智能牽張機研究現狀與發展趨勢

高優梁 劉建鋒 黃超勝 毋本鑫 高曉莉 楊 杰 馬軍旭 高志龍

（1.浙江省送變電工程有限公司，杭州 310000；2.河南電力博大科技有限公司，鄭州 450000； 3.華北水利水電大學，鄭州 450045）

近來年，隨著特高壓輸變電工程的快速建設，施工裝備的配置水平和技術創新能力對工程建設的影響不斷增大。經測算，“十三五”期間電網建設需牽張設備1755臺、放線滑車98533只。而28家省屬送變電公司目前已有牽張設備1927臺、放線滑車109470只，可以滿足未來電網建設需求[1]。但是，隨著時代的發展與城市化的快速推進，我國對電力設施系統的裝備提出了更高的要求。因此，必須加快牽張設備的發展，提高電網建設效率與安全質量水平，完成電網建設任務。

張力架線牽張設備是指在輸電線路建設過程中所用到的牽引機與張力機。牽引機是一種特殊的卷揚機，其動力源一般為汽柴油機，通過液壓傳動系統為鋼繩卷車提供動力，實現導引繩與牽引繩的卷放。按牽引機上的牽引論形式分，牽引機可分為雙摩擦卷筒式和鼓輪（磨芯）式兩種。張力機用來控制牽放線索的張力大小，主要通過對導輪線的適當制動而實現張力控制。張力機按制動方式可分為機械摩擦式張力機、液壓式張力機、氣壓式張力機以及電磁式張力機等。目前，液壓制動雙摩擦卷筒式張力機應用較為廣泛[2]。國外自20世紀40年代末期已經開始使用張力架線牽張設備，發展至今已有半個多世紀。隨著新型科技的產生與發展，張力架線牽引設備存在一些新的問題，主要包括以下幾個方面。第一，動力源系統較為復雜，原動機與工作機功率不匹配，惡劣環境啟動困難。第二，功率利用率低，工作環境惡劣。第三，設備笨重，轉場麻煩。第四，部分設備結構不夠完善，操作比較困難。第五，故障檢測與維修較為困難，對新興科技應用不足。為應對不斷提高的張力架線作業要求，適應艱苦、危險、惡劣的工作環境，張力架線牽張設備的快速發展已經迫 在眉睫。

本文綜述了智能牽張機在動力源系統、結構優化以及在線檢測與故障診斷3個方面的研究現狀，論述了現有設備的原理、特點及不足，并對張力架線牽張設備存在的問題進行了分析，闡述了智能牽張機未來的發展趨勢，以前為我國深入展開智能牽張機的研究與開發提供一定的借鑒。

1 智能牽張機動力源系統

牽引設備主要由牽引機和張力機兩部分組成。動力裝置是牽引機的重要組成部分，而張力機一般不需要動力裝置，但有時張力機回收導線及正反方向轉動也需要動力裝置。通常，發動機必須有良好的有效功率、有效轉矩以及較低的油耗率。

目前，牽引設備一般采用汽油機或柴油機。但是，由于牽引設備輸出功率大體固定，而張力放線機構的放線速度和張力要求具有較大的變化范圍和良好的可靠性，且大部分汽油機或柴油機的額定功率遠大于工作機實際所需要的功率，導致功率利用率低。為解決功率利用率低的問題，山西圣水電力工程有限公司的王海水[3]提出用三相式鼠籠電動機作為動力源，利用變頻裝置改變電動機動力源頻率，并使用傳感器檢測放線盤和收線盤直徑的變化，通過反饋的信號調節頻率，從而實現輸出轉速和放線張力的控制。兩種張力機的對比分析如表1所示。實踐分析表明，此方法有效提高了動力源功率利用率。遼寧省送變電工程公司的陳震[4]等人針對公司的3臺老舊一牽四180kN牽引機動力不足的問題，通過選配發動機代替原動機，對3臺老舊設備進行改造恢復，提高了性能，取得了較好的經濟效益和社會效益。武漢理工大學的王慧[5]等人，針對我國大部分牽引機無行走功能和轉場困難等問題，開發了一種行駛化一體的新型牽引機，采用1個動力源和2種功能執行部件相互協調的方法，最大程度地發揮動力源的效率，實現了2種功能的集成，解決了牽引機的行駛問題。河南送變電工程公司的劉建鋒[6]針對牽張設備在高原地區設備啟動困難等問題，通過調整系統的油量和供油提前角改進增壓器，換用特制散熱器水箱壓力蓋等，成功將牽張設備應用于青海—西藏750kV的電網建設工程。湖南省送變電工程有限公司機具設備分公司的雷明[7]總結并分析了牽張設備低溫環境啟動困難的原因及改善措施。吉林省送變電工程公司國家電網公司的岳華剛[8]等人發明了一套牽張設備啟動預熱裝置，利用水套體、燃燒室和霧化裝置有效解決了牽張設備冬季啟動較難的問題。河南電力博大科技有限公司針對張力機被動做工的動力源浪費等問題，提出在張力機張力工況下將張力輪穩定運轉的阻力轉換成電力并存儲在蓄電池中，既降低了設備運行的噪聲，又優化了操作環境。

表1 兩種張力機的對比分析

2 智能牽張機結構優化

自牽張設備投入使用以來，它的外形結構已經基本確定。牽引機外形結構如圖1所示，張力機外形結構如圖2所示。但是，我國特殊地形較多，有針對性的專業化裝備較少，僅僅依賴現有的牽張設備無法滿足需求，因此必須不斷優化牽張設備的結構，使其適應施工調節。

圖1 牽引機外形結構

圖2 張力機外形結構

江蘇送變電公司的王連收[9]針對公司進口的牽引機經常出現故障、鏈條易磨損、軸承易損壞以及牽引輪槽易磨損等問題，提出將牽引機原有的鏈傳動改為齒輪傳動，以加大內外側軸承牽引的理論直徑，有效解決了牽引機由于先天設計的缺陷而帶來的各種故障。遼寧送變電公司的陳震[10]為修復公司進口老舊設備，通過選配發動機代替原發動機，改造機械系統、電氣控制系統、輔助系統等，成功修復老舊進口設備，為類似故障牽張設備性能恢復和提高安全性積累了經驗。牽張設備的最大牽張力在一定程度上可以體現一個公司企業的張力架線施工能力。為了提高牽引機的牽引噸位，甘肅送變電公司已成功研制出42噸位級的SAQ-420智能牽引機[11]。在結構外觀方面，設備采用大型運輸汽車的拖掛式地盤，增加了彩色顯示器，采用紅色警報閃爍燈，有效降低了運輸成本，同時便于操作人員及時發現和處理問題。對于不宜過度彎曲的大截面導線施工時，河南電力博大科技有限公司的劉建鋒等人提出將張力機設計為分體拖掛式，一部分為動力輸出機構，一部分是動力執行機構。為避免導線受到的彎矩過大，工作人員優化了導線進線輪結構及布局，如圖3所示，同時將大輪設計為張力輪結構，減小了導線通過張力輪時的彎曲度，可以有效避免大截面導線施工過度彎曲的問題。同樣，為了使設備可以展放大截面導線，宜興市博宇電力機械有限公司的周俊華[12]設計了大卷筒底徑的壓液張力機，通過對傳動部分、制動部分、導線軸架部分以及操作控制系統等方面進行設計，提出了應用于大截面導線的液壓張力機方案。

圖3 張力機進線輪優化結構圖

3 智能牽張機在線監測與智能控制系統

牽張設備在使用過程中出現故障不可難免。但是，由于技術薄弱和專業人員少等問題，人們往往會因設備維修而耽誤工程而造成經濟損失。隨著人工智能的快速發展，傳統牽張設備急需運用新興的科技來提高設備性能。例如，利用在線監測系統可以實時關注牽張設備的運轉情況；利用故障診斷可以有效定位故障發生的原因，從而加快維修速度，減少施工拖延[13]。

為了設備的安全運行、降低設備的故障率以及減少設備維護成本，將狀態監測、遠程通信和故障診斷相結合，設計了遠程無線監測管理系統。首先，分析設備常見故障并總結原因。其次，選取合適的設備監測點，通過壓力、流量、溫度以及轉速等不同的傳感器，經過預處理與數模轉換得到數字信號。再次，將得到的數據發送到監測服務器供技術人員了解設備工作狀況。最后，通過服務器與管理軟件進行分析，為狀態維修提供依據。華南理工大學的李愿明[14]基于高壓輸電線路架線施工作業現場環境的高危性，以國產SAQ-250牽引機電路系統作為切入點設計有線遙控器，降低了施工現場的風險。河南電力博大科技有限公司基于客服戶反饋問題的匯總，針對牽張設備加設一鍵啟停、牽引力電子預設、防溜線、GPS遠程診斷、功率智能匹配以及自動潤滑等功能，實現了牽引場與張力場的數據互通和相互控制，提高了操作安全性。蘭州理工大學邱楚然[15]為改善架線過程中張力不平穩的缺點，提出對放線張力進行PID整定，最終將系統分為車載終端與遠程監控中心兩大部分，實現了張力機實時監測與控制，并利用GPRS通信實現了牽張兩場的可靠通信。南方電網能源發展研究院有限責任公司的洪巧章[16]設計了一種嵌入式的硬件系統來作為牽張設備的前端采集數據，再利用GPRS網絡無線數據傳輸功能或GSM短消息功能將采集到的數據上傳服務控制中心，最終診斷系統處理采集的數據，找出故障原因。吉林送變電工程公司的侯建明[17]等人提出利用雙機位和無線視頻監控系統，通過Profibus總線連接實現50m數據的傳輸，進而實現遠程操作的目標。圖4為可視化牽引走板。

圖4 走板傳輸無線視頻信號

4 智能牽張機的研究發展方向

4.1 采用新能源作為動力源

汽油機和柴油機雖然效率高、使用方便，但是噪音大，易污染環境。一方面，設備在制造過程中將汽油機和柴油機作為動力源需要設計復雜的傳動系統來適應不同的工況，成本代價高。另一方面，在施工過程中，汽柴油機的能源注入易泄露、燃燒不充分導致環境污染、噪聲影響現場技術人員的交流以及架線施工場地受限較大。若牽張場地選在人群密集區域，汽油機和柴油機的噪聲將會影響居民。因此，需發展新能源動力系統，以有效解決汽油機和柴油機所遇到的問題，同時響應國家提倡利用新能源、節能減排的號召。可見，新能源動力系統是牽張設備未來的研究方向之一。

4.2 設備具有專業化特色化

目前研究特殊地形的專業化牽張設備較少，尤其是山地、高原、沼澤、水田以及海島等特殊地形條件下，通用的牽張設備無法滿足施工要求，必須改進牽張設備的結構，設計具有專業化特色的設備。同時，牽張場遠程數據可以互相通信進行遠程控制，以適應特殊地形的遠距離工作。專業化牽張設備能有效提高工作效率，減輕工作人員的負擔，彰顯一個公司或一個企業的施工能力。

4.3 基于大數據分析的智能故障診斷

目前已有許多企業在研究在線監測與故障診斷。隨著大數據的發展，設備可能存在短時間內多個源故障并發的現象。牽張設備不能僅僅局限于設備本身的數據分析，應收集多個設備運行狀態的大量數據將其上傳互聯網，推動牽張設備的故障診斷進入大數據時代，進而提高故障診斷的準確率與速度。因此，利用新型科學技術是有效提高牽張設備性能的方法與有效途徑，也是未來發展的大勢所趨。

5 結語

加快智能牽張機的發展，一方面能有效提高我國電網核心設備的建設水平，是建設能源互聯網的重要途徑，另一方面能夠降低施工安全風險和勞動強度，提高施工效率和經濟效益。本文綜述了智能牽張機在動力源系統、結構優化以及在線監測與故障診斷3方面的研究現狀，指出了我國智能牽張機將會朝向新能源動力、專業特色化裝備及基于大數據分析的故障診斷方向發展，有助于提升國家電網建設的施工能力。