輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線檢測系統研究

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1 輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線檢測研究現狀

由于牽引繩斷線會引起后方導線連同走板發生甩尾鞭擊的嚴重事故，對跨越檔內的重要設施造成重大損失，因此需要重視放線過程中鋼絲繩斷線問題。目前，國內已經有相關單位進行了一些防斷線抱緊相關裝置方面的研究，但僅限于裝置本身的控制及鎖緊機構的研究。在現代網絡技術和5G時代的背景下，數據量的傳輸及可靠性，可以實現放線鋼絲繩拉力在線監測、抱緊機構、牽張機等整個系統的聯動控制反應。

山東某送變電工程有限公司研究了在輸電線路張力架線雙向防跑線裝置，該裝置能夠在放線過程中使導線正常通過。一旦發生斷線，在放線滑車位置附近，能夠雙向抓住導線的張力放線防跑線裝置。根據杠桿原理設計一種連桿機構，將杠桿一端活動軌跡設置為變軌跡形式，以實現正常未夾緊時寬裕的通過空間和接收到夾緊信號后的快速抓緊，采用對稱互補結構，實現不論導線在設備哪一側斷裂均能夠快速夾緊。控制部分在開機自檢通過后，進入導線狀態監測狀態，由編碼測速儀實時測量導線的運行速度，將導線速度與設定值斷線閾值進行比較，以此判斷斷線的狀態。雖然此設計方案通過計算分析和實際工程應用發現，該方案滿足現場工程一定應用需求，但該裝置也存在一些問題未解決，比如裝置如何過走板；安裝未考慮在鋼絲繩的許用強度下的鎖緊情況；通過分析牽引速度超過預設閾值判斷斷線情況，導致斷線后導線的速度超過一定閾值，再進行機構動作，反應不夠及時，在整體機構強度滿足標準的情況下，結構強度余度必須提高數倍[1]；牽張機不能及時收到收緊信息，會產生一定的不可控性。湖南省公司設計了一種能夠在牽引繩斷線后即時鎖緊牽引繩的防跑線裝置。但該裝置也存在一些問題，例如只能進行單項握緊鋼絲繩，牽引頭、走板通過存在困難、整體結構重量大、施工難度較大、斷線時牽張機無法及時了解斷線狀態等。

目前，放線鋼絲繩的實時拉力值的在線監測裝置尚未研發，在線拉力值超過許用載荷是直接導致鋼絲繩斷裂的主要原因。裝置缺乏有效的抱緊機構能夠使牽引頭、走板通過，存在整體結構偏大、不便于實際施工操作等問題。對于在線傳感監測領域，自20世紀60年代以來，美國某航空工業基于飛機的設備維修狀態監測已經應用到工業中，由于技術成熟、穩定，可延伸到核工業。隨著工業發達國家電力行業電力設備維護技術的發展逐漸成熟，開始研究狀態監測和故障診斷技術[2]。文章主要研究對鋼絲繩的在線拉力值檢測，并將所測力值大小通過移動數據網絡實時傳給牽張場工作人員，了解放線拉力的實時數據，在鋼絲繩斷裂前期，及時作出超載預警，讓操作人員及時作出應對反應。

2 輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線檢測系統實施方案

2.1 整體方案設計圖

現場鎖緊裝置布置如圖1所示。放線滑車處裝有滑輪壓力傳感器，可以實時監測鋼絲繩對滑輪的壓力。另外滑輪處裝有測速傳感器，可以監測滑車的轉速狀態。兩放線滑車中間處裝有鋼絲繩抱緊裝置，可以在鋼絲繩斷裂后，迅速將鋼絲繩鎖緊，防止鋼絲繩斷線引發的施工事故發生。

圖1 現場鎖緊裝置布置圖

通過判斷滑車所受鋼絲繩的壓力值及滑輪轉速判斷鋼絲繩是否斷裂。鋼絲繩放線牽引過程中，抱緊裝置一直處于工作狀態。當傳感器檢測到牽引走板、牽引接頭及接續管時，可將其打開，讓牽引走板、牽引接頭及接續管通過后，再恢復工作狀態[3]。

當斷點發生在圖示1 斷點1 處，A、B塔處的滑車鋼絲繩壓力突減，且滑車向放線方向加速轉動，則A、B塔處的正向抱緊機構立即工作，鎖緊斷點1左側段的鋼絲繩。

當斷點發生在圖1斷點2 處，A、B 塔處的滑車鋼絲繩壓力突減，斷點2 處左側的滑車向牽引方向加速轉動，斷點2處右側的滑車向張力場方向轉動，則A 塔處的反向抱緊機構及B 塔處的正向抱緊機構立即工作，分別鎖緊斷點2兩側段的鋼絲繩。

當斷點發生在圖1斷點3 處，A、B 塔處的滑車鋼絲繩壓力突減，且滑車向放線反方向加速轉動，則A、B塔處的反向抱緊機構立即工作，鎖緊斷點3右側段的鋼絲繩。

2.2 抱緊機構設計

該設計中為了驗證鎖緊機構及相應傳感器工作的可靠性，滑車設計按一牽二設計，鋼絲繩放線牽引力按10t設計，鋼絲繩破壞載荷選擇30t，選用鋼絲繩的直徑為Φ22mm。鋼絲繩拉力載荷抱緊機構設計成楔形結構。鋼絲繩及楔芯受力如圖2所示。

圖2 鋼絲繩及楔芯受力圖

受力分析得公式（1）：

楔芯受力圖如圖3所示。

圖3 楔芯受力圖

受力分析得式（2）（3）（4）：

綜合可得式（5）：

式中：μ1為鋼絲繩與楔芯的摩擦系數；μ2為楔芯的摩擦系數。

暫假設μ1為0.15，由于楔芯與殼體之間設計了滾針滑動，改變了以往的滑動摩擦結構，μ2可設為0.05，楔形角θ設為5°時，滿足鋼絲繩自鎖條件。楔芯打開時，鋼絲繩可從中間正常通過，當檢測滑輪速度及壓力值滿足判別為斷線狀態時，鎖緊機構中的繼電推桿動作，將楔芯彈出鎖緊鋼絲繩[5]。

鋼絲繩在斷線時，運動速度快，為了增大楔芯塊的緩沖時間，設計彈性結構的U 型板，可以提高鋼絲繩緩沖時間，防止對鋼絲繩或對鐵塔造成二次損害，后期需要通過試驗進行驗證。在雙滑車的中間設置成正反方向各一對的鎖緊機構，滑車安裝正、反向鋼絲繩抱緊機構圖如圖4所示。可以滿足斷線鋼絲繩兩個不同方向的鎖緊功能。

圖4 滑車安裝正、反向鋼絲繩抱緊機構圖

2.3 智能走板設計

走板采用一牽二結構設計，牽引載荷設定為13t。智能走板在導線牽引處裝有拉力傳感器，網關端主要由自組網模塊網關組成，需要新開發網關底板，再結合自組網通信模塊進行使用。組網模塊各自通過DC/DC開關電源由外部電池進行供電。

無線拉力傳感器安裝在牽引走板或聯結牽引工具中，工作時通過拉動兩端的結構在軸向方向產生一個微小的機械形變，通過粘貼在軸向方向的應變片，將拉力的大小轉換成電阻值的變化，再通過差動全橋電路將電阻值的變化轉換成毫伏信號，將毫伏信號傳輸到電路板上進行放大、采樣后轉換成拉力值，并通過中繼器進行拉力值傳輸，最后傳輸到牽張機端，作業人員可以隨時掌握動態。

2.4 智能滑車設計

智能滑車結構圖如圖5所示。

圖5 智能滑車結構圖

在滑車滾軸處裝有壓力傳感器，采集放線滑車所受放線鋼絲繩的軸向壓力。在滑車底部處通過霍爾傳感器或聲波傳感器來檢測滑車的速度，從而判別鋼絲繩是否斷裂。

2.5 感知數據的采集和處理

檢測系統中采用的BSQ-DG型數字變送器如圖6所示。將傳感器采集的各種信號轉換數字信號，并通過RS485 總線與上位機通信。產品自帶上位機監控軟件，可以實現數據顯示、百分比顯示、零點校準、顯示校準、修改變送器地址等基本功能。

圖6 BSQ-DG型數字變送器

3 結語

文章主要研究對鋼絲繩的在線拉力值檢測，并將所測力值大小通過移動數據網絡實時傳給牽張場人員，了解放線拉力的實時過程，在鋼絲繩斷裂前期，及時作出超載預警，讓操作人員及時作出應對反應。為了便于后期施工人員規范化操作裝置，文章對輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線檢測進行了簡單的探討研究，以供相關人員參考，便于工作人員能夠及時檢測鋼絲繩實時拉力情況，保障輸電線路跨越施工的順利進行。