絕緣軟梯梯頭改造設計及分析

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 2.五邑大學智能制造學部 廣東省江門市 529030）

1 引言

電力系統中輸電線路搶修與維護作業頻率很高，為避免作業造成大面積停電影響，“帶電作業”在現代電力系統中廣泛應用。輸電線路帶電作業多采用絕緣軟梯法，該作業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]。作業時首先將絕緣軟梯懸掛在高壓輸電線路上,固定后作業人員攀登絕緣軟梯至導線處開展帶電作業[2]。現有普通高壓絕緣軟梯梯頭設計有滑輪，便于作業人員在線路上移動。該滑輪具備在電纜等金屬導線上滑動的功能，但在軟梯梯頭掛上電纜、從電纜上取下或者作業中途臨時停車時，均需要地面工作人員利用牽引繩拉拽來固定位置，操作不便且并不穩定，存在安全隱患且勞動強度大、工作效率低。目前輸電線路帶電作業所使用的絕緣軟梯，在等電位人員進入電場前無法對梯頭閉鎖裝置進行雙側可靠閉鎖[3]。因此希望能對絕緣軟梯梯頭進行改造設計。絕緣軟梯梯頭的改造設計目標希望能實現軟梯梯頭在電纜上能實現鎖緊、解鎖功能，從而解決作業過程中需要人工牽引拉拽來固定絕緣軟梯位置的問題，進一步希望實現在作業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沿電纜方向滑動，從而提高安全性能，降低作業難度，提升作業效率。

絕緣軟梯因為其帶電作業的特殊要求，對其改造設計必須謹慎，近些年圍繞這一目的的絕緣軟梯研究成果較少。文獻[3]提出的改造方案實際只是針對滑輪閉鎖鎖片增加了鎖定結構，可以保證絕緣軟梯可靠掛接在電纜上，但無法實現絕緣軟梯不在電纜上滑動。文獻[4]則實現了絕緣軟梯和梯頭之間的連接軟體架部分的自鎖，同樣無法解決絕緣軟梯在電纜上滑動的問題。文獻[5]所作的改進是針對絕緣子作業的特定場合，主要目的是減少絕緣軟梯搖晃對絕緣子的損害。文獻[6]提出的設計結構較為復雜，且沒有從根本上解決軟梯梯頭在電纜上的鎖止，不是針對本文所述的改進目標。

從以上分析可知，需要一種不對軟梯梯頭現有結構作大型改動，不能降低軟梯梯頭絕緣性能、機械強度和穩定性能，對現有帶電作業必須程序沒有影響的設計方案。針對常用的110kV 以上等級輸電線路所用的絕緣軟梯，基于實際作業要求，提出以下設計思路。

1.1 改造功能要求

1.1.1 機械結構功能

根據上述分析希望實現的目標，將絕緣軟梯的所需功能分解為：上下絕緣軟梯時能鎖定梯頭，實現梯頭不會沿電纜方向滑動，便于確定位置。需要移動位置時，軟梯梯頭能夠利用其滑輪在地面人員的拖拽下滑行到預定位置。滑行到需要位置后，無論作業人員是否在絕緣軟梯上，能夠快速鎖定絕緣軟梯。要實現這些功能，簡單地說就是為軟梯梯頭滑輪增加剎車功能，能夠在移動狀態下解鎖剎車結構，實現自由滑動。到達預定位置需要固定，則鎖止剎車結構，且實現不沿電纜方向滑動。

1.1.2 遙控功能

實現剎車結構的功能，最穩妥的方式是不改變絕緣軟梯現有部分，在梯頭滑輪部位加裝剎車結構，且由作業人員手動操作剎車結構，手動操作則必須保證作業人員正站在絕緣軟梯上。如果希望能夠自動控制或者遠程控制剎車結構，則需要增加遠程電控的結構控制剎車裝置。針對這一功能需求，利藍牙通信技術設計無線遙控電機驅動結構控制剎車開合是一種可行的方案，該方案具有很強的抗干擾能力，同時遙控器可以直接利用手機APP 實現，具有操作方便的特點。

1.2 結構改造思路

根據功能分析，提出以下改造設計思路：由于要求保持原梯頭的總體結構，改造后的梯頭不能影響掛摘絕緣軟梯，同時滿足在較大垂度的導線掛梯作業，并且在作業人員登梯后可以手動鎖緊或解鎖。實現該要求的軟梯梯頭結構改造方案是在滑輪上增加可靠固定的剎車結構，改造后的絕緣軟梯梯頭效果如圖1所示，剎車機構要輕便體積小，鎖止性能要強。

針對遙控的功能需求，在實現手動控制鎖止功能后，選擇合適的大扭矩直流減速電機驅動機構，現有產品中已有大量符合要求的裝置輸出扭矩能夠達到手動輸出指標。較為困難的是：采用合適的組合傳動機構驅動剎車結構，且電控裝置能滿足絕緣性能要求，同時不破壞帶電作業絕緣需求，能夠在高壓強磁場環境下可靠工作。

2 手動剎車結構設計

2.1 制動分析

增加鎖止裝置首先需要分析現有軟梯結構及操作步驟。

現有某些梯頭具有手擰螺釘鎖定滑輪的功能，一定程度能避免滑動，但是由于滑輪固定后和電纜的摩擦系數也較小，無法起到很好的鎖定作用。而且手擰螺釘操作不便，無法快速剎停扶梯。針對掛梯和摘梯時的鎖定，要求不能影響掛摘軟梯，同時滿足在較大垂度的導線掛梯作業，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，扶梯時利用吊裝掛到電纜上，使扶梯上的一對滑輪嚙合進電纜，以電纜為導軌。由于沒有鎖定裝置，且電纜在兩個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，讓工作人員爬上扶梯。

（2）移動停車，在沿線運動檢修時，停車需要地面人員牽引固定。

（3）檢修工作人員從扶梯下來需要地面人員牽引固定，再將扶梯吊下。

假設導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摩擦力合力f 能克服軟梯總重力產生的分力為Fa，軟梯總重力為G，制動最大靜摩擦系數為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20°，所以得到

根據工程常用材料相對摩擦系數可知，一般橡膠對金屬靜摩擦系數可達0.8。所以使用橡膠支撐的方式采用單邊支撐對其中一個滑輪制動即可實現掛摘梯子的制動力。即

2.2 剎車鎖止結構

基于上述分析，在現有軟梯梯頭的基礎上增加設計固定剎車裝置，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剎車鎖止結構，該結構可分為三個部分，分別是鎖止底座、橡膠制動墊和剎車抱閘結構。

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，安裝效果如圖3(a)所示。“鎖止底座”本身由兩部分構成，固定在軟梯梯頭滑輪處的“安裝橫板”和在“安裝橫板”上可手動控制上下移動的“升降柱”，設計結構如圖3(b)所示。

鎖止底座的主要作用是將剎車結構固定在絕緣軟梯梯頭，同時可在底座上安裝其它需要添加的機械結構和部件。本設計中“升降柱”是實現升降并控制剎車結構的連接部分。

2.2.2 橡膠制動墊

鎖止軟梯的主要結構為一塊橡膠制動墊，只需安裝在其中一個鎖止底座上，橡膠制動墊如圖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墊，制動支膠采用四連桿肘節夾具的方式，當工作人員站立在扶梯上時，通過高增益的連桿結構，快速省力地升起和伸出支腳。

2.2.3 剎車抱閘

剎車抱閘結構安裝在另一側鎖止底座上，用于梯子在滑行時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剎車把雙手作業。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。剎車抱閘結構如圖5所示。

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

2.3 手動操作方式

經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，并握制動手把使抱閘抱緊電纜，并扣下駐車扳機，使梯子駐車。

（3）扳動連桿手把收起支腳，松開駐車扳機后松開抱閘即可使扶梯在電纜上自由滑行，需要停車時通過剎車手把制動或駐車。

（4）摘梯，作業完成后，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 遙控功能設計

上述機械結構經測試，完全可以滿足正常作業手動操作需求。在此基礎上，單獨設計了一套遙控電機裝置并安裝于絕緣軟梯梯頭，用于測試遙控方案可行性。因考慮絕緣安全和國家相關標準，目前遙控方案僅作為功能測試，沒有在實際中應用。遙控電機模塊安裝效果如圖6所示。

遙控電機模塊電路主要實現的功能是：

（1）遙控模塊按照遙控器（手機端）發來的指令執行電機正轉、反轉功能。

（2）考慮梯頭工作于帶電檢修環境要采取有效的防電磁干擾、過電流、過電壓保護等措施，確保電路可靠性，目前采用設計為外殼采用強絕緣工程塑料。

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

（4）能實時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端均有）。

3.2 遙控電路設計

硬件電路總體框圖如圖7所示，由梯頭藍牙控制電路、梯頭減速電機及手機端APP組成。相應的控制可由手機端安裝的軟件完成。其中手機端APP 負責發出控制鎖緊鎖/解鎖指令，該指令通過藍牙方式與梯頭安裝的基于藍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驅動電路驅動電機的正/反轉從而實現梯頭的鎖緊/解鎖。

梯頭藍牙控制電路采用TI 公司的CC2540 單片機，該芯片自帶藍牙功能，外接電機驅動電路、壓力傳感器等模塊組成。如圖8所示。

藍牙模塊以從模式進行廣播，等待智能移動設備（手機或平板）作為主設備進行掃描、地址配對以及密碼驗證等，完成密碼驗證后，雙方以加密方式進行數據通訊。單片機對藍牙模塊傳輸的數據進行加密或者解密，當收到合法的解鎖或閉鎖命令后，單片機控制驅動電路使電機正轉或者反轉，帶動剎車裝置完成緊鎖/解鎖操作，同時在鎖緊時同步檢測機械結構上的壓力傳感器的信號，確保梯頭能夾緊在線路上同時不會破壞線纜。

抗干擾措施的選擇，采用質量較輕、易于加工且電磁屏蔽效果較好的鋁合金材料作屏蔽體，參考無線數傳電臺的外殼設計，選擇合適的導電襯墊在塑料外殼內部進行密封，從源頭上減少受高壓電場的電磁輻射干擾。電路板合理布局電源線、電機驅動線和干擾源盡可能遠離；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，并在適當位置采取濾波。另外由于藍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部，通過同軸電纜將天線盡量與高壓線路保持一定距離。

3.3 手動本地操作方案設計

在梯頭控制器上，設計有顯示及按鍵，基本界面布置如圖9。設計有“手動”、“遙控”選擇按鍵，“鎖緊”、“解鎖”按鍵只在手動狀態時有效。另外可通過“設置”和“+”“-”按鍵根據需要設置鎖緊力度。操作簡單方便。

3.4 軟件設計

軟件分為梯頭藍牙控制電路程序部分（簡稱控制程序）及遙控器端（手機等移動設備）藍牙客戶端軟件兩部分。

3.4.1 控制程序的功能

（1）梯頭狀態檢測：檢測電池電量、檢測電機狀態，檢測高空溫度。

（2）選擇手動控制或遙控控制梯頭電機。

（3）與遙控器通過藍牙通信。

（4）根據指令完成鎖緊/解鎖動作。

（5）在鎖緊動作時要實時檢測鎖緊的力度，以設定的力矩鎖緊梯頭。在解鎖動作時檢測限位器的信號，確保解鎖到位。

（6）手動控制方式下，接受按鍵操作鎖緊/解鎖動作。軟件實現功能的控制流程圖如圖10所示。

3.4.2 遙控器端（手機等移動設備）的功能

遙控器端（手機等移動設備）的軟件主要完成系統登錄、藍牙地址配對、密碼驗令、系統參數設置等操作，是實現人機交互的主要手段。由于遙控器端只是一個簡單的操作界面，其界面與梯頭控制器界面類似，這些不再贅述。

4 結論

絕緣軟梯梯頭經過機械結構改造后，經過現場試用，不影響正常掛摘梯上電力線路操作，能由作業人員在梯上手動控制軟梯鎖止、解鎖，性能穩定可靠。另外單獨設計了一套電機遙控模塊安裝于絕緣軟梯梯頭上，通過手動梯頭控制界面能夠控制電機正反轉。軟梯掛在線路上，能通過手機端遙控梯頭電機模塊。具有較強的抗干擾能力，普通電線塔的高度都在有效遙控范圍之內。有效地降低了作業強度且提高了生產效率，具有很好的實際應用價值。