10 kV單芯電纜接頭自動制作機器人的研究與應用

劉宇舜，程登峰，朱太云，吳少雷，梁偉，林桂明，黃志凡，吳彬玉

(1. 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，安徽 合肥 230601；2. 浙江清華長三角研究院 信息技術研究所，浙江 嘉興 314006)

0 引言

10kV電纜是城市配電系統的重要組成部分，可有效節省線路走廊，降低環境因素的影響，在許多城市配電網中占比不斷增加。由于單根10 kV電纜的制造長度一般< 1 000m，電纜的安裝和檢修鋪設過程中，電纜接頭必不可少，且需求量巨大[1-2]。目前，10kV電纜接頭主要依靠人工制作，接頭制作水平主要取決于施工人員的技術與經驗，故人工模式難以高效率、高質量地制作電纜接頭，束縛了城市配電網的發展需求。因此，亟待研究電纜接頭現場自動化制作技術。本文針對10kV電纜接頭人工制作的局限性，設計了一款具有機械式操作機構的10kV單芯電纜接頭自動制作機器人，從而達到有效控制接頭制作工藝質量、提高接頭制作效率、保障施工后電纜安全穩定運行的目標。

1 施工質量關鍵因素分析

目前，10kV單芯電纜接頭主要依靠人工現場制作，施工質量成為電纜線路運行的主要隱患[3-5]。在電纜接頭制作過程中，易受環境、施工人員的技術、施工工期等影響，在電纜接頭上留下各種微小缺陷，例如：1)電纜絕緣表面殘留半導電或導電顆粒；2)電纜絕緣表面由于打磨過度出現劃痕；3)外半導電層斷口處半導電尖端；4)外半導電層斷口處氣隙；5)導體屏蔽管內產生高電位尖端；6)預制件安裝錯位； 7)主絕緣切向氣隙。這些缺陷使得電纜接頭電場嚴重畸變，引起局部放電、過熱等，在投入運行后最終導致電纜絕緣擊穿，威脅配電網供電安全。

通過對電纜接頭制作過程中可能存在的缺陷進行分析、總結，可知影響10kV單芯電纜接頭施工質量的關鍵因素[6-8]有以下幾點：

1)電纜外護套、主絕緣層、鎧裝層、半導電層、屏蔽層等部位同軸剝切質量；

3)連接管壓接質量；

4)半導電層、PVC膠帶、防水膠帶、恒力彈簧和鎧裝帶等部位繞接包裝質量。

2 10kV單芯電纜接頭自動制作工藝流程

通過對人工制作電纜工藝步驟進行分析、歸納、總結，同時考慮現場自動化實施的可行性，對10kV單芯電纜進行標準化制作工藝流程整理，得到10kV單芯電纜接頭自動化制作機器人的整體工作流程如圖1所示。

圖1 10kV單芯電纜標準化制作工藝流程

首先將需要制作終端接頭的電纜線路固定在主體支架上，機器人自動定位到電纜外護套需要剝切的位置并進行環切。若有鎧裝層，則進一步定位鎧裝層位置，環切約 2/3 鎧裝厚度后，機械臂拗開鎧裝層。接著，自動定位到金屬護層(銅帶)的位置，將銅帶撕斷后剝離。機械臂將刀具換向，沿電纜軸向劃切，將半導電層分別從末端剝除，絕緣表面用砂皮自動打磨。打磨完畢后自動測量電纜絕緣外徑，自動套入導體連接預制件，并進行自動壓接。接著，對電纜絕緣表面使用無水溶劑進行自動清潔處理。人工在預制件內壁涂抹專用硅脂，并使用機械手臂推入預制件至要求位置。在銅屏蔽帶上涂焊底錫，再將接地線與銅屏蔽自動焊接；與接地系統連接時接地線自動壓接。預制件與電纜絕緣接觸處自動繞包防水帶，預制件外部采用熱縮管。

3 整機結構及作業步驟說明

3.1 整機結構設計

10kV單芯電纜接頭自動化制作機器人整機結構如圖2所示。

1—電纜自適應夾緊進給組件；2—電纜自定心夾緊組件；3—多工位電纜自動化剝切組件；4—膠帶自動化纏繞組件；5—自動壓接組件。圖2 10kV單芯電纜接頭自動化制作機器人整機結構

3.2 具體作業步驟

待剝切單芯電纜在人工輔助下放入組件1中，其中的位置傳感器檢測到電纜放入后，將根據電纜直徑的大小自適應夾緊，然后在步進電機的驅動下[9]實現電纜自動的進給，從而將其輸送至組件2；組件2處的聯軸器可以適應電纜一定程度的彎曲，通過內部機構轉動完成單芯電纜的二次自定心夾緊，自此完成對電纜進行精確位置控制；組件3內置多把不同功能的刀具模組，針對不同電纜的包覆層數以及電纜制作參數，自動選擇相應的刀具進行電纜剝切加工；剝切完成的單芯電纜在組件5位置處接線端子完成自動壓接，然后重新回到組件3位置完成壓接位的打磨。因為清洗步驟要求比較嚴格且精細，自動化實現比較復雜，而人工反而簡單很多，因此清洗工序仍確定選用人工進行完成；清洗完成的剝切電纜接著在組件4中完成壓接部位的自動膠帶纏繞；最后，再由人工將冷縮終端放入電纜終端接頭位置，將冷縮終端中的支撐抽出，完成10kV單芯電纜接頭自動化制作的最后工序。

4 自動控制系統

自動控制系統是10kV單芯電纜接頭自動化制作設備的核心，用于控制所有機械結構組件的協調、動作和反饋。電纜接頭自動控制系統整體組成如圖3所示，包括中央控制器、交互終端、傳感器模塊、存儲系統等。

圖3 10kV單芯電纜接頭自動制作裝置控制系統示意圖

1)中央控制器：控制系統的調度指揮機構，為保證系統具有足夠的計算與存儲能力，本設備選用ARM系列CPU作為中央控制器[10]。

?Breton，Albert，Competitive governments:An economic theory politics and public finance，Cambridge University Press，1996，p．3．

2)交互終端：對自動化制作裝置進行電纜參數設定以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機直接以串行通信方式實現信息交互。

3)人機交互界面：由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，負責完成基本交互操作，用于實現自動化裝置的人機交互和機構組件的動作控制以及設備參數信息的反饋顯示。

4)存儲系統：儲存機器人工作程序的外圍存儲器。

5)傳感器模塊：用于電纜制作過程的自動檢測，實現自動化裝置的柔順控制，一般包括力矩、位移、旋轉編碼檢測傳感器等。

6)通信接口：實現機器人和其他設備的信息交換，一般常用串行接口、并行接口等。

7)網絡接口

Ethernet接口[11]：可通過以太網實現數臺或單臺機器人的PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用Windows庫函數進行應用程序的編程。支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入機器人控制器中。

Fieldbus接口[12]：支持多種流行的現場總線規格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

5 實驗

10kV單芯電纜接頭自動化制作機器人是一個復雜的機械系統，為了保證整機性能可靠，需要首先保證各關鍵功能部件的性能滿足設計要求。因此，本文對進給驅動電機、夾緊彈簧、中心抱緊機構、自動剝切組件等關鍵功能部件分別進行了實驗。如圖4所示，由實驗驗證了各個部件功能的可靠性。

圖4 關鍵功能部件實驗圖

在此基礎上，對10kV單芯電纜接頭自動化制作系統進行機械加工和整體裝配，整機機械結構實物圖如圖5所示；并對10kV單芯電纜接頭自動化制作系統進行軟硬件設計和調試，整機調試圖如圖6所示。

圖5 10kV單芯電纜接頭自動制作機器人樣機

圖6 10kV單芯電纜接頭自動制作機器人調試圖

機器人樣機自動剝線實驗過程如下：將待剝切單芯電纜放入電纜自適應夾緊進給組件中，位置傳感器檢測到電纜放入后將電纜自動輸送至電纜自定心夾緊組件中并進一步夾緊，此后多工位電纜自動化剝切組件中的剝切刀具將對電纜進行剝切，剝切作業后的10kV單芯電纜如圖7所示，與人工剝切作業的技術指標對比如表1所示。其中，整體作業時間包含前期剝切量測量、刀具組裝等準備工作所需的時間。實驗證明，10kV單芯電纜接頭自動化制作機器人可實現電纜接頭的自動制作，滿足電網運行對電纜接頭質量的要求。

圖7 10kV單芯電纜剝切圖

表1 10kV單芯電纜接頭自動制作機器人與人工作業技術指標對比表

6 結語

本文對10kV單芯電纜接頭施工質量關鍵因素進行了詳細分析，并設計出一款10kV單芯電纜接頭自動化制作機器人。該裝置在實際應用中能夠實現10kV單芯電纜接頭中單芯電纜半自動連接，排除人為影響；提高了10kV單芯電纜接頭制作環境潔凈度；縮短了10kV單芯電纜接頭現場制作時間；大幅降低了電纜接頭缺陷率，從而提高10kV電纜供電的可靠性和穩定性，有效地保障后續電纜的安全穩定運行。