tài)，當(dāng)電池充滿電后指示燈變綠色，一般在電池用完電的情況下需要經(jīng)過2.5～3.5h才能充滿。新電池最好讓其完全用完，再把電池充足，這樣可以保持電池能量和延長壽命。

3）向上撥動接收機上的電源開關(guān)，此時接收機下方的紅色電源指示燈，和紅色的“夾鉗放開”指示燈亮，電機轉(zhuǎn)動，夾鉗做放開動作。按下發(fā)射器上的“D”鍵，紅色的“夾鉗放開”指示燈滅，電機和夾鉗停止工作。此時把操作棒拿到高壓線旁，再根據(jù)需要，按發(fā)射器上的“A”鍵，紅色的“夾鉗放開”指示燈亮，夾鉗放開，當(dāng)蜂鳴器響時，再按一下電機停止工作。或按發(fā)射器上的“B”鍵，綠色的“夾鉗夾緊”指示燈亮，夾鉗夾緊，當(dāng)蜂鳴器響時，再按一下電機停止工作。

4）當(dāng)接收機上的電源指示燈明顯變暗或不亮?xí)r說明電池電壓過低，應(yīng)及時充電。

4 結(jié)語

遙控仿生操作工具于2011年6月開始研制，2011年10月完成制造和出廠試驗，2011年11月完成模擬線路測試，2011年12月投入應(yīng)用，至今應(yīng)用效果顯著，使原來體力操作難以完成的帶電清除異物工作（操作過程中對安全距離嚴(yán)格要求的異物處理如黏附于35kV電纜頭上的薄膜，懸吊在導(dǎo)線上的風(fēng)箏等）現(xiàn)在都可輕松完成，減輕操作人員體力，提高工作效率，增加帶電作業(yè)安全性。

在實踐中發(fā)現(xiàn)，同時滿足“割、拉、鉤、剪、抓”及其他操作行為的組合式機械端部與控制方法的設(shè)計，將是下一步遙控仿生操作工具的發(fā)展方向，以實現(xiàn)“一鍵多能”的操作方法，不僅應(yīng)用于帶電清除異物，更可推廣至帶電斷接導(dǎo)線，帶電更換配電線路設(shè)備的作業(yè)類型中去。