输电线路带电作业绝缘电动牵引装置的设计

肖湘奇，邹德华，曾祥君，郭昊，刘拓晟（.长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙40004；.国网湖南省电力公司带电作业中心，湖南长沙4000）



输电线路带电作业绝缘电动牵引装置的设计

肖湘奇1，2，邹德华2，曾祥君1，郭昊2，刘拓晟2
（1.长沙理工大学智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南长沙410004；2.国网湖南省电力公司带电作业中心，湖南长沙410010）

摘要：为解决传统牵引装置工作效率低、稳定性不高、安全系数低等问题，课题组研制出输电线路带电作业绝缘电动牵引装置，该装置以XC0608无刷电机专用集成芯片为核心，采用新型低速轮毂无刷直流电机作为动力，电机以自控方式运行，重载启动时不会在负载突变时产生振荡和失步，有效解决了传统牵引装置稳定性不高的问题；采用绝缘滑轮，有效解决金属滑轮与绝缘绳摩擦产生金属粉末造成绝缘工具的二次污染问题；与传统方式相比该装置能有效减少作业人员的工作量，提高工作效率，具有安全系数高等特点。

关键词：XC0608；无刷电机；带电作业；绝缘材料；牵引装置

工器具、材料的起吊及牵引工作是输电线路检修中一个非常普通但是又非常重要的步骤，牵引工作的顺利进行直接关系到整个检修工作安全、有效地开展［1-3］。在以往的输电线路检修等工作中，仍然存在劳动量较大，牵引稳定性不高的问题［4］。针对这种情况，急需研制一种稳定性较高的带电作业绝缘电动牵引装置。

针对带电作业的现实需求［5-7］，采用高绝缘性能的聚乙烯材料制造绝缘滑轮，该装置通过XC0608集成芯片控制电机稳定输出带动绝缘滑轮的旋转，进而实现无极绳带动工器具、材料的起吊及牵引工作［4-8］。

1　电机的选择

普通的直流有刷电机是用电刷与换向器通过机械接触进行换向的，而无刷电机则是通过传感器（本装置采用霍耳磁传感器）检测出绕组的位置，并通过专用的集成电路接通相应的功率器件给绕组供电。由于没有电刷与换向器的机械接触与磨损，不需要经常更换电刷等易损件，从而提高了电机的寿命，减少了维修的费用，同时具有运行转速稳定、效率高、相对成本低等优点［9-10］。

本装置选用恒定输出功率的低速轮毂无刷电机，该电机以自控方式运行，重载启动时，不用像变频调速的同步电机那样在转子上另加绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步，这样的设计使装置的使用寿命较长、性能较好。电机的结构图如图1所示。

图1　无刷电机的结构图Fig.1 Structural diagram of brushless DC motor

根据常用工器具、材料的重量设定电机的功率，预留一定的裕度，这样能有效保证电机的运行电流不超过电机的承受范围。通过加装过电流保护和过压欠压保护装置实时监测电压、电流，防止烧坏电机。工器具所需牵引力的大小、电机的实际转速与外转式电机的功率关系如下：

式中：T为转矩，N·m；P为输出功率，kW；n为电机转速，r/min。

根据该方法选择的电机恒定输出功率为550 W。低速的轮毂无刷电机配置如表1所示。

表1　电动牵引装置的配置Tab.1 Configuration of the electric traction device

2　滑轮材料的选择

传统牵引装置的滑轮采用金属材料。针对带电作业对绝缘性的特殊要求，将传统的金属滑轮改为绝缘滑轮既有效解决了绝缘工具的二次污染问题，还可以有效防止绝缘牵引绳上可能存在的泄漏电流，经过电动绞磨向大地形成回路损坏电动机或其他设备线路，为带电作业人员的安全多提供了一份保障。

聚乙烯（PE）是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，具有很好的耐低温能力，分子结构稳定性强，耐酸碱的侵蚀能力强，电绝缘性能优良，故本装置采用高绝缘性能的聚乙烯材料制作绝缘滑轮。

3　无刷电机控制芯片的选择

本装置控制芯片采用XC0608无刷电机专用集成芯片，该集成芯片具有效率高、功耗低、集成度高等特点。相对其他的集成芯片更加易操作且所需外接电路较少，采用1片XC0608就能实现无刷电机的控制功能，如果用其他集成芯片有可能需要2片或者4片才能完成同等功能。同时由于装置集成度较高，外接电路相对较少，电路出问题的概率也越少，可靠性也就很高。

XC0608芯片介绍如下：XC0608是一款无刷电机专用集成芯片，是本牵引装置的控制核心，共有20个引脚，其中有3对用来做上级驱动输入引脚，3对用来做下级驱动输出引脚，还有2个引脚用作脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器的输入。本装置中XC0608芯片的接线原理图如图2所示。

图2　控制芯片接线原理图Fig.2 Wiring principle diagram of the control chip

4　带电作业绝缘电动牵引装置的模块设计

系统以XC0608无刷电机专用集成芯片为核心，按照各部分功能可以分为电源管理模块、霍耳元件换相与电机驱动模块、电机控制模块（包括：调速、正反转、刹车等3个模块）、电路保护模块（包括：过电流保护和过压欠压保护2个模块）等4部分组成，其系统结构框图如图3所示。

图3　系统结构框图Fig. 3 Structural diagram of the system

4.1电源管理模块

当有外接电源时，经过电源转换器稳定输出额定电压36 V、电流10 A·h为整个系统供电；当没有外接电源时，整个装置由后备的36 V，12 A·h可充电锂电池供电；根据现场作业时工器具、材料的平均负载，按持续工作电流8 A计算，则工作约为1.5 h，但考虑到实际工作时，大部分时间为待机状态，不需长时间启动装置传递工具，所以该备用电源的工作时间至少可以达到3~4 h，完全满足现场正常工作需求。为了防止进行传递作业时供电不足发生事故，特别设计了电源实时监控电路，对电池容量进行实时监控，当电量不足时，立刻报警示意工作人员更换电池或对电池进行充电。

电源管理模块共分2部分：第1部分经过稳压芯片LM385稳定输出36 V电压，作为直流无刷电机的工作电源；第2部分经过LM385稳定输出5 V电压为其它芯片供电，例如XC0608的工作电压就是5 V；同时在这2个部分之间加上隔离电阻，避免他们互相干扰。

为了使装置的工作时间最大化，设计时充分考虑到电源管理模块的工作效率，加装了节电装置，电动牵引装置开始工作后，具有自动识别工作状态的功能，如果在规定的时间内（本装置设定为2 min）没有检测到工作状态，装置将自动进入睡眠模式，停止工作，并开启刹车功能。

4.2霍耳元件换相模块与电机驱动模块

电机的驱动模块是以XC0608无刷电机专用集成芯片为控制核心，采用脉冲宽度调制（PWM）伺服驱动器。该模块由两级放大电路组成，分别为前级驱动和后级驱动。

1）前级驱动。主要是由霍耳传感器和XC0608两部分组成，霍耳传感器的主要作用则是通过磁电效应来检测出绕组的位置进行换相。

图4　霍耳传感器的接线原理图Fig.4 Wiring principle diagram of the Hall sensor

霍耳传感器的接线原理见图4，上部分为电机霍耳传感器的接口部分，下部分为电机霍耳传感器的采样部分。其中BB1，BB2，BB3是通过电容隔离直流后的霍耳传感器交流基准采样电压。

2）后级驱动。主要由XC0608、三极管和MOS管等3部分组成。每一相由电机驱动芯片出来的驱动信号通过后级放大电路进行放大，以提供足够大的驱动电流保证电机的正常运行。对应电机的三相，后级驱动电路分别设计了3组，以电机的A相驱动电路为例说明工作原理。

A相后级放大电路原理图如图5所示，其中，第1级电路由3个三极管组成升压电路，提供给后级MOS管足够大的开启电压和瞬时电流，第2级由4个MOS管组成桥式电路来驱动电机绕组。

图5　A相后级放大电路原理图Fig.5 Amplifier circuit principle diagram of A phase

4.3电机控制模块

电机控制模块主要用于控制电机的运行，由高稳定性的LM385芯片与XC0608无刷电机专用集成芯片配合实现，主要包括：门锁开关、运行控制（即调速模块）、刹车模块，正反转模块等。

1）门锁开关为信号的开关，控制所有的信号通断。

2）运行控制（即调速模块）。使电机的速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度。

如图6所示为调速模块原理图。从2个电阻中间取得电压的变化，当旋钮的转角从0转向最大角度时，输出1.4～4.2 V；模拟信号通过转成数字信号来控制信号的脉宽进行调制，速度和控制电压成正比，达到良好的控制。

图6　调速模块原理图Fig.6 Principle diagram of the control module

3）刹车模块。刹车信号用于强制切断电机电源和阻断调宽脉冲，同时还作为一种“复位”，刹车时自动断开供电电源。

4）正反转模块。电机可以根据工作需要实现正转和反转功能，达到工器具、材料的上下牵引传递的目的。

4.4电机保护模块

电机保护模块主要用于保护电机，由高稳定性的LM385芯片与XC0608无刷电机专用集成芯片配合实现，主要包括过流中断保护模块和过压欠压保护模块等。

4.4.1过流中断保护模块

过流中断保护模块原理图如图7所示。它主要用来对电机的过流进行控制，通过串联4个电阻（R32和R43，R47和R51）在电源的供电回路中，根据电阻电压与电源的供电电流成正比的关系，测定电源的供给电流。由电流采样电阻取出的信号，经LM358放大，从NEC单片机的AD输入。通过电流检测芯片设置的阈值来判断是否过流。

图7　过流中断保护模块原理图Fig.7 Principle diagram of over current protection module

4.4.2过压欠压保护模块

过压欠压保护模块原理图如图8所示。

图8　过压欠压保护模块原理图Fig.8 Principle diagram of the over-voltage or under-voltage protection module

过压欠压保护模块利用电压采样电阻（分别是R39，R45），从2个电阻中间取得电源电压的变化即POWER到地的分压，以供NEC单片机监控电池电压。

当电池电压低于33 V时，电源停止供电，以避免电池的过度放电；同理，如果高于电源电压时，则稳定到电源电压。

5　结论

1）输电线路带电作业绝缘电动牵引装置采用XC0608无刷电机专用集成芯片为控制核心，以新型低速的轮毂无刷直流电机作为动力，装置的稳定性较高。

2）将传统的金属滑轮改为绝缘滑轮，有效解决了绝缘工具的二次污染问题，为带电作业人员和设备的安全多提供了一份保障。

3）带电作业绝缘牵引装置具有启动、调速、正反转、暂停等多种功能，同时配备了电子锁与机械锁两种类型刹车，具有使用方便，操作简单、安全高效的特点，有效地减轻了作业人员的劳动强度，提高了工作效率。

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修改稿日期：2016-01-19

Design of Insulating Electric Traction Device of Live Working on Transmission Line

XIAO Xiangqi1，2，ZOU Dehua2，ZENG Xiangjun1，GUO Hao2，LIU Tuosheng2
（1. Changsha University of Science and Technology Hunan Province Key Laboratory of Smart Grids Operation and Control，Changsha 410004，Hunan，China；2. State Grid Hunan Electric Power Company，Changsha 410010，Hunan，China）

Abstract:In order to solve the problem of traditional traction device，which is inefficiency，low traction stability and low safe coefficient. Research group designed the insulating electric traction device of live working on transmission line，based on the brushless motor special integrated chip XC0608，used new low-speed hub brushless DC motor as the power with running in automatic way. Overloading starts，the motor didn′t generate oscillation and step out，which effectively solved the problem of the stability of traditional equipment；Using insulating blocks，the device effectively solved the problem of insulated tools of metal powder secondary pollution generated by the mutual friction from metal pulley and insulating rope. Compared with the traditional device，the performance of the device，with high stability，can effectively reduce the workload of workers and improve the work efficiency and safe coefficient.

Key words:XC0608；brushless DC motor；live working；insulation materials；traction device

收稿日期：2015-03-17

作者简介：肖湘奇（1989-），男，硕士研究生，Email：84578610@qq.com

中图分类号：TM726.3

文献标识码：A