基于磁吸技術的SF6鋼瓶自動搬運車與SF6余量管理

張瑞恩，李欣然，符傳福，陳林聰，陳曉琳

[摘? ? 要]傳統方式的SF6鋼瓶搬運一般采用人工滾動方式，或采用輪式機械車拖運，不僅效率低，操作不當還容易造成人體受傷。本文研制一種基于強磁吸技術的鋼瓶自動搬運車，由大容量電池提供大電流產生強磁場，完成對鋼瓶的吸取，到達目標位置再解磁落放，實現了人體與鋼瓶免接觸，避免了工傷事故，提高了工作效率。本搬運車還設計了自動稱重系統，可以自動計算鋼瓶中SF6余量，并將計算結果通過無線傳輸技術遠傳至數據中心，實現SF6余量自動化管理。

[關鍵詞]SF6鋼瓶搬運;磁吸技術;自動稱重;SF6余量管理

[中圖分類號]TH16 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–03

SF6 Cylinder Automatic Transport Vehicle and SF6 Margin

Management Based on Magnetic Technology

Zhang Rui-en，Li Xin-ran，Fu Chuan-fu，Chen Lin-cong，Chen Xiao-lin

[Abstract]The traditional way of SF6 cylinder transportation is generally manual rolling or wheeled mechanical truck hauling， which is not only low in efficiency， but also easy to cause human injury due to improper operation. This article develops a steel cylinder automatic transport vehicle based on strong magnetic attraction technology. The large-capacity battery provides a large current to generate a strong magnetic field， completes the absorption of the steel cylinder， and then demagnetizes it when it reaches the target position. It reduces work accidents and improves work efficiency. The truck is also designed with an automatic weighing system， which can automatically calculate the SF6 margin in the cylinder， and transmit the calculation result to the data center through wireless transmission technology to realize the automatic management of SF6 margin.

[Keywords]SF6 cylinder handling; magnetic technology; automatic weighing; SF6 margin management

SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質廣泛應用于電氣設備中。SF6新氣或回收的廢舊SF6氣體一般以液態形式存儲在高壓鋼瓶中。SF6氣體絕緣電氣設備的運維檢修過程及運維檢修儀器的實驗室校驗過程中都存在大量的鋼瓶搬運工作。傳統方式的SF6鋼瓶搬運一般采用人工滾動方式，不僅效率低，操作不當還容易造成人體受傷。故，亟須研究一種高效、安全的SF6鋼瓶自動搬運車，在人體與鋼瓶無接觸的情況下實現鋼瓶的自動搬運。可以考慮采用磁吸技術來實現鋼瓶的搬運。

1 磁吸技術

1.1 磁吸技術的原理

磁吸技術是基于電磁鐵的勵磁和解磁進行操作的。在鐵芯的外部纏繞與其功率相匹配的導電繞組。直流電源為電磁鐵輸入直流電，鐵芯被導電繞組的磁場磁化，磁化后的鐵芯也變成了一個磁體，兩個磁場互相疊加使得導電繞組的磁性增強。

大容量電池提供大電流產生強磁場，使電磁鐵對鐵磁性物質產生吸力，把電能轉換為機械能承載、搬運鋼瓶，到達目標位置再解磁落放，解決了傳統方式搬運鋼瓶中存在的問題。

1.2 磁吸技術的優勢

與人工滾動或輪式機械車拖運等傳統方式相比，磁吸技術應用于鋼瓶搬運車中具有的優勢如下。

（1）磁吸技術所產生的強大磁力，使得鋼瓶搬運車可自動、平穩地裝卸鋼瓶，避免了鋼瓶傾覆的風險。

（2）磁吸技術將鋼瓶緊密固定在鋼瓶搬運車上，途徑凹凸不平的地面時，不易受到震動、沖擊或碰撞，避免鋼瓶滾落的情況發生。

（3）磁力搬運可以節省人力、物力，實現自動化操作，提高工作效率。

2 基于磁吸技術、稱重技術和無線傳輸技術的SF6鋼瓶搬運車設計

本文研制的SF6鋼瓶自動搬運車由動力單元、機械部分、控制單元和數據遠傳部分四部分組成。

2.1 動力單元

動力單元的作用是產生電磁吸力搬運鋼瓶并給整套裝置提供電能，包括磁吸模塊與大容量電池。

2.1.1 磁吸模塊

磁吸模塊基于磁吸技術產生電磁吸力，完成對鋼瓶的吸取，到達目標位置后再解磁落放，以達到裝載、搬運和卸載的目的。鋼瓶殼體與電磁鐵之間接觸面積越大，電磁鐵產生的吸力越大。目前常用的SF6鋼瓶體積最大為40 L，外徑約220 mm。因此，制作電磁鐵時需要根據SF6鋼瓶（40 L）的外徑進行設計，加工匹配鋼瓶殼體的圓弧造型，以達到更大的接觸面積。

電磁鐵產生的吸力至少應足夠提升滿瓶的SF6鋼瓶（40 L）。

Fn=μG/n

式中：Fn為電磁吸力，N;G為鋼瓶受到重力，N（40 L滿瓶的SF6鋼瓶重力為950 N）;n為電磁鐵數量;μ為電磁鐵表面與鋼瓶之間的靜摩擦系數（0.25～0.3，為安全性考慮選取最低摩擦系數0.25進行計算）。

方案一：n=1，F1至少為3 800 N。

方案二：n=2，F2至少為1 900 N。

方案三：n>2，即使用多塊電磁鐵對鋼瓶進行吸取，在底面的垂線上按照相同間隔依次放置。

三種電磁鐵設置方案相比，方案一對電磁鐵的吸力要求較高，使用成本高。在變電站運維、實驗室試驗中搬運鋼瓶遇到道路顛簸、磕碰等問題時，易造成支撐不穩，鋼瓶搖晃，發生安全問題。相比方案一，方案二對電磁鐵吸力的要求降低了一半。雙電磁鐵在搬運的過程中支撐較為穩定，鋼瓶不會搖晃。方案三可以極大地降低對每塊電磁鐵吸力大小的要求，且能更穩定地支撐鋼瓶，但多塊電磁鐵很難擺放到同一垂線上，不能完全發揮所有電磁鐵的效能。

因此，本文選用方案二，在底面垂線上放置兩塊電磁鐵。綜合考慮使用效能、電磁鐵體積等因素，本文選擇XDA型號的電磁鐵，額定電壓為24 V，正吸力為3 000 N。

2.1.2 大容量電池

高性能的直流供電電源是電磁鐵可靠工作的前提。在總電源的選擇上主要考慮電池的能量密度和安全性兩方面。

（1）能量密度。磷酸鐵鋰電池單體能量密度為120 Wh/kg，成組后能量密度為80 Wh/kg。三元鋰電池單體能量密度為180 Wh/kg，

成組后為110 Wh/kg。因此，在能量密度方面三元鋰電池優于磷酸鐵鋰電池。

（2）安全性。從安全性方面考慮，三元鋰電池在電池組內增加了防短路、防過載等保護措施。

2.2 機械部分

機械部分的作用是升降鋼瓶并加以穩固，亦可對鋼瓶進行水平稱重，包括升降機構、稱重模塊與遙控模塊。

2.2.1 升降機構

鋼瓶的提升依靠直流電機和減速器驅動螺桿滑塊做直線運動來實現，在滿足上升速率的同時，提供了強大的扭矩。

2.2.2 稱重模塊

稱重模塊可實現穩定、平衡和稱重的功能，包括稱重傳感器、自動水平單元和機械護臂。

（1）稱重傳感器。稱重傳感器選用懸臂梁稱重傳感器，記錄稱重結果并上傳。

（2）自動水平單元。為保證稱重的準確性，稱重裝置必須始終處于水平位置。因此，在稱重過程中，自動水平單元通過傾角傳感器獲得鋼瓶的角度數據，并自動調整以使鋼瓶處在水平位置。

（3）機械護臂。為了增加鋼瓶搬運的安全性，在搬運鋼瓶時，機械臂一直處于抱緊鋼瓶的狀態，防止當電池缺電導致電磁鐵磁力失效時，鋼瓶發生墜落與傾覆。機械護臂的開合通過水平電動推桿的伸縮來控制。

2.2.3 遙控模塊

SF6鋼瓶自動搬運車前輪采用直流電機驅動，配合搖桿實現自行走及轉向功能，并且搖桿控制靈敏度高，能夠適應變電站運維和實驗室作業的不同環境。

2.3 控制單元

2.3.1 硬件設計

鋼瓶搬運車硬件部分硬件結構圖如圖1所示。

單片機作為整個裝置的控制中心，通過串口與數據遠傳單元通信;通過I/O口控制MOS場效應管控制中間繼電器的開關，以此控制機械護臂、升降機構、鋼瓶吸取單元的啟閉;通過串口轉RS485總線獲取稱重傳感器、自動水平單元數據;電池負責對各單元供電。

2.3.2 軟件控制

（1）主程序設計。采用自頂向下的方式，包括鋼瓶吸取、升降子程序、角度獲取子程序、重量獲取子程序、數據上傳子程序。

（2）鋼瓶吸取、升降子程序。通過控制不同的繼電器，使電磁鐵吸合，升降機構啟動。在升降機構上升與下降時均裝有行程開關作為保護，限制其行程范圍。

（3）角度獲取子程序。傾角傳感器采用485通信接口。通電后，主控制程序主動發送讀取角度的命令，可同時獲取X軸和Y軸方向上的角度數據，讀取完畢后將角度數據傳送回主控程序中，調整鋼瓶處于水平位置。

（4）重量獲取子程序。主控制程序向稱重傳感器發送讀取鋼瓶重量的命令，稱重完畢后將稱重結果傳送回主控程序中。

（5）數據上傳子程序。數據上傳子程序將獲取的稱重結果發送至數據遠傳單元的無線傳輸模塊。

3 SF6鋼瓶自動搬運車整機試驗

3.1 SF6鋼瓶搬運車電池電量試驗

3.1.1 試驗方法

（1）操控滿電狀態的SF6鋼瓶自動搬運車，吸取并提升40 L滿瓶的SF6鋼瓶后在工作速度下運行。

（2）等待SF6鋼瓶自動搬運車電量剩余25%時，記錄好上述步驟（1）的運行時間。

（3）重復上述試驗步驟3次。

3.1.2 試驗結果

試驗數據記錄見表1。結果表明，SF6鋼瓶自動搬運車在SF6滿瓶（40 L）狀態下可連續工作近5 h，能夠滿足變電站現場的鋼瓶搬運需求。

3.2 測試稱重傳感器誤差試驗

3.2.1 試驗方法

（1）用量程200 kg，精度50 g的電子秤分別測量含有10 kg、30 kg、50 kg左右SF6氣體的SF6鋼瓶重量。

（2）通過SF6鋼瓶自動搬運車，測量步驟（1）中的SF6鋼瓶重量。

3.2.2 試驗結果

試驗數據記錄見表2。試驗結果顯示，SF6鋼瓶自動搬運車的稱重誤差小于0.5 %。

4 結論

（1）SF6鋼瓶自動搬運車采用磁吸技術，自動完成對鋼瓶的自動吸取、提升、落放等系列動作，實現人體與鋼瓶免接觸，避免因人工操作不當造成的工傷事故，在SF6滿瓶（40 L）狀態下可連續工作近5 h，能夠滿足變電站現場的鋼瓶搬運需求。

（2）SF6鋼瓶自動搬運車在運載過程中可以自動測量鋼瓶重量，稱重誤差小于0.5 %，并自動計算鋼瓶中SF6余量，將計算結果通過無線傳輸技術遠傳至數據中心，實現SF6余量自動化管理。

參考文獻

[1] 鄭翔，殷建軍，杜奇偉，等.變電站自動化設備運維管控系統及其應用[J].浙江電力，2021，40（3）：42-50.