絕緣軟梯梯頭改造設(shè)計(jì)及分析

胡廣平 溫銘杰

（1.廣東省江門市電力工程輸變電有限公司 廣東省江門市 529085 2.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部 廣東省江門市 529030）

1 引言

電力系統(tǒng)中輸電線路搶修與維護(hù)作業(yè)頻率很高，為避免作業(yè)造成大面積停電影響，“帶電作業(yè)”在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。輸電線路帶電作業(yè)多采用絕緣軟梯法，該作業(yè)方法需要利用絕緣軟梯、絕緣拉板、絕緣滑車和蠶絲繩等工器具配合完成[1]。作業(yè)時(shí)首先將絕緣軟梯懸掛在高壓輸電線路上,固定后作業(yè)人員攀登絕緣軟梯至導(dǎo)線處開(kāi)展帶電作業(yè)[2]?，F(xiàn)有普通高壓絕緣軟梯梯頭設(shè)計(jì)有滑輪，便于作業(yè)人員在線路上移動(dòng)。該滑輪具備在電纜等金屬導(dǎo)線上滑動(dòng)的功能，但在軟梯梯頭掛上電纜、從電纜上取下或者作業(yè)中途臨時(shí)停車時(shí)，均需要地面工作人員利用牽引繩拉拽來(lái)固定位置，操作不便且并不穩(wěn)定，存在安全隱患且勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。目前輸電線路帶電作業(yè)所使用的絕緣軟梯，在等電位人員進(jìn)入電場(chǎng)前無(wú)法對(duì)梯頭閉鎖裝置進(jìn)行雙側(cè)可靠閉鎖[3]。因此希望能對(duì)絕緣軟梯梯頭進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。絕緣軟梯梯頭的改造設(shè)計(jì)目標(biāo)希望能實(shí)現(xiàn)軟梯梯頭在電纜上能實(shí)現(xiàn)鎖緊、解鎖功能，從而解決作業(yè)過(guò)程中需要人工牽引拉拽來(lái)固定絕緣軟梯位置的問(wèn)題，進(jìn)一步希望實(shí)現(xiàn)在作業(yè)人員上下絕緣軟梯之前就能將軟梯梯頭鎖緊在線路上不會(huì)沿電纜方向滑動(dòng)，從而提高安全性能，降低作業(yè)難度，提升作業(yè)效率。

絕緣軟梯因?yàn)槠鋷щ娮鳂I(yè)的特殊要求，對(duì)其改造設(shè)計(jì)必須謹(jǐn)慎，近些年圍繞這一目的的絕緣軟梯研究成果較少。文獻(xiàn)[3]提出的改造方案實(shí)際只是針對(duì)滑輪閉鎖鎖片增加了鎖定結(jié)構(gòu)，可以保證絕緣軟梯可靠掛接在電纜上，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)絕緣軟梯不在電纜上滑動(dòng)。文獻(xiàn)[4]則實(shí)現(xiàn)了絕緣軟梯和梯頭之間的連接軟體架部分的自鎖，同樣無(wú)法解決絕緣軟梯在電纜上滑動(dòng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]所作的改進(jìn)是針對(duì)絕緣子作業(yè)的特定場(chǎng)合，主要目的是減少絕緣軟梯搖晃對(duì)絕緣子的損害。文獻(xiàn)[6]提出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且沒(méi)有從根本上解決軟梯梯頭在電纜上的鎖止，不是針對(duì)本文所述的改進(jìn)目標(biāo)。

從以上分析可知，需要一種不對(duì)軟梯梯頭現(xiàn)有結(jié)構(gòu)作大型改動(dòng)，不能降低軟梯梯頭絕緣性能、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性能，對(duì)現(xiàn)有帶電作業(yè)必須程序沒(méi)有影響的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)常用的110kV 以上等級(jí)輸電線路所用的絕緣軟梯，基于實(shí)際作業(yè)要求，提出以下設(shè)計(jì)思路。

1.1 改造功能要求

1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)功能

根據(jù)上述分析希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，將絕緣軟梯的所需功能分解為：上下絕緣軟梯時(shí)能鎖定梯頭，實(shí)現(xiàn)梯頭不會(huì)沿電纜方向滑動(dòng)，便于確定位置。需要移動(dòng)位置時(shí)，軟梯梯頭能夠利用其滑輪在地面人員的拖拽下滑行到預(yù)定位置。滑行到需要位置后，無(wú)論作業(yè)人員是否在絕緣軟梯上，能夠快速鎖定絕緣軟梯。要實(shí)現(xiàn)這些功能，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是為軟梯梯頭滑輪增加剎車功能，能夠在移動(dòng)狀態(tài)下解鎖剎車結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自由滑動(dòng)。到達(dá)預(yù)定位置需要固定，則鎖止剎車結(jié)構(gòu)，且實(shí)現(xiàn)不沿電纜方向滑動(dòng)。

1.1.2 遙控功能

實(shí)現(xiàn)剎車結(jié)構(gòu)的功能，最穩(wěn)妥的方式是不改變絕緣軟梯現(xiàn)有部分，在梯頭滑輪部位加裝剎車結(jié)構(gòu)，且由作業(yè)人員手動(dòng)操作剎車結(jié)構(gòu)，手動(dòng)操作則必須保證作業(yè)人員正站在絕緣軟梯上。如果希望能夠自動(dòng)控制或者遠(yuǎn)程控制剎車結(jié)構(gòu)，則需要增加遠(yuǎn)程電控的結(jié)構(gòu)控制剎車裝置。針對(duì)這一功能需求，利藍(lán)牙通信技術(shù)設(shè)計(jì)無(wú)線遙控電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)控制剎車開(kāi)合是一種可行的方案，該方案具有很強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)遙控器可以直接利用手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)，具有操作方便的特點(diǎn)。

1.2 結(jié)構(gòu)改造思路

根據(jù)功能分析，提出以下改造設(shè)計(jì)思路：由于要求保持原梯頭的總體結(jié)構(gòu)，改造后的梯頭不能影響掛摘絕緣軟梯，同時(shí)滿足在較大垂度的導(dǎo)線掛梯作業(yè)，并且在作業(yè)人員登梯后可以手動(dòng)鎖緊或解鎖。實(shí)現(xiàn)該要求的軟梯梯頭結(jié)構(gòu)改造方案是在滑輪上增加可靠固定的剎車結(jié)構(gòu)，改造后的絕緣軟梯梯頭效果如圖1所示，剎車機(jī)構(gòu)要輕便體積小，鎖止性能要強(qiáng)。

針對(duì)遙控的功能需求，在實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制鎖止功能后，選擇合適的大扭矩直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有產(chǎn)品中已有大量符合要求的裝置輸出扭矩能夠達(dá)到手動(dòng)輸出指標(biāo)。較為困難的是：采用合適的組合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剎車結(jié)構(gòu)，且電控裝置能滿足絕緣性能要求，同時(shí)不破壞帶電作業(yè)絕緣需求，能夠在高壓強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下可靠工作。

2 手動(dòng)剎車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 制動(dòng)分析

增加鎖止裝置首先需要分析現(xiàn)有軟梯結(jié)構(gòu)及操作步驟。

現(xiàn)有某些梯頭具有手?jǐn)Q螺釘鎖定滑輪的功能，一定程度能避免滑動(dòng)，但是由于滑輪固定后和電纜的摩擦系數(shù)也較小，無(wú)法起到很好的鎖定作用。而且手?jǐn)Q螺釘操作不便，無(wú)法快速剎停扶梯。針對(duì)掛梯和摘梯時(shí)的鎖定，要求不能影響掛摘軟梯，同時(shí)滿足在較大垂度的導(dǎo)線掛梯作業(yè)，并且在工作人員登梯后可以快速解鎖。操作步驟如下：

（1）掛上扶梯，扶梯時(shí)利用吊裝掛到電纜上，使扶梯上的一對(duì)滑輪嚙合進(jìn)電纜，以電纜為導(dǎo)軌。由于沒(méi)有鎖定裝置，且電纜在兩個(gè)線塔之間具有下墜的弧度，所以必須靠底下人員牽引固定住才能避免位移動(dòng)，讓工作人員爬上扶梯。

（2）移動(dòng)停車，在沿線運(yùn)動(dòng)檢修時(shí)，停車需要地面人員牽引固定。

（3）檢修工作人員從扶梯下來(lái)需要地面人員牽引固定，再將扶梯吊下。

假設(shè)導(dǎo)線下垂傾斜后與水平面的最大夾角為θ，則需要兩滑輪一共形成制動(dòng)摩擦力合力f 能克服軟梯總重力產(chǎn)生的分力為Fa，軟梯總重力為G，制動(dòng)最大靜摩擦系數(shù)為μ，受力分析圖如圖2所示。

則有

上式成立，只需滿足

一般電纜下垂角度不超過(guò)20°，所以得到

根據(jù)工程常用材料相對(duì)摩擦系數(shù)可知，一般橡膠對(duì)金屬靜摩擦系數(shù)可達(dá)0.8。所以使用橡膠支撐的方式采用單邊支撐對(duì)其中一個(gè)滑輪制動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)掛摘梯子的制動(dòng)力。即

2.2 剎車鎖止結(jié)構(gòu)

基于上述分析，在現(xiàn)有軟梯梯頭的基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)固定剎車裝置，為便于安裝且增加安全性能，在軟梯梯頭滑輪處增加了手動(dòng)剎車鎖止結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)部分，分別是鎖止底座、橡膠制動(dòng)墊和剎車抱閘結(jié)構(gòu)。

2.2.1 鎖止底座

鎖止底座在兩端的梯頭滑輪處增加各一個(gè)，安裝效果如圖3(a)所示。“鎖止底座”本身由兩部分構(gòu)成，固定在軟梯梯頭滑輪處的“安裝橫板”和在“安裝橫板”上可手動(dòng)控制上下移動(dòng)的“升降柱”，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

鎖止底座的主要作用是將剎車結(jié)構(gòu)固定在絕緣軟梯梯頭，同時(shí)可在底座上安裝其它需要添加的機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件。本設(shè)計(jì)中“升降柱”是實(shí)現(xiàn)升降并控制剎車結(jié)構(gòu)的連接部分。

2.2.2 橡膠制動(dòng)墊

鎖止軟梯的主要結(jié)構(gòu)為一塊橡膠制動(dòng)墊，只需安裝在其中一個(gè)鎖止底座上，橡膠制動(dòng)墊如圖4所示，其底部凹槽為橡膠墊安裝位置，其材料只需滿足式（4）即可。

為了快速支起橡膠制動(dòng)墊，制動(dòng)支膠采用四連桿肘節(jié)夾具的方式，當(dāng)工作人員站立在扶梯上時(shí)，通過(guò)高增益的連桿結(jié)構(gòu)，快速省力地升起和伸出支腳。

2.2.3 剎車抱閘

剎車抱閘結(jié)構(gòu)安裝在另一側(cè)鎖止底座上，用于梯子在滑行時(shí)采用剎車把控制抱剎抱緊電纜的方式剎車，剎車力道取決于使用者剎車力道。為了能保證剎車后工作人員能松開(kāi)剎車把雙手作業(yè)。剎車把需具備鎖定功能，保持剎車力道。所以剎車抱閘采用自行車抱閘，剎車采用帶駐車功能的剎車手把。剎車抱閘結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于抱閘在掛摘梯子的時(shí)候會(huì)影響操作，容易卡住電纜，所以再掛摘扶梯時(shí)需要收起，抱閘安裝在一個(gè)可以折疊的支架上，支架在掛摘梯子時(shí)收起，當(dāng)工作人員爬上梯子后，手動(dòng)放下并釋放鎖銷固定支架，避免翻動(dòng)。

2.3 手動(dòng)操作方式

經(jīng)改造后的絕緣軟梯使用步驟為：

（1）掛梯前檢查梯子，確保抱閘已經(jīng)收起，將直腳放下。

（2）掛梯后登梯到梯頭，將抱閘放下鎖定，并握制動(dòng)手把使抱閘抱緊電纜，并扣下駐車扳機(jī)，使梯子駐車。

（3）扳動(dòng)連桿手把收起支腳，松開(kāi)駐車扳機(jī)后松開(kāi)抱閘即可使扶梯在電纜上自由滑行，需要停車時(shí)通過(guò)剎車手把制動(dòng)或駐車。

（4）摘梯，作業(yè)完成后，工作人員先駐車，放下橡膠支腳，收起抱閘。然后趴下扶梯，然后將扶梯摘下。

3 遙控方案可行性分析

3.1 遙控功能設(shè)計(jì)

上述機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)測(cè)試，完全可以滿足正常作業(yè)手動(dòng)操作需求。在此基礎(chǔ)上，單獨(dú)設(shè)計(jì)了一套遙控電機(jī)裝置并安裝于絕緣軟梯梯頭，用于測(cè)試遙控方案可行性。因考慮絕緣安全和國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前遙控方案僅作為功能測(cè)試，沒(méi)有在實(shí)際中應(yīng)用。遙控電機(jī)模塊安裝效果如圖6所示。

遙控電機(jī)模塊電路主要實(shí)現(xiàn)的功能是：

（1）遙控模塊按照遙控器（手機(jī)端）發(fā)來(lái)的指令執(zhí)行電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)功能。

（2）考慮梯頭工作于帶電檢修環(huán)境要采取有效的防電磁干擾、過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)等措施，確保電路可靠性，目前采用設(shè)計(jì)為外殼采用強(qiáng)絕緣工程塑料。

（3）手動(dòng)鎖緊、解鎖功能由線路上作業(yè)人員就地控制梯頭，遙控功能由地面人員操作，就地權(quán)限更高。

（4）能實(shí)時(shí)顯示電池電量并具有低電量提醒功能（提醒功能在梯頭端及手機(jī)端均有）。

3.2 遙控電路設(shè)計(jì)

硬件電路總體框圖如圖7所示，由梯頭藍(lán)牙控制電路、梯頭減速電機(jī)及手機(jī)端APP組成。相應(yīng)的控制可由手機(jī)端安裝的軟件完成。其中手機(jī)端APP 負(fù)責(zé)發(fā)出控制鎖緊鎖/解鎖指令，該指令通過(guò)藍(lán)牙方式與梯頭安裝的基于藍(lán)牙通信的梯頭控制電路通信，該控制電路接收到指令后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)梯頭的鎖緊/解鎖。

梯頭藍(lán)牙控制電路采用TI 公司的CC2540 單片機(jī)，該芯片自帶藍(lán)牙功能，外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、壓力傳感器等模塊組成。如圖8所示。

藍(lán)牙模塊以從模式進(jìn)行廣播，等待智能移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)或平板）作為主設(shè)備進(jìn)行掃描、地址配對(duì)以及密碼驗(yàn)證等，完成密碼驗(yàn)證后，雙方以加密方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。單片機(jī)對(duì)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密或者解密，當(dāng)收到合法的解鎖或閉鎖命令后，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路使電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)剎車裝置完成緊鎖/解鎖操作，同時(shí)在鎖緊時(shí)同步檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的壓力傳感器的信號(hào)，確保梯頭能夾緊在線路上同時(shí)不會(huì)破壞線纜。

抗干擾措施的選擇，采用質(zhì)量較輕、易于加工且電磁屏蔽效果較好的鋁合金材料作屏蔽體，參考無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的外殼設(shè)計(jì)，選擇合適的導(dǎo)電襯墊在塑料外殼內(nèi)部進(jìn)行密封，從源頭上減少受高壓電場(chǎng)的電磁輻射干擾。電路板合理布局電源線、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線和干擾源盡可能遠(yuǎn)離；輸出與輸入端口采取有效的光電隔離措施，高頻連接線盡量短，接地電阻盡量小，并在適當(dāng)位置采取濾波。另外由于藍(lán)牙通信必須使用天線，為了提高抗干擾能力及增加通信距離，擯棄了PCB 天線而采用了外置式天線，該天線位于絕緣塑料外殼內(nèi)部，通過(guò)同軸電纜將天線盡量與高壓線路保持一定距離。

3.3 手動(dòng)本地操作方案設(shè)計(jì)

在梯頭控制器上，設(shè)計(jì)有顯示及按鍵，基本界面布置如圖9。設(shè)計(jì)有“手動(dòng)”、“遙控”選擇按鍵，“鎖緊”、“解鎖”按鍵只在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)有效。另外可通過(guò)“設(shè)置”和“+”“-”按鍵根據(jù)需要設(shè)置鎖緊力度。操作簡(jiǎn)單方便。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件分為梯頭藍(lán)牙控制電路程序部分（簡(jiǎn)稱控制程序）及遙控器端（手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備）藍(lán)牙客戶端軟件兩部分。

3.4.1 控制程序的功能

（1）梯頭狀態(tài)檢測(cè)：檢測(cè)電池電量、檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)，檢測(cè)高空溫度。

（2）選擇手動(dòng)控制或遙控控制梯頭電機(jī)。

（3）與遙控器通過(guò)藍(lán)牙通信。

（4）根據(jù)指令完成鎖緊/解鎖動(dòng)作。

（5）在鎖緊動(dòng)作時(shí)要實(shí)時(shí)檢測(cè)鎖緊的力度，以設(shè)定的力矩鎖緊梯頭。在解鎖動(dòng)作時(shí)檢測(cè)限位器的信號(hào)，確保解鎖到位。

（6）手動(dòng)控制方式下，接受按鍵操作鎖緊/解鎖動(dòng)作。軟件實(shí)現(xiàn)功能的控制流程圖如圖10所示。

3.4.2 遙控器端（手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備）的功能

遙控器端（手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備）的軟件主要完成系統(tǒng)登錄、藍(lán)牙地址配對(duì)、密碼驗(yàn)令、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等操作，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的主要手段。由于遙控器端只是一個(gè)簡(jiǎn)單的操作界面，其界面與梯頭控制器界面類似，這些不再贅述。

4 結(jié)論

絕緣軟梯梯頭經(jīng)過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)改造后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試用，不影響正常掛摘梯上電力線路操作，能由作業(yè)人員在梯上手動(dòng)控制軟梯鎖止、解鎖，性能穩(wěn)定可靠。另外單獨(dú)設(shè)計(jì)了一套電機(jī)遙控模塊安裝于絕緣軟梯梯頭上，通過(guò)手動(dòng)梯頭控制界面能夠控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。軟梯掛在線路上，能通過(guò)手機(jī)端遙控梯頭電機(jī)模塊。具有較強(qiáng)的抗干擾能力，普通電線塔的高度都在有效遙控范圍之內(nèi)。有效地降低了作業(yè)強(qiáng)度且提高了生產(chǎn)效率，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。