架空输电线路电动平衡走线车研究

尹维崴，李睿，张德伟，李叶军

（国网吉林省电力有限公司检修公司，吉林长春，130000）

0 引言

在电力领域中，超高压和特高压的输电需要应用多分裂导线来对其线路进行架设，以此达到抑制电晕放电和线路阻抗的问题，不过，多分裂导线会因外部环境及施工破坏的影响而发生磨损、散股、断股和间隔棒松脱等问题，这些问题往往具有隐蔽性，一旦发生，则势必会给电力企业造成巨大的损失。为了防范这些问题的发生，运行单位需要定期进行走线检查，在现有的走线检修方式中，不仅检修效率较低，而且走线设备体积较大，使用起来非常不便，因此，研究一种更加便捷、安全的走线检修设备来进行架空输电线路线检修是具有重要意义的。

1 公司概况

为了解决检修人员在对架空输电线路进行走线检修时容易出现身体损伤的问题，提高分裂导线上检修人员的巡检效率，国网吉林省电力有限公司检修公司同辽宁兰陵易电工程技术有限公司欲通过立项来研发一种小型的电动平衡走线车。该公司的成立时间是2002年，地处于辽宁省鞍山市，其服务范围包括研发带电作业工器具和电力安全工器具、建设、检修和运维变电站以及检验电力设施。目前，该公司凭借积累的30年专业研发经验，成功研发了包括无人机辅助类、横担卡具类、绝缘滑车类、红框类等共14个大类，超过200个品种的带电作业工器具。其业务范围更是涉及到全国各地，并以“务实、合作、求精、创新”作为企业的发展理念，始终坚持以优质的产品、服务和领先的技术来不断推动我国电力系统的节能、安全与环保建设。

2 架空输电线路走线检修方式存在的弊端

由于超高压与特高压在输电过程中，其线路主要是以多分裂导线为主的，因此在对这种分裂导线进行走线检修时，能够适用的检修方式主要包括三种：第一种是人工检修走线方式，这种检修走线方式需要作业人员进行徒步行走，在行走过程中，作业人员需要双手分别扶持着一根导线，双脚则站立在同一根分裂导线上，然后采取徒步行走的方式来对输电线路进行逐段的检查，不过，由于其在走线过程中很容易因受力不均而发生危险，并且长时间的走线还会造成检修人员的足弓出现损伤。此外，作业人员需要进行长期的训练才能适应走线检修工作。第二种是利用电动走线装置进行检修，该装置主要是利用大型电机来进行传动行走的，检修人员只需坐在该装置中即可完成检修，这种检修方式往往体积较大，而且装置重量普遍超过80公斤以上，这也造成操作人员在控制该装置时非常不便。第三种是利用机械走线装置进行架空线路检修，该装置主要由滑轮、链条和齿轮等零部件构成，检修人员可骑行该装置来进行检修，不过在行走速度上比较慢，而且该装置的体积比较大，不仅检修效率较低，使用起来也比较不便。由此可知，在现有的走线检修方式中，都普遍存在使用效率低、适用性较差等弊端，难以满足架空输电线路的检修要求。为此，研发一种更加先进的架空走线类工器具已经到了迫在眉睫的地步。

3 架空输电线路电动平衡走线车的研究目标

在考虑到上述走线检修方式的种种弊端以后，考虑到架空输电线路的检修要求，在研发架空走线类工器具时，经过仔细的研讨，研究目标应包括以下三点：

(1)动力输出、控制、传动与平衡的研究

结合架空输电线路的走线检修工作要求，电动平衡走线车在检修过程中不需要对转向进行考虑，因此可以剔除用于转向控制的模块，通过单片机和单陀螺仪来确保电动平衡走线车在行走过程中能够双轮同步运行。在功率分配上，考虑到波动扰动问题，需要采用两个电机来分别为各个传动轮提供动力，使其能够适用于大跨越的杆塔走线。

(2)接触构造和传动的研究

现阶段，该公司在对500kV电压的输电线路进行多分裂导线设计时，多分裂导线的股数主要包括四股和六股，导线型号分别为LGJ-240/30与LGJ-400/35，直径分别是21.6mm与26.82mm。只有电动平衡走线车能够在上述两种分裂导线形式中同时适用，才能提高其适用性和安全性。因此，电动平衡走线车的传动轮直径应在28mm至26.82mm之间，并且轮体应为凹型轮毂，其轮毂深度应超出分裂导线纵向横截面积的70%，而且其凹槽内侧应加设耐磨防滑装置，以此确保电动平衡走线车在下坡过程中不会出现空转现象。

(3)安全防护研究

考虑到检修人员在双手分别扶持导线时，电动平衡走线车在走动过程中会磨伤检修人员的手部，因此需要在两侧导线上分别安装一个防磨的筒形套管，这种筒形套管便于安装与拆卸，并和走线车之间进行柔性连接，以此避免走线车失控后发生掉落。

4 架空输电线路电动平衡走线车的研究方案

(1)电动平衡走线车的研究思路及功能要求

在架空输电线路电动平衡走线车的研制中，对于其技术指标具体有以下要求：

其一，电动平衡走线车的体型应尽量小型化，体积应控制在0.06m3以内，整车质量不得超出20kg，这样便于检修人员进行携带；其二，电动平衡走线车在控制、动力输出与平衡方面应保证优良，走线车在输电线路中的行走速度应至少在10km/h以上，最大行驶角为15度，同时，考虑到外界环境的风速、摩擦力及检修人员体重等因素给电动平衡走线车带来的影响，其工作距离应满足7km，并且在满电状态下能够连续工作14个小时；其三，电动平衡走线车在走线过程中需要确保其姿态平衡，因此需要在其中安装平衡芯片，该芯片利用传感器以每200次/s的频率来对电动平衡走线车的姿态进行动态调整；其四，电动平衡走线车在走线过程中要具备足够的动力输出，在动力输出装置设计中，其通过双直驱电动机来进行功率输出，输出总功率可达到700瓦以上，瞬时功率就去地2000瓦以上，并且最大扭矩应保持在70Nm，当坡度为15度时，电动平衡走线车的满载重量应为80kg；其五，电动平衡走线车应确保检修人员进行独立安全的操作。

通过结合上述技术指标，在电动平衡走线车研发中，将其划分为电路驱动与机械硬件两个部分进行分别设计，具体功能要求如下：其一：电动平衡走线车应采用单片机对双轮无刷直流电机进行控制；其二，双轮无刷电机的带载能力应达到90kg，并能够进行自动调速，速度最高值应达到5km/h；其三，利用开关信号来判断检修人员是否坐好，待检修人员坐好后方可启动；其四，利用转换开关按钮来实现走线过程中的加速、减速、前进与后退控制；其五，在电动平衡走线车发生故障时能够进行自动报警；其六，在电动平衡走线车上安装有电源状态指示灯；其七，电动平衡走线车的体积应尽量较小，安装起来较为方便；其八，能够满足工业设计中的标准要求，并具有一定的抗干扰能力。

(2)电动平衡走线车在研究过程中遇到的技术问题及解决方案

辽宁兰陵易电工程技术有限公司在2017年对电动平衡走线车进行了阶段性研讨，并在四分裂导线试验中发现如下技术问题：其一是电动平衡走线车的动态平衡问题，虽然电动平衡走线车能够利用陀螺仪来进行前后平衡调整，但其左右晃动却难以避免，而且会对前后平衡造成一定的干扰，通过加装辅助平轮后发现效果并不理想；其二是电动平衡走线车中的电路安全问题，由于采用的线路板程序模块无法在高空走线作业中适用，而且无法进行解锁调整，因此需要对该模块的程序进行重新编程；其三是安全防护问题，在上文中提及到需要在导线中设置双手扶持套管，但这种套管在实验过程中难以避免的会发生横向晃动，而且在扶持过程中会产生一定的摩擦力，因此需要在套管中加装握紧与滑轮装置，但却会使走线作业变得更加复杂；其四是跨越间隔棒问题，该问题是需要对间隔棒进行相应的改装，但改装成本却过高，因此需要确保走线车在体积较小的同时，还要确保各个保护措施之间能够挂接在一起，以此起到跨越间隔棒的目的；其五是作业风险的评估问题，走线作业需要对检修人员的身心素质有着较高的要求，当遇到风雨天气时，架空线路的左右晃动幅度会非常大，这会对走线作业造成很大的影响。为了解决上述问题，电动平衡走线车在研究过程中需要制定以下解决方案：其一是通过结构调整来提高两个从动轮的平衡性；其二是对动态平衡调整电路进行简化设计，巡线速度分为高、中、低三个档次，即可利用PLC进行控制，也可进行手持遥控控制；其三是将站行驱动改成坐行驱动，以提高检修人员的稳定性；其四是利用链式挂锁来固定检修人员；其五是利用倒梯形凹槽来对驱动轮进行设计，并内嵌防滑橡胶来加大驱动轮与导线之间的摩擦力。

(3)电动平衡走线车的电路研究

电动平衡走线车所使用的电机为直流无刷电机，该电机自带有霍尔检测功能，其是由霍尔位置传感器、转子和绕组定子三个部分组成。STM8S105S6T6C单片机是电动平衡走线车中的核心控制器，并嵌入有130nm存储器。驱动电路架构采用N+N MOS，并通过8片MDP1932并联来构成上下桥臂，通过三相24片MDP1932来进行22A电流的输出与电机霍尔信号检测。

(4)电动平衡走线车的软件设计

电动平衡走线车的软件开发工具为Keil 5.12，其利用6步换向法来控制电机，零尔位置传感器的三相角度是120度，并结合霍尔传感器状态，将电机正转与反转时进行六个状态的划分，并利用二二导通法来控制开关管状态。电机调速方法为PWM调压，通过对占空比进行调整来控制电机电压有效值，以此实现对电机转速的控制。在系统设置中其转速控制分为低速档、自由档与高速档，其中自由档可利用手柄来进行控制。在安全检测方面，根据检修人员的手柄紧握信号与脚踏开关信号来进行人员安全状态判断，在判断检修人员坐稳后才会启动电机。电机调试软件应用LabView系统进行监控与调试，并利用串行口来实现远端通信，并可对系统参数进行实时查看与修改。

(5)电动平衡走线车的硬件结构设计

电动平衡走线车的硬件结构主要包括车体、电动驱动轮毂、轮带、弧形槽、控制电路板、驱动开关、延伸架、平衡轮、挂钩、安全带、橡胶防滑层与提手。两个驱动轮毂分别位于车体两侧，在轮毂中安装有轮带，轮带截面是弧形槽，该弧形槽可骑在分裂导线上，弧形槽的内表面为厚度3-5mm的像胶防滑层，延伸架位于车位前侧，并且延伸架两侧安装有两个平衡轮，在车体中安装有控制电路板，并由锂电池进行供电，其车体上表面安装有脚控开关，同时在车体中还设有提手来进行搬运移动。

5 架空输电线路电动平衡走线车的应用效果分析

通过以上设计，电动平衡走线车的实际应用效果具有以下技术优势：

（1）车体重量方面

相比于吊舱式的电动走线车，本项目所设计的电动平衡走线车在材质上为铝合金，这使其体积更小、重量更轻，如果使用碳纤维材料，则电动平衡走线车的整车重量甚至可达到10kg以内，车体重量的减轻，不仅能够提高作业效率，而且携带起来也非常方便，当巡线时出现双线弛度过大等紧急状况时，检修人员只需通过单手即可进行应对，从而使检修人员的体能得到大量节省。

（2）障碍跨越方面

本项目所设计的电动平衡走线车配备有多功能越障装置，这使其能够轻松跨越相间间隔板、架空线间隔棒等障碍。其障碍跨越流程如下：第一步是利用快捷线间卡具在越障方向的某个位置中固定主支撑柱；第二步是把三段折叠装臂在适当高度中固定于主支撑柱；第三步是利用省力丝柱与推力轴承来连接走线车和吊装臂；第四步是转动省力丝杠来提高走线车高度；第五步是把走线车推送到间隔棒的另一端；第六步是走线车位置及方向调整，使其能够在分裂导线中坐稳；第七步是拆卸越障装置。

（3）速度控制方面

电动平衡走线车在速度控制方面利用数字电路进行正弦波矢量控制，并通过电流+速度闭环控制算法来达到电机控制的目的，同时利用三档限速来确保电流之间的高功率与低功率稳定转换，使电动平衡走线车在行走、上坡、下坡过程中能够保持稳定的速度。

（4）功能拓展方面

该电动平衡走线车具备强大的功能拓展功能，其既可充当传统的巡检工具，也可连接更多的拓展程序，或是结合遥控器材来进行无人巡检。