架空輸電線路電動平衡走線車研究

尹維崴，李睿，張德偉，李葉軍

（國網吉林省電力有限公司檢修公司，吉林長春，130000）

0 引言

在電力領域中，超高壓和特高壓的輸電需要應用多分裂導線來對其線路進行架設，以此達到抑制電暈放電和線路阻抗的問題，不過，多分裂導線會因外部環境及施工破壞的影響而發生磨損、散股、斷股和間隔棒松脫等問題，這些問題往往具有隱蔽性，一旦發生，則勢必會給電力企業造成巨大的損失。為了防范這些問題的發生，運行單位需要定期進行走線檢查，在現有的走線檢修方式中，不僅檢修效率較低，而且走線設備體積較大，使用起來非常不便，因此，研究一種更加便捷、安全的走線檢修設備來進行架空輸電線路線檢修是具有重要意義的。

1 公司概況

為了解決檢修人員在對架空輸電線路進行走線檢修時容易出現身體損傷的問題，提高分裂導線上檢修人員的巡檢效率，國網吉林省電力有限公司檢修公司同遼寧蘭陵易電工程技術有限公司欲通過立項來研發一種小型的電動平衡走線車。該公司的成立時間是2002年，地處于遼寧省鞍山市，其服務范圍包括研發帶電作業工器具和電力安全工器具、建設、檢修和運維變電站以及檢驗電力設施。目前，該公司憑借積累的30年專業研發經驗，成功研發了包括無人機輔助類、橫擔卡具類、絕緣滑車類、紅框類等共14個大類，超過200個品種的帶電作業工器具。其業務范圍更是涉及到全國各地，并以“務實、合作、求精、創新”作為企業的發展理念，始終堅持以優質的產品、服務和領先的技術來不斷推動我國電力系統的節能、安全與環保建設。

2 架空輸電線路走線檢修方式存在的弊端

由于超高壓與特高壓在輸電過程中，其線路主要是以多分裂導線為主的，因此在對這種分裂導線進行走線檢修時，能夠適用的檢修方式主要包括三種：第一種是人工檢修走線方式，這種檢修走線方式需要作業人員進行徒步行走，在行走過程中，作業人員需要雙手分別扶持著一根導線，雙腳則站立在同一根分裂導線上，然后采取徒步行走的方式來對輸電線路進行逐段的檢查，不過，由于其在走線過程中很容易因受力不均而發生危險，并且長時間的走線還會造成檢修人員的足弓出現損傷。此外，作業人員需要進行長期的訓練才能適應走線檢修工作。第二種是利用電動走線裝置進行檢修，該裝置主要是利用大型電機來進行傳動行走的，檢修人員只需坐在該裝置中即可完成檢修，這種檢修方式往往體積較大，而且裝置重量普遍超過80公斤以上，這也造成操作人員在控制該裝置時非常不便。第三種是利用機械走線裝置進行架空線路檢修，該裝置主要由滑輪、鏈條和齒輪等零部件構成，檢修人員可騎行該裝置來進行檢修，不過在行走速度上比較慢，而且該裝置的體積比較大，不僅檢修效率較低，使用起來也比較不便。由此可知，在現有的走線檢修方式中，都普遍存在使用效率低、適用性較差等弊端，難以滿足架空輸電線路的檢修要求。為此，研發一種更加先進的架空走線類工器具已經到了迫在眉睫的地步。

3 架空輸電線路電動平衡走線車的研究目標

在考慮到上述走線檢修方式的種種弊端以后，考慮到架空輸電線路的檢修要求，在研發架空走線類工器具時，經過仔細的研討，研究目標應包括以下三點：

(1)動力輸出、控制、傳動與平衡的研究

結合架空輸電線路的走線檢修工作要求，電動平衡走線車在檢修過程中不需要對轉向進行考慮，因此可以剔除用于轉向控制的模塊，通過單片機和單陀螺儀來確保電動平衡走線車在行走過程中能夠雙輪同步運行。在功率分配上，考慮到波動擾動問題，需要采用兩個電機來分別為各個傳動輪提供動力，使其能夠適用于大跨越的桿塔走線。

(2)接觸構造和傳動的研究

現階段，該公司在對500kV電壓的輸電線路進行多分裂導線設計時，多分裂導線的股數主要包括四股和六股，導線型號分別為LGJ-240/30與LGJ-400/35，直徑分別是21.6mm與26.82mm。只有電動平衡走線車能夠在上述兩種分裂導線形式中同時適用，才能提高其適用性和安全性。因此，電動平衡走線車的傳動輪直徑應在28mm至26.82mm之間，并且輪體應為凹型輪轂，其輪轂深度應超出分裂導線縱向橫截面積的70%，而且其凹槽內側應加設耐磨防滑裝置，以此確保電動平衡走線車在下坡過程中不會出現空轉現象。

(3)安全防護研究

考慮到檢修人員在雙手分別扶持導線時，電動平衡走線車在走動過程中會磨傷檢修人員的手部，因此需要在兩側導線上分別安裝一個防磨的筒形套管，這種筒形套管便于安裝與拆卸，并和走線車之間進行柔性連接，以此避免走線車失控后發生掉落。

4 架空輸電線路電動平衡走線車的研究方案

(1)電動平衡走線車的研究思路及功能要求

在架空輸電線路電動平衡走線車的研制中，對于其技術指標具體有以下要求：

其一，電動平衡走線車的體型應盡量小型化，體積應控制在0.06m3以內，整車質量不得超出20kg，這樣便于檢修人員進行攜帶；其二，電動平衡走線車在控制、動力輸出與平衡方面應保證優良，走線車在輸電線路中的行走速度應至少在10km/h以上，最大行駛角為15度，同時，考慮到外界環境的風速、摩擦力及檢修人員體重等因素給電動平衡走線車帶來的影響，其工作距離應滿足7km，并且在滿電狀態下能夠連續工作14個小時；其三，電動平衡走線車在走線過程中需要確保其姿態平衡，因此需要在其中安裝平衡芯片，該芯片利用傳感器以每200次/s的頻率來對電動平衡走線車的姿態進行動態調整；其四，電動平衡走線車在走線過程中要具備足夠的動力輸出，在動力輸出裝置設計中，其通過雙直驅電動機來進行功率輸出，輸出總功率可達到700瓦以上，瞬時功率就去地2000瓦以上，并且最大扭矩應保持在70Nm，當坡度為15度時，電動平衡走線車的滿載重量應為80kg；其五，電動平衡走線車應確保檢修人員進行獨立安全的操作。

通過結合上述技術指標，在電動平衡走線車研發中，將其劃分為電路驅動與機械硬件兩個部分進行分別設計，具體功能要求如下：其一：電動平衡走線車應采用單片機對雙輪無刷直流電機進行控制；其二，雙輪無刷電機的帶載能力應達到90kg，并能夠進行自動調速，速度最高值應達到5km/h；其三，利用開關信號來判斷檢修人員是否坐好，待檢修人員坐好后方可啟動；其四，利用轉換開關按鈕來實現走線過程中的加速、減速、前進與后退控制；其五，在電動平衡走線車發生故障時能夠進行自動報警；其六，在電動平衡走線車上安裝有電源狀態指示燈；其七，電動平衡走線車的體積應盡量較小，安裝起來較為方便；其八，能夠滿足工業設計中的標準要求，并具有一定的抗干擾能力。

(2)電動平衡走線車在研究過程中遇到的技術問題及解決方案

遼寧蘭陵易電工程技術有限公司在2017年對電動平衡走線車進行了階段性研討，并在四分裂導線試驗中發現如下技術問題：其一是電動平衡走線車的動態平衡問題，雖然電動平衡走線車能夠利用陀螺儀來進行前后平衡調整，但其左右晃動卻難以避免，而且會對前后平衡造成一定的干擾，通過加裝輔助平輪后發現效果并不理想；其二是電動平衡走線車中的電路安全問題，由于采用的線路板程序模塊無法在高空走線作業中適用，而且無法進行解鎖調整，因此需要對該模塊的程序進行重新編程；其三是安全防護問題，在上文中提及到需要在導線中設置雙手扶持套管，但這種套管在實驗過程中難以避免的會發生橫向晃動，而且在扶持過程中會產生一定的摩擦力，因此需要在套管中加裝握緊與滑輪裝置，但卻會使走線作業變得更加復雜；其四是跨越間隔棒問題，該問題是需要對間隔棒進行相應的改裝，但改裝成本卻過高，因此需要確保走線車在體積較小的同時，還要確保各個保護措施之間能夠掛接在一起，以此起到跨越間隔棒的目的；其五是作業風險的評估問題，走線作業需要對檢修人員的身心素質有著較高的要求，當遇到風雨天氣時，架空線路的左右晃動幅度會非常大，這會對走線作業造成很大的影響。為了解決上述問題，電動平衡走線車在研究過程中需要制定以下解決方案：其一是通過結構調整來提高兩個從動輪的平衡性；其二是對動態平衡調整電路進行簡化設計，巡線速度分為高、中、低三個檔次，即可利用PLC進行控制，也可進行手持遙控控制；其三是將站行驅動改成坐行驅動，以提高檢修人員的穩定性；其四是利用鏈式掛鎖來固定檢修人員；其五是利用倒梯形凹槽來對驅動輪進行設計，并內嵌防滑橡膠來加大驅動輪與導線之間的摩擦力。

(3)電動平衡走線車的電路研究

電動平衡走線車所使用的電機為直流無刷電機，該電機自帶有霍爾檢測功能，其是由霍爾位置傳感器、轉子和繞組定子三個部分組成。STM8S105S6T6C單片機是電動平衡走線車中的核心控制器，并嵌入有130nm存儲器。驅動電路架構采用N+N MOS，并通過8片MDP1932并聯來構成上下橋臂，通過三相24片MDP1932來進行22A電流的輸出與電機霍爾信號檢測。

(4)電動平衡走線車的軟件設計

電動平衡走線車的軟件開發工具為Keil 5.12，其利用6步換向法來控制電機，零爾位置傳感器的三相角度是120度，并結合霍爾傳感器狀態，將電機正轉與反轉時進行六個狀態的劃分，并利用二二導通法來控制開關管狀態。電機調速方法為PWM調壓，通過對占空比進行調整來控制電機電壓有效值，以此實現對電機轉速的控制。在系統設置中其轉速控制分為低速檔、自由檔與高速檔，其中自由檔可利用手柄來進行控制。在安全檢測方面，根據檢修人員的手柄緊握信號與腳踏開關信號來進行人員安全狀態判斷，在判斷檢修人員坐穩后才會啟動電機。電機調試軟件應用LabView系統進行監控與調試，并利用串行口來實現遠端通信，并可對系統參數進行實時查看與修改。

(5)電動平衡走線車的硬件結構設計

電動平衡走線車的硬件結構主要包括車體、電動驅動輪轂、輪帶、弧形槽、控制電路板、驅動開關、延伸架、平衡輪、掛鉤、安全帶、橡膠防滑層與提手。兩個驅動輪轂分別位于車體兩側，在輪轂中安裝有輪帶，輪帶截面是弧形槽，該弧形槽可騎在分裂導線上，弧形槽的內表面為厚度3-5mm的像膠防滑層，延伸架位于車位前側，并且延伸架兩側安裝有兩個平衡輪，在車體中安裝有控制電路板，并由鋰電池進行供電，其車體上表面安裝有腳控開關，同時在車體中還設有提手來進行搬運移動。

5 架空輸電線路電動平衡走線車的應用效果分析

通過以上設計，電動平衡走線車的實際應用效果具有以下技術優勢：

（1）車體重量方面

相比于吊艙式的電動走線車，本項目所設計的電動平衡走線車在材質上為鋁合金，這使其體積更小、重量更輕，如果使用碳纖維材料，則電動平衡走線車的整車重量甚至可達到10kg以內，車體重量的減輕，不僅能夠提高作業效率，而且攜帶起來也非常方便，當巡線時出現雙線弛度過大等緊急狀況時，檢修人員只需通過單手即可進行應對，從而使檢修人員的體能得到大量節省。

（2）障礙跨越方面

本項目所設計的電動平衡走線車配備有多功能越障裝置，這使其能夠輕松跨越相間間隔板、架空線間隔棒等障礙。其障礙跨越流程如下：第一步是利用快捷線間卡具在越障方向的某個位置中固定主支撐柱；第二步是把三段折疊裝臂在適當高度中固定于主支撐柱；第三步是利用省力絲柱與推力軸承來連接走線車和吊裝臂；第四步是轉動省力絲杠來提高走線車高度；第五步是把走線車推送到間隔棒的另一端；第六步是走線車位置及方向調整，使其能夠在分裂導線中坐穩；第七步是拆卸越障裝置。

（3）速度控制方面

電動平衡走線車在速度控制方面利用數字電路進行正弦波矢量控制，并通過電流+速度閉環控制算法來達到電機控制的目的，同時利用三檔限速來確保電流之間的高功率與低功率穩定轉換，使電動平衡走線車在行走、上坡、下坡過程中能夠保持穩定的速度。

（4）功能拓展方面

該電動平衡走線車具備強大的功能拓展功能，其既可充當傳統的巡檢工具，也可連接更多的拓展程序，或是結合遙控器材來進行無人巡檢。