高壓電纜中間接頭電氣性能測試臺的電氣控制設計應用

杭州市臨安區昌化職高 盛黎平

電力電纜在輸變電線路工程建設中，由于電力電纜制造長度有限，需通過電纜中間接頭連接，連接后通過電流能力不能明顯降低，密封性要好，絕緣性能耐壓等級不能明顯變化，因此，保證高壓電纜中間接頭的質量，不影響電纜供電的安全性可靠，非常重要。本發明涉及電纜附件的技術領域，一是電纜中間接頭電氣性能的測試方法，二是實現功能的測試工裝（設備或裝置的機械和電氣部分）。

1 技術背景[1]

高壓電纜中間接頭為多層復合介質結構，產品質量缺陷造成電場分布不均勻，由此可能產生絕緣弱點，因耐壓降低而發生絕緣擊穿。生產過程中的質量品控，主要方法和手段就是加強半成品的抽檢，對其進行相關的放電測試和耐壓試驗，技術發現缺陷產品，杜絕不合格產品流入下一道工序。

現有的技術中，如圖1所示，模擬安裝現場，通過2根1米長的電纜9，端部剝開15厘米左右絕緣后，電芯分別插入到中間接頭7內，中間接頭7的絕緣硅膠體73中部一體成型有由炭黑制成的內電極71，纜芯92外側設有絕緣層91，剝開的纜芯91之間套設有與內電極71貼合的連接管10，連接管10經壓接鉗壓接后實現兩個纜芯91間的連接。在中間接頭7的端部內還一體成型有應力錐72，應力錐72與內電極71均能夠使得中間接頭7的場強分布均勻，不易因電場集中而發生局放現象。

圖1 電纜中間接頭結構示意圖

由于中間接頭采用硅膠制成,材質較軟，且電纜端部需插入的行程較長,在試驗過程中很難實現電纜與中間接頭的插拔。為解決這一問題，常規的做法是采用硅脂等潤滑劑進行潤滑，測試結束后又需要人工利用酒精等溶劑對中間接頭內壁的潤滑劑殘留進行加壓擦拭，不僅費時費力，且非常容易導致內電極上的炭黑因摩擦而脫落，并粘附至電纜纜芯外側的絕緣層上，最終導致整個中接頭容易被高壓擊穿。

此發明，高壓電纜中間接頭電氣性能測試工裝，解決了測試棒與中間接頭插拔困難，且測試完畢也不需要對內壁再進行清理。

2 工程說明

電纜中間接頭電氣性能測試分三步，步驟一：保持軟硅膠制成的中間接頭水平且固定；步驟二：將測試棒圖二同時插入中間接頭的兩端，插入的過程，同時通過電氣接口槽不斷對金屬管4充氣，直至定位臺階14與中間接頭的端口抵接，然后加電壓；步驟三：電氣性能測試完畢，斷電壓，金屬管接地，通過電氣接口槽再次對金屬管充氣，延時后將兩個測試棒依此抽出，當兩測試棒都退至70%-80%，測試棒同時抽離中間接頭[1]。

圖2 測試棒結構示意圖

根據測試步驟，測試臺夾持電纜中間接頭固定，通過高壓測試棒內孔送氣，軟硅膠材質中間接頭鼓起，方便測試棒送進電纜中間接頭內壁，到位后升至安全高度，加高壓測試，完畢，降至初始位置，測試棒分階段抽出。高壓測試棒采用機械方法固定，電纜中間接頭采用氣動機械手（平行氣爪）四點或五點固定，測試棒進出中間接頭內壁，采用壓縮氣體作為動力源，雙向雙出氣缸伸出縮回，帶動測試棒動作。運動的力矩和速度通過節流閥調節控制，換向閥控制方向，伸縮距離通過調節接近開關位置控制。

測試臺運行過程中，機械手的夾持，測試棒的伸縮移動，工作臺的升降都屬于位置控制，根據需要按設定速度設定方向完成指定的位移。傳統的位置控制采用行程開關，運動部件碰到行程開關，切斷控制電路，使運動部件停止，達到定位的目的，這種控制雖電路簡單，但受系統慣性、負荷大小、滑行阻力等因素擾動，定位精度較差。因此，壓縮氣體作為動力源的氣動控制部分，機械手的夾持，測試棒的插拔運動慣性小，精度要求不高，可以采用磁性開關直接安裝在氣缸缸體上，通過控制活塞的位移，從而達到控制測試棒的位移。固定高壓電纜中間接頭的工作臺，上裝時要便于工人操作，上裝完畢要上升到測試位置，并與兩側的測試棒處于同軸位置，便于測試棒擠壓進軟硅膠制成的電纜中間接頭，定位精度要求較高，故決定采用伺服電機加PLC的控制方式，PLC向伺服驅動器發出轉速、轉向和位移距離的數字脈沖信號，伺服驅動器同時又采集運行狀況時轉速和已移動距離的編碼信號，兩信號比較，通過半閉環反饋，消除外界擾動，準確停止在控制信號設定的位移距離[2]。

伺服電機控制的絲桿和導軌，用作工作臺的升降裝置，通過伺服電機的位置控制模式，原點位置就是初始位置，就是電纜中間接頭上裝固定位置，固定完畢，短延時后，將電纜中間接頭抬升至與兩高壓測試棒處于同軸位置，待測試棒擠壓進中間接頭，打高壓測試，利用PLC的定時器，設定測試時間至測試完畢，按程序拉出測試棒，然后將工作臺下降到初始位置。將整個測試過程分解為PLC的工步如下：設備自檢，檢查檢測設備各運動裝置是否都處于原位，如不在原位，首先各裝置復位至原位。在原位以后，測試臺等待開機信號。按下啟動按鈕→電纜套管接頭機械手合攏夾持→夾持完畢→測試臺帶動測試棒抬升至安全位置→電磁閥得電送氣→測試棒兩邊向中間擠壓到預定位置→高壓測試開始→測試定時時間到→測試棒分兩步退出→測試臺下降至初始位置，測試流程完成，所有動作裝置復位至原位。

3 設備的選型

測試臺驅動主要通過氣動和伺服電機驅動兩種方式。

3.1 氣動元件的選擇

主要壓縮機、空氣過濾器、調壓閥、油霧過濾器及雙作用雙出單杠氣缸2個，氣缸行程200mm左右，平行式氣爪4個，氣爪開距100mm左右。

3.2 伺服電機的選擇

測試棒需準確對準電纜中間接頭，壓縮氣體才能通過電氣接口槽進入接頭內壁，所以工作臺升降采用伺服電機旋轉運動，通過絲桿和導軌轉化為直線運動來保證精度。提升工作臺主要就是電纜中間接頭和4個氣缸手抓集成的夾持裝置的質量，不超過10kg。負荷按1000N要求計算，精度并不需要很高，扭矩也不需要很高。根據提升行程先確定絲桿的規格，MKF40,有效行程500mm螺距0.03mm,轉速100-200r/min,最大垂直承重50kg。

選擇伺服電機需根據負載的慣量，負載的轉矩，計算出加速、減速和停止保持轉矩。由于本人沒有實際工程經驗，先大致求出伺服電機的額定轉矩，工作臺所需轉矩1000N，一般根據經驗，電機扭矩×2π/導程,就是螺旋傳動的無損耗出力，滾珠絲桿的傳動效率80%，在保證足夠余量的前提下，選擇了三菱HG-SR152BJ交流伺服電機，轉速3000r/min低慣量輸出功率1500W交流伺服電機，額定轉矩有7.2Nm，帶電磁制動器，防止舉升到位以后因為受重力影響垂直向下滑動[3]。

3.3 伺服驅動器要根據伺服電機功率和慣量

選擇同一生產商與之相配套規格的伺服驅動器，于是就采用了對應的三菱，MR-J4-150B。整套伺服系統具有500Hz的高響應性，高精度定位，帶電磁制動，有位置、速度和轉距三種控制功能，完全滿足要求[4]。

3.4 伺服配套裝置

伺服裝置還必須有配套的電源電纜，編碼器電纜、制動抱閘電纜、控制接頭等。

表1 伺服配套裝置

3.5 PLC的選型

因為伺服電機的位移距離與輸入脈沖個數成正比，伺服電機的轉速與脈沖頻率成正比，所以我們需要對電機的脈沖個數和脈沖頻率進行設定。三菱公司的FX3U晶體管輸出的PLC可以進行6點同時100kHz高速計數及3軸獨立100kHz的定位功能[4]，選用FX3U-48MT-ES-A型晶體管輸出PLC，保證了輸出輸入點數的余量，且滿足定位控制要求，無須定位模塊[5]。

4 設備連接

MR-J4伺服驅動器要跟電源，伺服電機、編碼器以及PLC等外圍設備連接，主要有CNP1、CNP2、CNP3組成的主電路端口，CN1、CN6組成的控制信號端口，以及通信端口、編碼器連接端口。CNP1接AC220-240V電源，CN2接伺服電機編碼器，CNP3的UVW接電動機電源UVW。

5 伺服系統計算和參數的設置

定位控制中的機械運行參數有滑臺的移動距離，速度和控制精度。電子齒輪的設定是一個重要的參數，它的重要性在于調節控制的脈沖當量，可以提高動作精度，設定合理的電子齒輪比，使控制器輸出最大脈沖頻率。伺服電機達到最大轉速，又能使電動機運行在額定轉速時，效率最高工況最好[5]。

電子齒輪的設定主要是CDV和CMX的取值，不同的伺服驅動器對分母CDV和分子CDX取值都有一定的范圍，三菱MR-JE-200A是1～16777215。根據經驗電子齒輪比的取值一般應控制在（1/50）＜CMX/CDV＜500范圍內、超出范圍多大或過小，會導致伺服電動機加/減速時產生異常噪聲，也導致電動機可能不會按照設定的轉速和加/減速運行，導致定位發生錯誤[3]。

5.1 脈沖當量的設定

脈沖當量的取值首先決定了控制精度，一般來講直線位移，主要有10m、1m、0.1m圓周運動選取1deg、0.1deg、0.01deg。本系統脈沖當量設定為10m[3]。

5.2 電子齒輪比的簡便設定

這是一個直線位移的伺服驅動裝置，絲桿螺距D=10mm,編碼器分辨率Pm=131072，伺服電動機額定轉速3000r/min，PLC最大輸出頻率100kHz,根據這些參數電子齒輪比計算如下：CMX/CDV=δ/δ0=Pm/δ0。

CMX取131072，根據公式計算CDV= CMX×δ0/δ=D/δ=10mm/0.01mm=1000。則電子齒輪比CMX/CDV=131072/1000，這個是根據精度控制要求設定電子齒輪比。為保證與PLC最大輸出脈沖相匹配，就是控制器輸出最大脈沖頻率，伺服電動機能達到額定轉速，否則要作調整降低精度[3]。

如果精度控制要求不高，應該以電動機的轉速為依據設定電子齒輪比。有另外的計算公式。

5.3 脈沖距離的計算

原點到設定位置的位移距離為20cm,一個脈沖能移動10m，這需要的脈沖數為20/0.0001=20000個脈沖。

5.4 伺服電機轉速的計算

假設要求回歸原點高速8r/min、運行5r/min、低速0.5r/min，則高速脈沖頻率為10×10000=80000Hz，運行脈沖頻率為50000，低速脈沖頻率5000。

5.5 伺服驅動器參數設置

PA01設置為000h（位置控制模式）；PA03設置為000h（絕對位置控制模式）；PA06設置電子齒輪CMX分子；PA07設置電子齒輪CDX分母；PA14設置為電機轉動方向[3]。

6 PLC系統設計

PLC控制主要有2組（推進或拉出）高壓測試棒氣壓控制的直線氣缸和4組夾持電纜中間接頭的手抓氣缸，接在PLC輸出繼電器上的負載主要是氣缸電磁閥線圈，當電磁閥線圈斷電瞬間會產生高壓，必須并聯續流二極管用來保護PLC輸出繼電器，這里運行是按照順序進行的，所以按照SFC步進指令單序列編程即可。

伺服電機要實現正轉、反轉、原點回歸和停止制動等動作。采用定位控制方式，除了初始點和舉升平臺位置安裝接近開關作為起點和終點，程序內部的LSRLSF指令也可作為極限位的立即停止，起到一個雙重保護的作用[4]。

定位控制中工作臺的移動速度取決于絲桿螺距、電子齒輪比和PLC中的脈沖頻率。500mm的移動行程采用PLC輸出的脈沖數量。

表2 PLC輸入輸出地址分配

7 梯形圖設計及說明

程序工部運行編寫如圖3。

圖3 程序運行圖

程序設計采用順控和步進兩種編程指令，整個流程以步進工步為順序，從上至下按步驟執行。伺服電機的控制按邏輯分成幾個程序塊，分別是急停、原點回歸、停止、電磁制動控制、加減速、手動（JOG）正轉控制、手動（JOG）反轉控制、正轉定位控制、反轉定位控制。

X007輸入控制特殊輔助繼電器M8349作為急停，X003是伺服原點回歸，運行前需要首先進行原點回歸，以確保系統的準確性。便于調試，需設計手動正轉和手動反轉程序塊。設備正常運行狀態是正、反轉定位控制，限位開關能起作用自動返回的半自動控制。程序中的停止方式有立即停止和正常停止兩種方式。急停是故障情況下采用特殊輔助繼電器M8349得電禁止所有的輸出，沒有減速功能能迅速停止，對設備有一定的沖擊。工作臺在導軌運行中返回到初始位置，限位開關X006和停止信號X023的停止是帶減速的停止[4]。

本裝置經過安裝調試已經運行了兩年，完全達到控制要求，測試棒與中間接頭插拔無須人工，測試完畢也不需要對內壁再進行清理，把插入、測試、拔出、清理四道工序，合并成一道工序，企業每年可節省人工成本20多萬，產品的良品率提高到95%，一臺機器的綜合效益就達50多萬，而機器的造價不到10萬。運行過程中有待改進和升級的地方是，產品換型，對定位控制用的傳感器位置要重新設置和調試，費時費力，在原來的基礎上可以增加觸摸屏的人機交互，設定參數，可以方便的修改定位位置和插拔速度，提高了裝置多型號產品測試的適應性。