配電自動化罩式FTU免登桿操作桿的研制

譚明哲，孔 健，公冶如晶

（國網(wǎng)山東省電力公司曲阜市供電公司，山東 曲阜 273100）

關(guān)鍵字：配電自動化；罩式FTU；免登桿

1 選擇課題

饋線自動化終端簡稱FTU，與柱上斷路器配套安裝于配電10 kV 線路分段、分支、聯(lián)絡(luò)、分界處，具有遙控、遙測、遙信功能，與主站配合用于故障的檢測、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市已架空線路為主，為提高配電線路自動化水平，配電線路FTU 數(shù)量激增，相關(guān)運維工作量大大增加。常見工作包括三遙和離線消缺、更改保護(hù)定值、重合閘投退等，均須運維人員登桿連接網(wǎng)線后使用筆記本電腦進(jìn)行設(shè)備參數(shù)或定值的修改，此過程中登桿準(zhǔn)備及登桿操作過程比較煩瑣，且存在高處墜落的風(fēng)險，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)備及登桿操作過程比較煩瑣，且存在高處墜落的風(fēng)險。通過對日常運維工作的統(tǒng)計，登桿準(zhǔn)備過程和登桿、下桿時間占用了85%以上的工作時長。

綜上所述，現(xiàn)有罩式FTU 的運維方式存在以下問題：

準(zhǔn)備過程較煩瑣，占用時間較長，影響作業(yè)效率；

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

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

現(xiàn)場工作中，需要一種能夠免登桿實現(xiàn)對網(wǎng)口保護(hù)罩拆裝及網(wǎng)線插拔的輔助工具，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)線過程平均用時306 s，定值修改結(jié)束后拔網(wǎng)線過程平均用時276 s ，拔插總用時582 s，時間主要浪費在全方位安全帶的穿戴整理及登桿過程中。小組計劃研制一種配電自動化罩式FTU免登桿操作桿，將6 m 以下罩式FTU 的網(wǎng)線插拔過程用時縮減至270 s，即4.5 min 以內(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程，不存在使用腳扣登桿的過程，用時會大為減少。利用研制的操作桿進(jìn)行網(wǎng)線插拔過程總用時理論上可以達(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)動方式，桿身結(jié)構(gòu)、控制方式等各因素對裝置能否實現(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)動方式上初步提出兩種方案，對比如表1 所示。

表1 總體方案對比表

機械式操作桿，高度固定，對于現(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，電動在開發(fā)時具有一定難度，一旦成熟后實用性更高，且具備較大的提升改造空間。所以小組決定選用電動式機械爪作為抓取部件，以其為核心進(jìn)行操作桿整體的設(shè)計。

3.2 方案分解和確定最佳方案

小組初步選定采用電動械爪作為抓取方案，隨后小組對方案進(jìn)一步細(xì)分，對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)動方式選擇

小組參考現(xiàn)有應(yīng)用較為廣泛的機械爪方案提出2 種驅(qū)動方式：電機和氣動。電機驅(qū)動方案是依靠電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動一系列傳動裝置驅(qū)動機械爪進(jìn)行分合。氣動方式是依靠控制電動氣泵的氣流氣量帶動氣缸動作，進(jìn)一步驅(qū)動機械爪。小組初步擬定了2 種驅(qū)動方式的機械爪設(shè)計方案并進(jìn)行定制，實物如圖2 所示。

圖2 兩種驅(qū)動方式的機械爪：氣動（左）、電動（右）

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

表2 電動、氣動方式參數(shù)性能表

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

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 個方面，本次課題目標(biāo)對機械爪的抓取速率并無太高要求，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)動方式確定為電機驅(qū)動。

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)線水晶頭2 種形狀的物體，抓取保護(hù)帽時須有足夠抓力以便旋轉(zhuǎn)拆卸，抓取水晶頭時須同時按下水晶頭側(cè)面卡扣以便拔出網(wǎng)線。小組針對上述要求提出兩種方案，即二指和四指機械爪，二指要求行程在同一直線上，四指須程菱形排列且行程沿對角線。

對于兩種方案，小組認(rèn)為二指結(jié)構(gòu)簡單易實現(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)動方式完全相同的情況下進(jìn)行抓力的測試，結(jié)果如表3 所示。

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

通過測試結(jié)果可以看出，在保持原有電機、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)，需更大更重的電機與電池組，此時相較于四指結(jié)構(gòu)反而降低操控性并增加成本。

同時，小組進(jìn)行多次實際測試，二指結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)抓取網(wǎng)口保護(hù)帽平均用時為37 s，四指結(jié)構(gòu)抓取平均用時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，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，小組對桿身的材質(zhì)達(dá)成了較為一致的意見：選用環(huán)氧樹脂。原因為環(huán)氧樹脂堅固耐用重量輕，具備極高的絕緣性能。

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

抽拉伸縮式常見于高壓驗電器，其優(yōu)點為攜帶與使用方便，但伸長時末端桿身逐漸變細(xì)導(dǎo)致桿身強度降低，會使桿身彎曲、搖晃，嚴(yán)重影響操作。拼接組裝式常見于絕緣操作桿，使用前須按照現(xiàn)場情況進(jìn)行桿身的拼接，相對來說較為煩瑣，但在加長后仍能保持桿身強度。

小組對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)為采用電機驅(qū)動方式時，電機、電池、控制板、機械爪將集中整合至桿頂，使桿身末端較重，桿身須具備一定強度來保證操作的順利。隨后小組按照計劃使用計算機模擬測試2 種方案的結(jié)構(gòu)強度，測試時按照抓取和驅(qū)動裝置置于桿頂，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 桿身強度測試

對比測試結(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)計實際使用過程中存在一定困難，同時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

小組提出有線和紅外2 種控制方式。2 種方式的特點如表6 所示。

表6 有線、紅外2種控制方式優(yōu)缺點對比

結(jié)合前期桿身結(jié)構(gòu)方案和2 種控制方式特點，小組認(rèn)為有線方式雖然優(yōu)點明顯，但較難實施，且會破壞桿身絕緣，帶來一定安全隱患。紅外遙控使用以極為成熟，使用過程中桿身周圍基本不會有障礙物阻擋，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。小組最終決定選取紅外線方式傳輸控制信號。

通過對各分解方案的綜合評估，最佳方案如圖3 所示。

圖3 最佳方案圖

4 對策實施

4.1 實施一：電動舵機實施

通過多方比對。小組購得一螺紋式步進(jìn)電機作為舵機，電機配置固定法蘭盤，法蘭盤能夠和電池支架等相連接。電機參數(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)行測量測試，質(zhì)量體積，靜扭矩符合要求，長時間工作無過熱現(xiàn)象。符合目標(biāo)要求。

4.2 實施二：電池組實施

小組購買到12 V，3000 mAh 鋰電池組，其預(yù)留一個充電接頭、一個輸出接頭，搭配一個充電器。產(chǎn)品到貨后小組對其進(jìn)行充放電測試，驗證其容量和保護(hù)性能如表7 所示。

表7 電池組放充電測試記錄

在兩種放電倍率情況下放電，放電時間大于同等容量的電池組的放電時間，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 實施三：遙控模塊實施

采購帶遙控功能的步進(jìn)電機控制器。

對到貨裝置針對性能要求，連接步進(jìn)電機與鋰電池組進(jìn)行性能測試。測試報告如表8 所示。符合目標(biāo)要求。

表8 步進(jìn)電機與鋰電池組性能測試

4.4 實施四：四指爪制作實施

設(shè)計四指爪3D 圖紙，指尖處設(shè)有橫向防滑紋，目的是在抓取網(wǎng)線水晶頭時，增加摩擦力，豎向防滑紋，目的是在拆裝網(wǎng)口保護(hù)帽時增加橫向的摩擦力。利用3D 打印機打印，材質(zhì)為尼龍。

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

4.5 實施五：絕緣桿實施

購買4 節(jié)絕緣桿，采用卡扣連接，到貨后4 節(jié)組裝測試，卡扣連接牢靠，在施加20 kg 橫向扭轉(zhuǎn)力時，絕緣桿無變形。符合目標(biāo)要求。

4.6 實施六：整體組裝調(diào)試

制作電機及控制板支架，進(jìn)行工具前部組裝；利用車床制作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，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)場試驗。小組首先于室內(nèi)進(jìn)行裝置基本性能的調(diào)試，確認(rèn)裝置運行正常后于室外實地進(jìn)行調(diào)試，主要測試其使用高度和動作、控制的靈敏度。

圖5 現(xiàn)場試驗

通過整體檢測調(diào)試，裝置符合設(shè)計要求。

5 效果檢查

5.1 檢查課題目標(biāo)

為保證測試貼近實際，小組通過現(xiàn)場工作中裝置的實際應(yīng)用情況來進(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工作作為實例，選取罩式FTU 懸掛高度6 m 以下的工作現(xiàn)場，采樣30 次實際作業(yè)。應(yīng)用配電自動化罩式FTU 免登桿操作桿進(jìn)行操作，網(wǎng)線插拔過程平均用時為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)線插拔過程平均用時在523 s。使用罩式FTU 免登桿操作桿，相較于常規(guī)方式在網(wǎng)線插拔環(huán)節(jié)節(jié)省了56%的時間。小組成功實現(xiàn)了活動目標(biāo)。

5.2 效益分析

在進(jìn)行配電自動化運維過程中，使用配電自動化罩式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、無上手門檻，可一定程度上節(jié)省雇傭外委登桿人員的經(jīng)費。工作人員可免于登桿，無高處跌落風(fēng)險，減少登桿過程中的磕碰、擦傷等風(fēng)險，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。此裝置投入運用后可提高配電自動化運維效率，縮短工時，利于加強配網(wǎng)自動化的整體水平，保障配電線路安全平穩(wěn)運行，為公司贏得良好的社會效益。