配電自動化罩式FTU免登桿操作桿的研制

譚明哲，孔 健，公冶如晶

（國網山東省電力公司曲阜市供電公司，山東 曲阜 273100）

關鍵字：配電自動化；罩式FTU；免登桿

1 選擇課題

饋線自動化終端簡稱FTU，與柱上斷路器配套安裝于配電10 kV 線路分段、分支、聯絡、分界處，具有遙控、遙測、遙信功能，與主站配合用于故障的檢測、隔離和自愈，大致可分為罩式和箱式2 種，通常安裝于桿塔中段，懸掛離地高度約為3～6 m。

目前縣域以及大部分地級市已架空線路為主，為提高配電線路自動化水平，配電線路FTU 數量激增，相關運維工作量大大增加。常見工作包括三遙和離線消缺、更改保護定值、重合閘投退等，均須運維人員登桿連接網線后使用筆記本電腦進行設備參數或定值的修改，此過程中登桿準備及登桿操作過程比較煩瑣，且存在高處墜落的風險，登桿操作FTU 須使用腳扣或絕緣梯，桿上人員需要使用全方位安全帶，登桿準備及登桿操作過程比較煩瑣，且存在高處墜落的風險。通過對日常運維工作的統計，登桿準備過程和登桿、下桿時間占用了85%以上的工作時長。

綜上所述，現有罩式FTU 的運維方式存在以下問題：

準備過程較煩瑣，占用時間較長，影響作業效率；

作業人員須登桿，耗費體力的同時存在高處跌落風險，在工作量大時尤其凸顯；

現場環境復雜，在某些天氣或地形下較難或無法登桿，影響工作。

現場工作中，需要一種能夠免登桿實現對網口保護罩拆裝及網線插拔的輔助工具，以提升工作效率。

2 設定目標及目標可行性論證

通過現狀調查分析，工作人員現使用腳扣登桿進行插網線過程平均用時306 s，定值修改結束后拔網線過程平均用時276 s ，拔插總用時582 s，時間主要浪費在全方位安全帶的穿戴整理及登桿過程中。小組計劃研制一種配電自動化罩式FTU免登桿操作桿，將6 m 以下罩式FTU 的網線插拔過程用時縮減至270 s，即4.5 min 以內。

利用所研制的操作桿，工作人員在地面能完成上述操作，不存在全方位安全帶的穿戴整理的過程，不存在使用腳扣登桿的過程，用時會大為減少。利用研制的操作桿進行網線插拔過程總用時理論上可以達到設定目標。

3 提出方案并確定最佳方案

3.1 提出方案

根據課題目標，小組對方案進行初步分析。桿頂抓取裝置的結構、材質和驅動方式，桿身結構、控制方式等各因素對裝置能否實現目標都有著重要影響。桿頂抓取部分作為該裝置的核心部件，小組從其結構和驅動方式上初步提出兩種方案，對比如表1 所示。

表1 總體方案對比表

機械式操作桿，高度固定，對于現今3～6 m高度的FTU 的操作，適用性較差，且安全性、可靠性、操作便利性差，電動在開發時具有一定難度，一旦成熟后實用性更高，且具備較大的提升改造空間。所以小組決定選用電動式機械爪作為抓取部件，以其為核心進行操作桿整體的設計。

3.2 方案分解和確定最佳方案

小組初步選定采用電動械爪作為抓取方案，隨后小組對方案進一步細分，對操作桿其余組件提出的方案與思路如圖1 所示。

圖1 方案分解圖

3.2.1 驅動方式選擇

小組參考現有應用較為廣泛的機械爪方案提出2 種驅動方式：電機和氣動。電機驅動方案是依靠電動機轉子旋轉，帶動一系列傳動裝置驅動機械爪進行分合。氣動方式是依靠控制電動氣泵的氣流氣量帶動氣缸動作，進一步驅動機械爪。小組初步擬定了2 種驅動方式的機械爪設計方案并進行定制，實物如圖2 所示。

圖2 兩種驅動方式的機械爪：氣動（左）、電動（右）

隨后小組對2 種方案的參數、性能進行了一系列測試，得到表2 所示數據。

表2 電動、氣動方式參數性能表

由表2 可以看出，在抓取力度相同時，氣動式所占空間更大，且比電機驅動式重160 g，增重約28%，但在抓取頻率方面有很大優勢。

結合數據，兩方式主要區別在于自身裝置體積重量和抓取頻率2 個方面，本次課題目標對機械爪的抓取速率并無太高要求，而為了提升操控性應盡量減輕裝置重量。所以，小組最終將驅動方式確定為電機驅動。

3.2.2 抓取裝置結構選擇

抓取裝置須能抓取圓柱狀的網口保護帽和網線水晶頭2 種形狀的物體，抓取保護帽時須有足夠抓力以便旋轉拆卸，抓取水晶頭時須同時按下水晶頭側面卡扣以便拔出網線。小組針對上述要求提出兩種方案，即二指和四指機械爪，二指要求行程在同一直線上，四指須程菱形排列且行程沿對角線。

對于兩種方案，小組認為二指結構簡單易實現，四指結構在抓取力度和穩定性上更優。小組以前期機械爪為基礎分別構建二指、四指兩種結構，在驅動方式完全相同的情況下進行抓力的測試，結果如表3 所示。

表3 相同驅動方式下2種結構的抓取靜摩擦力測試表

通過測試結果可以看出，在保持原有電機、電池的基礎上，二指結構的抓取力量較小，甚至不足以進行保護帽的拆卸。若想以二指結構達成目標，需更大更重的電機與電池組，此時相較于四指結構反而降低操控性并增加成本。

同時，小組進行多次實際測試，二指結構精準抓取網口保護帽平均用時為37 s，四指結構抓取平均用時15 s。顯然，四指結構更易于操作。

綜上所述，四指結構抓力更強，操控性更好。小組在抓取裝置結構上最終選定四指結構。

3.2.3 桿身結構的選擇

首先，小組對桿身的材質達成了較為一致的意見：選用環氧樹脂。原因為環氧樹脂堅固耐用重量輕，具備極高的絕緣性能。

對于桿身結構，小組提出了2 種方案：抽拉伸縮式和拼接組裝式。

抽拉伸縮式常見于高壓驗電器，其優點為攜帶與使用方便，但伸長時末端桿身逐漸變細導致桿身強度降低，會使桿身彎曲、搖晃，嚴重影響操作。拼接組裝式常見于絕緣操作桿，使用前須按照現場情況進行桿身的拼接，相對來說較為煩瑣，但在加長后仍能保持桿身強度。

小組對2 種桿身制定了方案如表4 所示。

表4 桿身結構方案

小組認為采用電機驅動方式時，電機、電池、控制板、機械爪將集中整合至桿頂，使桿身末端較重，桿身須具備一定強度來保證操作的順利。隨后小組按照計劃使用計算機模擬測試2 種方案的結構強度，測試時按照抓取和驅動裝置置于桿頂，重量為600 g，底端桿與地面傾角為60°，以桿身末端與桿身首端夾角作為判斷標準，結果如表5 所示。

表5 桿身強度測試

對比測試結果，抽拉伸縮式在使用高度增加至3 m 后桿身彎曲程度較大，可預計實際使用過程中存在一定困難，同時抽拉伸縮式在不同高度的使用中桿身重量不變，而拼接組裝式則較為靈活。所以小組決定桿身結構選用拼接組裝式。

3.2.4 控制方式選擇

小組提出有線和紅外2 種控制方式。2 種方式的特點如表6 所示。

表6 有線、紅外2種控制方式優缺點對比

結合前期桿身結構方案和2 種控制方式特點，小組認為有線方式雖然優點明顯，但較難實施，且會破壞桿身絕緣，帶來一定安全隱患。紅外遙控使用以極為成熟，使用過程中桿身周圍基本不會有障礙物阻擋，10 m 遙控距離足夠實際工作中應用，也就是說在本課題的應用環境下，紅外遙控方式可避免其短板，完全突出其優勢。小組最終決定選取紅外線方式傳輸控制信號。

通過對各分解方案的綜合評估，最佳方案如圖3 所示。

圖3 最佳方案圖

4 對策實施

4.1 實施一：電動舵機實施

通過多方比對。小組購得一螺紋式步進電機作為舵機，電機配置固定法蘭盤，法蘭盤能夠和電池支架等相連接。電機參數：額定電壓為12 V，功率為26 W，步距角1.8°，靜扭矩為4.4 kgcm，額定電流為2.0 A，質量為170 g，體積為4.55 cm×4.5 cm×5 cm。

小組進行測量測試，質量體積，靜扭矩符合要求，長時間工作無過熱現象。符合目標要求。

4.2 實施二：電池組實施

小組購買到12 V，3000 mAh 鋰電池組，其預留一個充電接頭、一個輸出接頭，搭配一個充電器。產品到貨后小組對其進行充放電測試，驗證其容量和保護性能如表7 所示。

表7 電池組放充電測試記錄

在兩種放電倍率情況下放電，放電時間大于同等容量的電池組的放電時間，證明電池組容量大于3000 mAh，放電電量最大為36.9 Wh大于36 Wh的目標要求，且正常能持續3 A 工作電流輸出。符合目標要求

4.3 實施三：遙控模塊實施

采購帶遙控功能的步進電機控制器。

對到貨裝置針對性能要求，連接步進電機與鋰電池組進行性能測試。測試報告如表8 所示。符合目標要求。

表8 步進電機與鋰電池組性能測試

4.4 實施四：四指爪制作實施

設計四指爪3D 圖紙，指尖處設有橫向防滑紋，目的是在抓取網線水晶頭時，增加摩擦力，豎向防滑紋，目的是在拆裝網口保護帽時增加橫向的摩擦力。利用3D 打印機打印，材質為尼龍。

測試結果：抓取拆卸網口保護帽正常，不打滑，抓取插拔網線水晶頭正常，拔插順暢。符合目標要求。

4.5 實施五：絕緣桿實施

購買4 節絕緣桿，采用卡扣連接，到貨后4 節組裝測試，卡扣連接牢靠，在施加20 kg 橫向扭轉力時，絕緣桿無變形。符合目標要求。

4.6 實施六：整體組裝調試

制作電機及控制板支架，進行工具前部組裝；利用車床制作180 mm×60 mm×2 mm 的鋁保護筒，底部利用可調向的轉接件與絕緣桿相連；3D 打印遙控器支架，支架放置于操作桿下部，方便操作位置，并能方便上下移動，以適合FTU 高度，方便人手操作。

圖4 室內調試

整體調試、現場試驗。小組首先于室內進行裝置基本性能的調試，確認裝置運行正常后于室外實地進行調試，主要測試其使用高度和動作、控制的靈敏度。

圖5 現場試驗

通過整體檢測調試，裝置符合設計要求。

5 效果檢查

5.1 檢查課題目標

為保證測試貼近實際，小組通過現場工作中裝置的實際應用情況來進行此次課題的效果檢查，以修改保護定值和投退重合閘兩項工作作為實例，選取罩式FTU 懸掛高度6 m 以下的工作現場，采樣30 次實際作業。應用配電自動化罩式FTU 免登桿操作桿進行操作，網線插拔過程平均用時為230 s，比目標值270 s 快了40 s。小組進一步分析數據，篩選出高度在6 m 以下前期使用常規操作方式的工作數據，網線插拔過程平均用時在523 s。使用罩式FTU 免登桿操作桿，相較于常規方式在網線插拔環節節省了56%的時間。小組成功實現了活動目標。

5.2 效益分析

在進行配電自動化運維過程中，使用配電自動化罩式FTU 免登桿操作桿可節省一定的人力成本。此操作桿操作難度低、無上手門檻，可一定程度上節省雇傭外委登桿人員的經費。工作人員可免于登桿，無高處跌落風險，減少登桿過程中的磕碰、擦傷等風險，減輕作業人員在高溫天氣下的體力消耗，減少中暑風險。此裝置投入運用后可提高配電自動化運維效率，縮短工時，利于加強配網自動化的整體水平，保障配電線路安全平穩運行，為公司贏得良好的社會效益。