高壓輸電桿塔保護接地裝置的設計和仿真

吳正樹，唐 靜

(1.中國南方電網超高壓輸電公司南寧局，廣西 南寧 530021；2.深圳市新南潤電力科技有限公司，廣東 深圳 518114)

0 引言

接地裝置不僅為各種電氣設備提供一個公共的參考地，而且在發生故障或雷擊時能夠將故障電流或雷電流迅速散流，其可靠性及安全性能一直受到設計和生產運行部門的高度重視。電力系統接地就其目的來說可分為工作接地、防雷接地和保護接地3種，其中保護接地通常用于電力設備安裝、檢修維護和改造過程中為保證人身安全必須接地的情況，因此接地的可靠性、操作便利性成為相應接地裝置工作性能的重要衡量指標。

在現有的高壓輸電桿塔保護接地裝置中存在諸如自鎖性能不可靠、結構笨重、操作過程中容易出現故障與事故等諸多缺陷。基于此，將多自由度機構用于接地裝置的設計中，研發一種二自由度、完全解耦的RRRR-P并聯接地機構，并利用ADAMS軟件進行多體運動學分析，探討機構的基本特征與關鍵參數影響機構運動特性的原理。

1 接地機構設計與關鍵參數

1.1 機構簡圖

接地機構設計如圖1所示，該接地機構采用1條動支鏈和1條靜支鏈(固定夾爪)，屬于一種二自由度且完全解耦的RRRR-P并聯接地機構。

圖1 接地機構示意

固定在桿塔角鋼橫擔上的曲柄滑塊機構控制活動夾爪克服扭轉彈簧的阻力向靜支鏈靠近。由于桿塔安裝于地面上，因此待活動夾爪與固定夾爪緊握高壓輸電線時，即完成了高壓線路的接地作業。曲柄轉過90°之后主鋼繩張緊(安全鋼繩始終放松)，此時機構進入“死點”自鎖位置。突發情況下主鋼繩斷裂時主架會發生移動，此時安全鋼繩被張緊，因此依然能保證高壓線處于接地狀態，這對保證工作人員安全至關重要。

1.2 機構運動簡圖與關鍵參數

接地機構的運動如圖2所示，由圖2可知本機構為由曲柄滑塊機構驅動的五桿機構，驅動連接座的主鋼繩理想化為驅動桿，其前端運動可看作沿滑槽的純移動，活動夾爪則作定軸轉動。圖2所示的偏置距離e、仰角φ、扭簧的剛度系數k為影響機構運動特性的主要參數。圖2主要參數的符號和含義如表1所示。其中l1，l2，l3分別為活動夾爪、連接座、驅動桿的長度。固定夾爪為常靜狀態，在建立機構的運動學模型時可以不予考慮。

圖2 接地機構運動示意

表1 圖2主要參數的符號和含義

2 接地機構的運動學模型

由圖3可知，接地機構的自鎖能力是通過對心曲柄滑塊機構實現的，自鎖失效發生在CB桿為主動件、AC桿為從動件時，此時傳動角δ可由余弦定理計算得出：

2.1 接地機構的自鎖原理

接地機構在其進入工作狀態后具有自鎖的能力，該部分原理如圖3所示。

圖3 接地機構自鎖原理

因此，當CB桿與AC桿共線時δ=0，此時機構處于自鎖狀態。

2.2 接地機構執行件的運動學模型

本機構中驅動桿為主動件，活動夾爪為執行件。為便于模型的建立，在求解過程中假定活動夾爪為主動件，由此得出活動夾爪做定軸轉動時驅動桿的運動學方程，最后求解其運動學方程的逆向解即可得出活動夾爪的運動學模型。

根據D-H理論，參照圖2可得出驅動桿D-H坐標系參數，如表2所示。其中θi為關節變量角，αi-1為桿件扭角，ai-1為桿件長度，di為偏置量。

表2 驅動桿的D-H坐標系

于是：

由式(3)可得出驅動桿的運動方程的其次坐標表達式為：

將式(2)，(3)，(5)代入式(4)中并展開，即可得出驅動桿末端在空間的任意一點的位置方程：

對式(6)求關節變量θ1，θ2，θ3的偏導數，可得驅動桿的雅可比矩陣：

即：

式(8)反映了驅動桿末端關節位移與前端關節之間的運動關系。對式(8)兩邊對di求導可得速度矢量：

解出相應的關節速度：θ˙=J-1V。又因為雅可比矩陣J具有可逆性，故只要給定驅動桿末端的直角坐標速度，即可求得相應鉸接處的速度。從上述推理中可得相應鉸接處的角速度為：

角加速度為：

3 接地機構的運動學仿真分析

3.1 建立虛擬樣機

由于ADAMS軟件本身自帶的幾何建模模塊不夠精準和逼真，且整個樣機零件較多的時候容易造成約束過多，因此根據機構運動簡圖，并將其中一些零件運用布爾運算簡化為一個構件以提高仿真效率，仿真模型如圖4所示。

圖4 虛擬樣機模型

在各桿的鉸接處、活動夾爪與地面的鉸接位置添加轉動副，驅動桿的前端與地面之間添加移動副，曲柄上添加驅動并填寫相應驅動函數，約束添加如表3所示。對系統的自由度、未定義重量的構件和過約束等情況進行檢查，隨后做靜平衡分析驗證模型的準確性。

表3 虛擬樣機構件的約束類型

3.2 仿真分析

調用ADAMS/Solver進行仿真分析獲得各構件的運動特性。設置仿真時間End time為12，步數為500，曲柄的驅動函數為30d*time，然后進行仿真。在仿真計算結束后進入后處理環境PostProcessor，繪制不同偏置距離e、不同扭簧剛度系數k和仰角φ下活動夾爪標記點的運動曲線，如圖5—7所示。

圖5 不同偏距下活動夾爪標記點的速度對比分析

圖6 不同扭簧剛度系數下活動夾爪標記點的速度對比分析

圖7 活動夾爪前端鉸點不同仰角下活動夾爪標記點的速度對比分析

由圖5可知，無論驅動桿前端在何種偏距下活動，夾爪標記點的速度均產生了比較大的波動，但不同的偏距下活動夾爪標記點的速度變化規律不盡相同。一方面偏距減小時，標記點速度波動的幅度增大，其次發生波動的時間提前，因此活動夾爪運動的平穩性降低；另一方面偏距為15時，標記點速度波動周期明顯增大，且與其他偏距下的周期錯開，說明該情況下活動夾爪的平均速度降低。

由圖6可知，扭簧剛度系數增大時活動夾爪標記點的運動速度變化顯得 “遲鈍”。增大剛度系數情況下，在前期標記點速度略低，運動更平穩；但后期標記點速度的波動幅度增加，晃動明顯。

由圖7可知，相比偏距和剛度系數，活動夾爪前端鉸點仰角的影響更為顯著。隨著仰角的降低，仰角降低標記點的速度波動幅度降低，說明其平均速度不高，因此打開和閉合效率沒有優勢，但是動作更加平穩。

4 結論

從施工現場對接地機構提出的要求出發，提出了一種多自由度并聯自鎖機構，并利用D-H理論建立了機構系統的運動學模型，說明機構的執行動作在理論上具有可解性；隨后根據繪制的機構簡圖并結合仿真研究手段，在ADAMS軟件中對關鍵參數進行了多體運動學仿真分析，仿真結果表明如下幾個觀點。

(1) 無論在何種偏置距離下，活動夾爪在打開與關閉過程中均存在一定程度的速度波動，這是由機構的固有屬性決定的。增加偏距，能減少速度的波動幅度，增加打開與關閉活動夾爪過程的平穩性；減少偏距則能提高機構的執行效率。

(2) 提高扭簧剛度系數不能降低活動夾爪速度的波動幅度，但對速度波動的周期影響較大。增大剛度系數時速度波動周期增大，故單位時間內的平均速度降低，活動夾爪動作時間增加。

(3) 變化的仰角對活動夾爪運動的末期影響較大，仰角降低使其運動更加平穩。

參考文獻：

1 袁劍雄.六自由度并聯瞄準模擬器研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2002.

2 張晉西，郭學琴，林昌華，等.牛頭刨床機構虛擬樣機分析[J].機械與電子，2006，24(9)：63-65.

3 王 南，郝莉紅，張莉婷，等.基于ADAMS/View的雙橫臂獨立懸架的運動學仿真分析[J].河北工業科技，2012，29(4)：214-216.

4 曹 恒，牛思捷，王 瑜，等.基于ADAMS的助力機械腿結構設計與仿真[J].工程設計學報，2009，16(5)：340-343.

5 李景祿，鄭瑞臣.關于接地工程中若干問題的分析和探討[J].高電壓技術，2006，32(6)：122-124.

6 張瑞強，何 為，李 羿，等.基于正逆問題分析方法的變電站接地網研究綜述[J].中國電機工程學報，2014，34(21)：3 548-3 560.

7 方秀平.基于ADAMS的平面四桿機構仿真實驗平臺研究[D].吉林：延邊大學，2012.

8 童雪芳，董曉輝，谷定燮.特高壓輸電線路桿塔基礎獨立接地性能仿真分析[J].高電壓技術，2012，38(12)，3 323-3 330.