輸電線路帶電作業(yè)絕緣電動牽引裝置的設(shè)計

肖湘奇，鄒德華，曾祥君，郭昊，劉拓晟（.長沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖南長沙40004；.國網(wǎng)湖南省電力公司帶電作業(yè)中心，湖南長沙4000）

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輸電線路帶電作業(yè)絕緣電動牽引裝置的設(shè)計

肖湘奇1，2，鄒德華2，曾祥君1，郭昊2，劉拓晟2
（1.長沙理工大學(xué)智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖南長沙410004；2.國網(wǎng)湖南省電力公司帶電作業(yè)中心，湖南長沙410010）

摘要：為解決傳統(tǒng)牽引裝置工作效率低、穩(wěn)定性不高、安全系數(shù)低等問題，課題組研制出輸電線路帶電作業(yè)絕緣電動牽引裝置，該裝置以XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片為核心，采用新型低速輪轂無刷直流電機(jī)作為動力，電機(jī)以自控方式運(yùn)行，重載啟動時不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步，有效解決了傳統(tǒng)牽引裝置穩(wěn)定性不高的問題；采用絕緣滑輪，有效解決金屬滑輪與絕緣繩摩擦產(chǎn)生金屬粉末造成絕緣工具的二次污染問題；與傳統(tǒng)方式相比該裝置能有效減少作業(yè)人員的工作量，提高工作效率，具有安全系數(shù)高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：XC0608；無刷電機(jī)；帶電作業(yè)；絕緣材料；牽引裝置

工器具、材料的起吊及牽引工作是輸電線路檢修中一個非常普通但是又非常重要的步驟，牽引工作的順利進(jìn)行直接關(guān)系到整個檢修工作安全、有效地開展［1-3］。在以往的輸電線路檢修等工作中，仍然存在勞動量較大，牽引穩(wěn)定性不高的問題［4］。針對這種情況，急需研制一種穩(wěn)定性較高的帶電作業(yè)絕緣電動牽引裝置。

針對帶電作業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求［5-7］，采用高絕緣性能的聚乙烯材料制造絕緣滑輪，該裝置通過XC0608集成芯片控制電機(jī)穩(wěn)定輸出帶動絕緣滑輪的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無極繩帶動工器具、材料的起吊及牽引工作［4-8］。

1　電機(jī)的選擇

普通的直流有刷電機(jī)是用電刷與換向器通過機(jī)械接觸進(jìn)行換向的，而無刷電機(jī)則是通過傳感器（本裝置采用霍耳磁傳感器）檢測出繞組的位置，并通過專用的集成電路接通相應(yīng)的功率器件給繞組供電。由于沒有電刷與換向器的機(jī)械接觸與磨損，不需要經(jīng)常更換電刷等易損件，從而提高了電機(jī)的壽命，減少了維修的費(fèi)用，同時具有運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、效率高、相對成本低等優(yōu)點(diǎn)［9-10］。

本裝置選用恒定輸出功率的低速輪轂無刷電機(jī)，該電機(jī)以自控方式運(yùn)行，重載啟動時，不用像變頻調(diào)速的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步，這樣的設(shè)計使裝置的使用壽命較長、性能較好。電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of brushless DC motor

根據(jù)常用工器具、材料的重量設(shè)定電機(jī)的功率，預(yù)留一定的裕度，這樣能有效保證電機(jī)的運(yùn)行電流不超過電機(jī)的承受范圍。通過加裝過電流保護(hù)和過壓欠壓保護(hù)裝置實(shí)時監(jiān)測電壓、電流，防止燒壞電機(jī)。工器具所需牽引力的大小、電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與外轉(zhuǎn)式電機(jī)的功率關(guān)系如下：

式中：T為轉(zhuǎn)矩，N·m；P為輸出功率，kW；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)該方法選擇的電機(jī)恒定輸出功率為550 W。低速的輪轂無刷電機(jī)配置如表1所示。

表1　電動牽引裝置的配置Tab.1 Configuration of the electric traction device

2　滑輪材料的選擇

傳統(tǒng)牽引裝置的滑輪采用金屬材料。針對帶電作業(yè)對絕緣性的特殊要求，將傳統(tǒng)的金屬滑輪改為絕緣滑輪既有效解決了絕緣工具的二次污染問題，還可以有效防止絕緣牽引繩上可能存在的泄漏電流，經(jīng)過電動絞磨向大地形成回路損壞電動機(jī)或其他設(shè)備線路，為帶電作業(yè)人員的安全多提供了一份保障。

聚乙烯（PE）是乙烯經(jīng)聚合制得的一種熱塑性樹脂，具有很好的耐低溫能力，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，耐酸堿的侵蝕能力強(qiáng)，電絕緣性能優(yōu)良，故本裝置采用高絕緣性能的聚乙烯材料制作絕緣滑輪。

3　無刷電機(jī)控制芯片的選擇

本裝置控制芯片采用XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片，該集成芯片具有效率高、功耗低、集成度高等特點(diǎn)。相對其他的集成芯片更加易操作且所需外接電路較少，采用1片XC0608就能實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)的控制功能，如果用其他集成芯片有可能需要2片或者4片才能完成同等功能。同時由于裝置集成度較高，外接電路相對較少，電路出問題的概率也越少，可靠性也就很高。

XC0608芯片介紹如下：XC0608是一款無刷電機(jī)專用集成芯片，是本牽引裝置的控制核心，共有20個引腳，其中有3對用來做上級驅(qū)動輸入引腳，3對用來做下級驅(qū)動輸出引腳，還有2個引腳用作脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器的輸入。本裝置中XC0608芯片的接線原理圖如圖2所示。

圖2　控制芯片接線原理圖Fig.2 Wiring principle diagram of the control chip

4　帶電作業(yè)絕緣電動牽引裝置的模塊設(shè)計

系統(tǒng)以XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片為核心，按照各部分功能可以分為電源管理模塊、霍耳元件換相與電機(jī)驅(qū)動模塊、電機(jī)控制模塊（包括：調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、剎車等3個模塊）、電路保護(hù)模塊（包括：過電流保護(hù)和過壓欠壓保護(hù)2個模塊）等4部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 3 Structural diagram of the system

4.1電源管理模塊

當(dāng)有外接電源時，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定輸出額定電壓36 V、電流10 A·h為整個系統(tǒng)供電；當(dāng)沒有外接電源時，整個裝置由后備的36 V，12 A·h可充電鋰電池供電；根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)時工器具、材料的平均負(fù)載，按持續(xù)工作電流8 A計算，則工作約為1.5 h，但考慮到實(shí)際工作時，大部分時間為待機(jī)狀態(tài)，不需長時間啟動裝置傳遞工具，所以該備用電源的工作時間至少可以達(dá)到3~4 h，完全滿足現(xiàn)場正常工作需求。為了防止進(jìn)行傳遞作業(yè)時供電不足發(fā)生事故，特別設(shè)計了電源實(shí)時監(jiān)控電路，對電池容量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)電量不足時，立刻報警示意工作人員更換電池或?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電。

電源管理模塊共分2部分：第1部分經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM385穩(wěn)定輸出36 V電壓，作為直流無刷電機(jī)的工作電源；第2部分經(jīng)過LM385穩(wěn)定輸出5 V電壓為其它芯片供電，例如XC0608的工作電壓就是5 V；同時在這2個部分之間加上隔離電阻，避免他們互相干擾。

為了使裝置的工作時間最大化，設(shè)計時充分考慮到電源管理模塊的工作效率，加裝了節(jié)電裝置，電動牽引裝置開始工作后，具有自動識別工作狀態(tài)的功能，如果在規(guī)定的時間內(nèi)（本裝置設(shè)定為2 min）沒有檢測到工作狀態(tài)，裝置將自動進(jìn)入睡眠模式，停止工作，并開啟剎車功能。

4.2霍耳元件換相模塊與電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)的驅(qū)動模塊是以XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片為控制核心，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）伺服驅(qū)動器。該模塊由兩級放大電路組成，分別為前級驅(qū)動和后級驅(qū)動。

1）前級驅(qū)動。主要是由霍耳傳感器和XC0608兩部分組成，霍耳傳感器的主要作用則是通過磁電效應(yīng)來檢測出繞組的位置進(jìn)行換相。

圖4　霍耳傳感器的接線原理圖Fig.4 Wiring principle diagram of the Hall sensor

霍耳傳感器的接線原理見圖4，上部分為電機(jī)霍耳傳感器的接口部分，下部分為電機(jī)霍耳傳感器的采樣部分。其中BB1，BB2，BB3是通過電容隔離直流后的霍耳傳感器交流基準(zhǔn)采樣電壓。

2）后級驅(qū)動。主要由XC0608、三極管和MOS管等3部分組成。每一相由電機(jī)驅(qū)動芯片出來的驅(qū)動信號通過后級放大電路進(jìn)行放大，以提供足夠大的驅(qū)動電流保證電機(jī)的正常運(yùn)行。對應(yīng)電機(jī)的三相，后級驅(qū)動電路分別設(shè)計了3組，以電機(jī)的A相驅(qū)動電路為例說明工作原理。

A相后級放大電路原理圖如圖5所示，其中，第1級電路由3個三極管組成升壓電路，提供給后級MOS管足夠大的開啟電壓和瞬時電流，第2級由4個MOS管組成橋式電路來驅(qū)動電機(jī)繞組。

圖5　A相后級放大電路原理圖Fig.5 Amplifier circuit principle diagram of A phase

4.3電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊主要用于控制電機(jī)的運(yùn)行，由高穩(wěn)定性的LM385芯片與XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片配合實(shí)現(xiàn)，主要包括：門鎖開關(guān)、運(yùn)行控制（即調(diào)速模塊）、剎車模塊，正反轉(zhuǎn)模塊等。

1）門鎖開關(guān)為信號的開關(guān)，控制所有的信號通斷。

2）運(yùn)行控制（即調(diào)速模塊）。使電機(jī)的速度能按照手把轉(zhuǎn)動的角度發(fā)生變化從零速度到最大速度。

如圖6所示為調(diào)速模塊原理圖。從2個電阻中間取得電壓的變化，當(dāng)旋鈕的轉(zhuǎn)角從0轉(zhuǎn)向最大角度時，輸出1.4～4.2 V；模擬信號通過轉(zhuǎn)成數(shù)字信號來控制信號的脈寬進(jìn)行調(diào)制，速度和控制電壓成正比，達(dá)到良好的控制。

圖6　調(diào)速模塊原理圖Fig.6 Principle diagram of the control module

3）剎車模塊。剎車信號用于強(qiáng)制切斷電機(jī)電源和阻斷調(diào)寬脈沖，同時還作為一種“復(fù)位”，剎車時自動斷開供電電源。

4）正反轉(zhuǎn)模塊。電機(jī)可以根據(jù)工作需要實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能，達(dá)到工器具、材料的上下牽引傳遞的目的。

4.4電機(jī)保護(hù)模塊

電機(jī)保護(hù)模塊主要用于保護(hù)電機(jī)，由高穩(wěn)定性的LM385芯片與XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片配合實(shí)現(xiàn)，主要包括過流中斷保護(hù)模塊和過壓欠壓保護(hù)模塊等。

4.4.1過流中斷保護(hù)模塊

過流中斷保護(hù)模塊原理圖如圖7所示。它主要用來對電機(jī)的過流進(jìn)行控制，通過串聯(lián)4個電阻（R32和R43，R47和R51）在電源的供電回路中，根據(jù)電阻電壓與電源的供電電流成正比的關(guān)系，測定電源的供給電流。由電流采樣電阻取出的信號，經(jīng)LM358放大，從NEC單片機(jī)的AD輸入。通過電流檢測芯片設(shè)置的閾值來判斷是否過流。

圖7　過流中斷保護(hù)模塊原理圖Fig.7 Principle diagram of over current protection module

4.4.2過壓欠壓保護(hù)模塊

過壓欠壓保護(hù)模塊原理圖如圖8所示。

圖8　過壓欠壓保護(hù)模塊原理圖Fig.8 Principle diagram of the over-voltage or under-voltage protection module

過壓欠壓保護(hù)模塊利用電壓采樣電阻（分別是R39，R45），從2個電阻中間取得電源電壓的變化即POWER到地的分壓，以供NEC單片機(jī)監(jiān)控電池電壓。

當(dāng)電池電壓低于33 V時，電源停止供電，以避免電池的過度放電；同理，如果高于電源電壓時，則穩(wěn)定到電源電壓。

5　結(jié)論

1）輸電線路帶電作業(yè)絕緣電動牽引裝置采用XC0608無刷電機(jī)專用集成芯片為控制核心，以新型低速的輪轂無刷直流電機(jī)作為動力，裝置的穩(wěn)定性較高。

2）將傳統(tǒng)的金屬滑輪改為絕緣滑輪，有效解決了絕緣工具的二次污染問題，為帶電作業(yè)人員和設(shè)備的安全多提供了一份保障。

3）帶電作業(yè)絕緣牽引裝置具有啟動、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、暫停等多種功能，同時配備了電子鎖與機(jī)械鎖兩種類型剎車，具有使用方便，操作簡單、安全高效的特點(diǎn)，有效地減輕了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

［1］周考信.我國電網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀和未來［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1995，19（2）：1-4．

［2］吳敬儒，徐永禧.我國特高壓交流輸電發(fā)展前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（3）：1-4．

［3］胡毅，王力農(nóng)，鄒偉.送配電帶電作業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．電力設(shè)備，2003，4（2）：35-39．

［4］胡毅.輸配電線路帶電作業(yè)技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（11）：1-10．

［5］GB／T 16927. 1—1997高電壓試驗技術(shù)，第一部分：一般試驗要求［S］. 1997．

［6］胡毅.送變電帶電作業(yè)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004．

［7］丁一正.帶電作業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：中國電力出版社，1998．

［8］王麗梅. 110 kV電壓等級交聯(lián)聚乙烯絕緣材料老化特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2013．

［9］劉述喜，王明渝.基于DSP的電機(jī)數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計［J］.微特電機(jī)，2008，36（12）：22-25．

［10］石海鵬，李衛(wèi)國，渠展展.手持式絕緣子在線檢測裝置的研究［J］.電瓷避雷器，2012（1）：22-26，32．

［11］DL 409—1991電業(yè)安全工作規(guī)程［S］. 1991．

［12］DL/T 867—2004帶電作業(yè)絕緣配合導(dǎo)則［S］. 2004．

修改稿日期：2016-01-19

Design of Insulating Electric Traction Device of Live Working on Transmission Line

XIAO Xiangqi1，2，ZOU Dehua2，ZENG Xiangjun1，GUO Hao2，LIU Tuosheng2
（1. Changsha University of Science and Technology Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control，Changsha 410004，Hunan，China；2. State Grid Hunan Electric Power Company，Changsha 410010，Hunan，China）

Abstract:In order to solve the problem of traditional traction device，which is inefficiency，low traction stability and low safe coefficient. Research group designed the insulating electric traction device of live working on transmission line，based on the brushless motor special integrated chip XC0608，used new low-speed hub brushless DC motor as the power with running in automatic way. Overloading starts，the motor didn′t generate oscillation and step out，which effectively solved the problem of the stability of traditional equipment；Using insulating blocks，the device effectively solved the problem of insulated tools of metal powder secondary pollution generated by the mutual friction from metal pulley and insulating rope. Compared with the traditional device，the performance of the device，with high stability，can effectively reduce the workload of workers and improve the work efficiency and safe coefficient.

Key words:XC0608；brushless DC motor；live working；insulation materials；traction device

收稿日期：2015-03-17

作者簡介：肖湘奇（1989-），男，碩士研究生，Email：84578610@qq.com

中圖分類號：TM726.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A