10 kV配電網引流線切斷裝置設計與研制

張 恒 汪 明

（山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

帶電作業是指在高壓電氣設備不停電狀態下進行檢修、測試的一種作業方法，是避免檢修時停電，使得電網正常運行的有力措施[1-3]。發電廠、架空輸電線路、配電線路和配電設備等都存在帶電作業的需求[4]。然而，配網帶電作業易受環境影響，且體力消耗大、作業風險大。以往進行帶電作業時，作業人員一般需要穿戴好絕緣防護服，在做好絕緣措施后接觸帶電體進行作業。整個過程不僅費時費力，而且存在較高的危險性。其中，斷線作業是帶電作業操作中的重要環節。配電線路附近大型工廠的拆遷以及舊城區輸電線路改造等都會涉及斷線作業[5-6]。

在斷線作業裝置的智能化方面，國內外相關領域的研究較少。日本和美國等國家雖有可以進行斷線作業的電動斷線工具，但大部分都無法完成帶電作業[7-9]。國家電網上海松江供電公司研制了一款絕緣斷線鉗，該斷線鉗為機械式結構，切刀為棘輪結構，以此完成電纜的剪斷工作。雖然絕緣斷線鉗使用的輪式切刀構造輕便，但是剪切較粗線徑的電纜時，操作仍然不夠方便[10-11]。為了使作業人員在操作時更加方便，進一步降低作業的復雜度，本文設計研制了一款高壓電纜切斷裝置。高壓電纜切斷裝置可以提高帶電作業的工作效率和人員安全性，從而提高電網的智能化水平。

1 高壓電纜切斷裝置設計

1.1 高壓電纜切斷裝置樣機設計

該裝置的整體結構主要包括切刀本體、切刀驅動部分、驅動控制部分和位置傳感器模塊等，如圖1所示。切刀本體主要用于切斷高壓電纜；切刀驅動部分由直流電機與減速器組成，能夠接收來自驅動控制部分產生的控制信號，從而帶動切刀轉動將電纜切斷；位置傳感器模塊能夠為驅動控制部分提供檢測到的切刀位置信號。

1.2 工作流程設計

工作時，驅動控制部分接收到控制指令后開始控制直流電機動作，同時檢測流過直流電機的電流。通過判斷電流大小控制直流電機動作，使其帶動切刀本體切斷電纜。電纜切斷之后，切刀自動復位，位置傳感器感應到切刀到位后，驅動控制部分控制直流電機停止轉動。圖2為該裝置的工作流程圖。

2 關鍵結構與智能控制系統設計

2.1 機械傳動結構設計

該裝置的機械傳動結構中，從動齒輪與驅動齒輪嚙合，驅動齒輪傳動軸與減速器固定連接，減速器與直流電機固定連接。如圖3所示，在電機的驅動下，減速器帶動驅動齒輪傳動軸及驅動齒輪轉動，從而帶動切刀從動齒輪轉動，將電纜切斷[12]。

其中，主從動齒輪材料選擇45鋼，齒面硬度為240 HBS，主動齒數為17齒，從動齒數為24齒。本次設計依據齒面接觸疲勞強度，主動齒輪分度圓直徑范圍為：

式中：KHt為載荷系數，取值為1.3；T1為主動齒輪的扭矩，取值為5.8×104N·mm；φd為齒寬系數，取值為1；ZH為區域系數，取值為2.5；ZE為材料的彈性影響系數，取值為189.8 MPa；Zε為接觸疲勞強度用重合度系數，取值為0.94；[σH]為接觸疲勞許用應力，取值為896.5 MPa。

主從動齒輪的循環應力次數N1、N2分別為：

主動齒輪的圓周力Ft1為：

實際載荷系數KF為：

按實際載荷系數算得的齒輪模數m為：

式中：mt取值為1.69；KFt取值為1.3。

齒輪模數的大小由承載能力決定，而齒輪承載能力只與齒輪直徑有關，因此選擇主動齒輪為17齒、從動齒輪為24齒。按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑為32 mm，齒面接觸強度和齒根彎曲疲勞強度都能夠得到滿足，且結構上也能夠做到緊湊合適。

2.2 智能控制系統設計

各種控制算法中，比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法因其簡單和魯棒性好被應用于實際系統，而且特別適應于具有精確數學模型的己知系統[13]，原理如圖4所示。

PID算法的控制規律為：

式中：u(t)為輸出量；kp為比例系數；e(t)為系統的偏差；TI為積分時間常數；Td為微分時間常數。

PID控制雖然易于實現，但在控制過程中會面臨外部擾動的影響，其控制效果往往難以達到控制要求[14]。模糊PID控制將模糊控制和PID控制相結合，實現了對PID參數的最優整定[15]，因此對于非線性系統具有顯著的控制效果。設定模糊規則時，要在Fuzzy工具箱中建立模糊控制器，然后將輸入量設置為e和ec，輸出量設置為Kp、Ki、Kd，控制器設計界面如圖5所示。設定好模糊規則后，輸出量Kp、Ki、Kd與誤差e和誤差變化率ec的關系如圖6所示。

本文所研究的被控對象的傳遞函數模型H(s)為：

在Simulink中搭建PID與模糊PID的仿真模型如圖7所示。

通過仿真可以得到PID與模糊PID的曲線如圖8所示，其中虛線是PID的輸出曲線，實線是模糊PID的輸出曲線。從圖8中可以看出，模糊PID曲線超調量σ=3%，調節時間ts=1.3 s。與PID相比，模糊PID在控制上具有顯著的優越性。

3 樣機測試與數據分析

3.1 測試準備

10 kV配電網使用的70 mm2電纜如圖9（a）所示，其外層絕緣皮厚度為3.5 mm，銀白色部分為鋁絞線。高壓電纜切斷裝置切斷70 mm2電纜示意圖如圖9（b）所示，切刀采用高硬度冷作模具鋼，不僅能夠克服絕緣外皮的粘連，而且能提高對鋼芯的剪切能力。高壓電纜切斷裝置樣機如圖9（c）所示。由于本裝置的作業對象是高壓電網，因此要求工具在結構、質量、控制等方面必須滿足作業要求。本裝置合理采用了聚甲醛熱塑性結晶聚合物、合成樹脂、鋁合金等輕質、耐磨材料，在滿足使用要求的同時大幅降低了整機的質量。

3.2 帶電作業時70 mm2線徑電纜電流值變化

高壓電纜切斷裝置在10 kV高壓下切斷70 mm2電纜時，加入PID控制后其電流變化情況如圖10（a）所示。在620 ms時，電機空轉產生超調。在3 000 ms時，電機空轉進入平穩運行階段之后電流開始上升，說明切刀已觸碰到電纜，電流值隨著切斷過程不斷增大，直至2 950 mA左右開始下降。加入模糊PID控制后，其電流變化情況如圖10（b）所示。在700 ms時，電機空轉產生超調，相比圖10（a）的超調幅度有了明顯的改善。在3 000 ms時，電機空轉進入平穩運行階段之后電流開始上升，說明切刀開始工作，電流值隨著切斷過程不斷增大，直至2 800 mA左右開始下降。綜合實驗數據分析可以看到，模糊PID控制的效果在超調量、速度以及穩定性方面比PID控制具有更明顯的優勢。

4 結語

本文針對目前帶電斷線作業中的難題，設計研制了一款高壓電纜切斷裝置，主要介紹了該裝置的結構、技術參數，同時對關鍵結構進行了分析并對控制算法進行了仿真，最后對該工具進行高壓試驗測試。結果表明，該裝置能夠滿足帶電作業需求，能夠代替人工切斷10 kV高壓引流線。