一種基于絕緣桿的便攜式配電線路智能剝皮器的設計

戴小敏，徐保紅，李震霖

（國網甘肅省電力公司 天水供電公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活質量的不斷提高，社會對供電可靠性的要求也越來越高，因此國網公司要求在配電線路上開展工作務必要遵守“能帶不?！钡脑瓌t，盡可能以帶電作業(yè)形式進行，以提高供電可靠性。

在10 kV配網架空線帶電接火領域，帶電搭火作業(yè)用線夾搭接引流線時，對高壓絕緣電纜連接處進行剝皮操作是引流搭火作業(yè)必不可少的步驟。目前主要采用絕緣手套作業(yè)法和絕緣桿作業(yè)法，絕緣手套作業(yè)法因為作業(yè)時需要與線纜直接接觸，作業(yè)危險性較大，對工人的心理素質和技術規(guī)范要求較高，目前有的國家已經廢除。絕緣桿作業(yè)法相對于絕緣手套作業(yè)法，作業(yè)安全性得到提升，但是這種作業(yè)方法所需的絕緣器具種類繁雜、可操作性差、自動化水平低、作業(yè)過程需要頻繁對工具進行調節(jié)或更換不同類型的絕緣器具、作業(yè)工藝流程繁瑣，且需要操作人員長時間手動操作，對操作人員操作技巧和身體素質有較高的要求，并且屬于高空作業(yè)，具有較高的勞動強度和危險性[1]。因此亟需研究自動化、智能化程度更高的作業(yè)工具。本文針對10 kV配電線路不停電作業(yè)安全規(guī)范及實際需求，設計一款操作簡便、安全可靠的智能剝皮器。可有效提高單次接火作業(yè)效率，縮短作業(yè)時間，降低單次作業(yè)成本，減輕作業(yè)人員的勞動強度；并且對作業(yè)地點周圍環(huán)境、凈空等環(huán)境要求低，基本可在全地形條件下作業(yè)。對推動帶電接火作業(yè)向作業(yè)流程標準化、作業(yè)過程簡單化、作業(yè)工具智能化和提升作業(yè)人員安全性方向發(fā)展具有重要的促進作用。

1 剝皮器工作原理

如圖1所示，該剝皮器主要由雙嚙合旋轉驅動裝置、自適應剝皮夾具、自動進刀裝置、絕緣桿等組成。剝皮器工作原理：手持絕緣桿靠近電纜并對準自適應剝皮夾具，此時的自適應剝皮夾具上下夾塊處于最大開合狀態(tài)，對準后將電纜插入自適應剝皮夾具中，啟動夾具中的夾持電動機進行動作，剝皮夾具通過正反牙絲桿及絲桿兩側的上下夾塊動作，可以將不同規(guī)格的電纜夾緊，并通過電流檢測功能將夾緊過程中實時檢測到的電流反饋到主控板，待檢測電流達到預設閾值后，夾持電動機停止動作，通過夾持電動機上編碼器從開始到結束動作所旋轉的圈數乘以絲桿導程即可得出電纜的實際外徑。電纜夾緊后自動進刀裝置開始介入，根據前面自適應剝皮夾具反饋回來的電纜數據，啟動進刀電動機進行動作，刀頭慢慢靠近電纜外表皮，配合刀頭附近的光纖傳感器，待刀頭接觸到電纜線芯時，進刀動作停止，刀頭開始進刀過程中，雙嚙合旋轉驅動裝置同步介入，旋轉驅動電動機動作，配合電旋轉驅動電動機上的編碼器，可以按照設定長度進行剝皮，待剝皮完成后，配合附近的傳感器將開口齒輪復位到初始位[2]。

圖1 裝置結構圖

2 剝皮器結構設計

2.1 雙嚙合旋轉驅動裝置結構設計

如圖2、圖3所示，雙嚙合旋轉驅動裝置主要由驅動電動機、驅動齒輪、兩個傳動齒輪、開口齒輪、固定座及絕緣桿固定座組成。驅動齒輪通過內部軸孔與驅動電動機輸出軸直連，兩個傳動齒輪分布于驅動齒輪的兩側并進行同步嚙合，兩傳動齒輪也與開口齒輪進行同步嚙合，通過多級齒輪嚙合的方式，可以將驅動電動機的驅動力矩傳遞到開口齒輪上的同時還可以保證剝皮器工作時旋轉至開口齒輪開口處時始終能保證至少一個傳動齒輪與開口齒輪進行嚙合。開口齒輪的開口設計可以滿足50～240 mm2電纜通過，同時開口齒輪端面與絕緣桿固定座進行固連。

圖2 雙嚙合旋轉驅動裝置結構圖

圖3 雙嚙合旋轉驅動裝置運動原理圖

2.2 自適應剝皮夾具結構設計

如圖4所示，自適應剝皮夾具主要由夾持電動機、正反牙絲桿、導軌、上夾塊、下夾塊、夾緊軸承等組成。上下夾塊通過底部滑塊可以在導軌上進行滑動，其上下夾塊的滑動范圍能滿足50～240 mm2的電纜順利穿過夾具。內部的正反牙絲桿通過聯軸器與夾持電動機輸出軸進行連接，上下夾塊內部有與正反牙絲桿同規(guī)格螺紋。電纜插入上下夾塊中后，夾持電動機開始動作，帶動正反牙絲桿轉動，同步帶動上夾塊、下夾塊進行同軸的相向運動，上下夾塊逐步靠近電纜外表皮直至電纜外表皮接觸到上下夾塊上的夾緊軸承。上下夾塊上的電纜夾緊軸承可與不同規(guī)格電纜外表皮進行外接接觸，從而實現電纜的夾緊，還可同時繞電纜外表皮圓周進行轉動。

圖4 自適應剝皮夾具結構圖

圖5 自適應剝皮夾具夾持圖

2.3 自動進刀裝置結構設計

如圖6所示，自動進刀裝置由進刀電動機、剝皮刀具、刀具固定座、導軌等組成。刀具通過鎖緊螺釘固定在刀具固定座上，刀頭固定座內部設有螺紋孔，進刀電動機輸出軸則通過絲桿與刀具固定座內部的螺紋孔進行連接，同時可通過刀具固定座底部的滑塊在導軌上進行滑動。

圖6 自動進刀裝置結構圖

3 力學分析

針對剝皮器結構形式及實際受力情況，對剝皮器關鍵零部件進行力學分析[3]，主要零部件包括驅動齒輪、傳動齒輪、開口齒輪、上夾塊、下夾塊、剝皮刀具。主要對驅動齒輪與傳動齒輪進行瞬態(tài)動力學分析，對剝皮刀具、上下夾塊進行靜力學分析。齒輪嚙合時瞬態(tài)動力學分析如圖7所示。關鍵部件靜力學分析如圖8和圖9所示。

圖7 驅動齒輪與傳動齒輪嚙合應變及應力分析圖

圖8 剝皮刀具位移及應力分析圖

通過仿真結果可以看出驅動齒輪（6061）、傳動齒輪（6061）、剝皮刀具（45）、剝皮夾具上夾塊（6061）[4]最大變形量很小，不會對機械結構及剝皮器的動作產生影響。由分析結果可以看出驅動齒輪、傳動齒輪、剝皮刀具、剝皮夾具上夾塊所受的最大應力遠遠小于對應材料的許用應力[5]，故可以判斷其所選部件所選材料及結構形式的剛度和強度滿足適用要求。

4 控制系統

4.1 控制系統硬件總體設計

智能剝皮器控制系統硬件設計包含遙控器和工具本身各執(zhí)行機構控制的主控器，硬件總體設計結構如圖10所示。

圖10 控制系統硬件結構圖

4.2 智能剝皮器遙控器系統設計

4.2.1 遙控器硬件系統設計

遙控器硬件系統由電池供電系統、ARM微控處理單元、無線通信模組、液晶顯示終端、按鍵及檢測電路等組成，系統電路原理如圖11所示。

圖11 遙控器硬件原理圖

4.2.2 遙控器嵌入式軟件設計

ARM微處理器控制單元負責按鍵信號的采集、系統狀態(tài)及參數的顯示輸出、無線通信信號的接收和指令發(fā)送。處理器采用意法半導體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M3內核的32位微控器STM32F103C8T6，最大主頻72 MHz，具有接口豐富、快速、高集成度、開發(fā)方便易用等諸多優(yōu)點，STM32F103C8T6具有37個IO口，10通道12 bit AD采樣接口，3個USART，2路SPI通信接口完全滿足遙控器系統功能要求。微控器每個IO口都可獨立配置為引腳中斷，可用于快速檢測定位某個功能按鍵是否按下從而執(zhí)行相應的功能；AD采樣接口通過采樣電路實時獲取系統供電電壓并發(fā)送至液晶終端顯示；液晶顯示終端采用串口通信屏，微控器通過USART通信口與顯示屏進行數據交互，可實時顯示剝皮工具的配置參數、運行狀態(tài)、電池實時電量等；無線通信模組和微控制通信采用SPI接口，SPI接口是一種同步串行總線，通信速率可達到10 MB/s，可實現遙控器和剝皮工具之間的高速數據通信。遙控器 軟件控制流程如圖12所示。

圖12 遙控器軟件控制流程

4.3 智能剝皮工具主控器系統設計

4.3.1 主控器硬件系統設計

主控器硬件系統主要包含電池供電系統、ARM主控器、無線通信模組、剝皮電動機驅動及剝皮長度檢測、主線夾緊松開開合電動機驅動、刀具位置調整等，ARM主控器采用意法半導體公司（ST）推出的基于ARM Cortex-M4內核的32位微控器STM32F446VET6，運行主頻高達180 MHz，主要負責完成無線通信信號接收處理和運行狀態(tài)的反饋；剝皮、主線夾緊松開、刀具位置深淺調整等電動機的控制；剝皮長度、主線夾緊松開狀態(tài)、刀具位置等的狀態(tài)檢測。

剝皮電動機采用大功率、大轉矩，外形小巧的無刷直流電動機，并采用磁場定向矢量控制驅動控制方法FOC，FOC能精確地控制磁場大小與方向，從而使電動機的運動轉矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，具有高速的動態(tài)響應，能夠很好地適應線纜剝皮需要的大轉矩、精確控制的目的，無刷電動機的驅動電路設計如圖13所示。

圖13 無刷電動機驅動電路設計

無刷電動機的驅動電路主要使用三相逆變電路來實現，即把直流電變換為交流電，每一相采用半橋MOS電路來控制，用3個半橋電路就可以組合成三相逆變電路，每個半橋引出的一根輸出線和無刷電動機的一根相線相連，通過控制3個半橋的不同開關狀態(tài)，即可以控制電流在電動機中的不同流向，當需要精準控制電動機時，微控器根據需要計算所需電壓矢量，通過3組PWM信號驅動三相逆變電路，合成出等效的三相正弦電壓來驅動電動機。

4.3.2 主控器嵌入式軟件設計

智能剝皮器主控器嵌入式軟件主要實現包含：電池電量檢測、無線通信數據交互、無刷剝皮電動機的驅動、主線夾緊松開的開合電動機驅動、刀具位置調整電動機驅動、剝皮長度位置檢測、刀具位置檢測、電動機過載保護、設定數據存儲和全自動剝皮流程邏輯控制。

電池電量檢測主要利用微控器內部的12 bit AD接口實時采樣，通過電阻分壓換算出實際電池電壓的值。無線通信芯片采用SPI通信接口，通過微控器配置遙控器和主控器采用同樣的工作頻率、通信地址、傳輸速率和數據包長度即可完成數據交互。無刷剝皮電動機的驅動在軟件上為配置3組互補對稱的PWM信號，利用算法和驅動電路配合將方波轉換成等效的SVPWM波形來按照剝皮邏輯操作驅動電動機剝皮。主線的夾緊松開開合電動機和刀具位置調整電動機采用直流電動機，軟件控制上通過不同的端口操作切換電動機方向，同時通過PWM可對電動機進行調速。剝皮長度根據用戶預先設定，軟件上在剝皮旋轉時實時獲取編碼器脈沖數值，根據編碼器單圈脈沖數和單圈移動的距離計算出相應脈沖數下的剝皮橫向移動距離，到達所設定的長度后即可停止剝皮。剝皮時刀具的位置檢測是通過程序設定中斷口，當剝皮到達線芯，光電傳感器產生中斷，程序接收中斷并停止刀具位置調整。電動機過載保護同樣利用微控器的AD采樣接口實時采樣電動機動力線電壓，并結合電流采樣電阻計算出電動機的運行電流，電動機運行時電流的波動比較大，所以軟件上還要經過低通濾波處理，最終將計算出的電流和過載設定閾值相比較，當超過閾值一定的時間后判斷為電動機過載則立即停止保護電動機和驅動系統。設定參數的存儲采用掉電非易失存儲器EEPROM，采用IIC協議進行設定數據的存儲和獲取。全自動剝皮流程邏輯控制如圖9所示。

5 剝皮器操作方法

根據帶電作業(yè)規(guī)范，操作人員作業(yè)前會穿戴好相應的絕緣手套、絕緣鞋等[6]。首先調整好剝皮器自適應夾具角度使其對準待剝皮電纜，通過遙控器按鍵控制夾緊電動機動作將電纜夾緊，并反饋夾緊量，從而計算出電纜的實際外徑，再通過遙控器按鍵控制進刀電動機開始進刀，進刀過程中同步控制旋轉驅動電動機邊旋轉邊進刀，待傳感器檢測到線芯已完全露出后，剝皮器開始按照既定長度對電纜進行剝皮。剝皮結束后，刀具退出，自適應剝皮夾具松開，將剝皮器整體退出。

6 結語

本文針對10 kV配電線路不停電作業(yè)安全規(guī)范及實際需求，對智能剝皮器進行分析研究，具體總結如下：1）詳細介紹了智能剝皮器的工作原理；2）詳細介紹了剝皮器結構雙嚙合旋轉驅動裝置、自適應剝皮夾具、自動進刀裝置的結構設計及工作原理；3）對剝皮器關鍵部件進行力學分析，驗證其剛度及強度滿足正常適用要求；4）分析并闡述智能剝皮器遙控器及主控器系統的主要內容。