高电压输电线路避雷安装和更换带电操作自动化技术

摘要：提出了针对高压输电线路避雷器安装与更换带电作业的自动化技术及其自动化工具。该技术通过两个协同作业的操作手爪完成避雷器的安装和更换。对该自动化工具进行静力学仿真，讨论了其绝缘措施。

关键词：带电作业;避雷器;绝缘子;自动化技术;安装工具;高压输电线路

高压输电线路是电力系统的重要组成部分，为防止其在户外遭到雷击伤害，必须对其采取防雷措施。绝缘子作为高压输电线路的重要组件之一，对其安装避雷器是主要避雷措施之一。为了满足避雷器在电力线路上的带电作业安装、更换需求，本文针对高压输电线路避雷器安装与更换带电作业的自动化技术进行了研究。

1自动化技术

1.1安装步骤分析

不同避雷器的外形与尺寸差别较大，外表面的材质也不尽相同，既有坚硬的瓷套保护壳，也有一定变形量的硅胶保护层，因此有必要研究适应不同种类避雷器的自动化更换技术和自动化更换工具。以环形电极外串联间隙避雷器为例，避雷器与绝缘子通过金属支架连接，安装在杆塔横担上，环形电极与被保护的绝缘子同轴心，如图1所示。不考虑前期防护步骤，一般性的人工操作安装步骤为：松开绝缘子与横担连接处的螺母;扶住并向上抬起绝缘子，与横担上部形成间隙;从环形电极开口处将避雷器插入绝缘子;将避雷器金属支架插入绝缘子与横担的间隙，调整避雷器与绝缘子的距离，保证环形电极与绝缘子同心，以及保证串联间隙;放下绝缘子，压住金属支架;重新上紧紧固螺母，完成安装。由以上步骤可见，人工操作繁琐，操作需细致准确，工人的双手需时刻扶住操作对象，没有中途停歇机会。为改善这一情况，需要一套专业的，能与机器人系统协调的，直接与机器人操作臂连接的自动化工具。

1.2自动化技术及自动化工具

本文提出的避雷器带电更换的自动化技术及其自动化工具如图2所示。该自动化技术通过2个机器人操作手爪协同作业，完成避雷器的安装工作。

主手爪以绝缘子为操作对象，副手爪以避雷器为操作对象。主手爪下端可连接绝缘杆，由手爪下部电池供电，也可连接机械臂，由机器人系统供电;副手爪同理。

主手爪顶端为电动扳手装置，执行旋转动作，用于松紧绝缘子下端螺母。主手爪侧向设置抬升器和抓握器，抬升器用于抬升绝缘子，抓握器用于将主手爪牢固抓握在横担上，形成稳定的操作平台，防止整体倾覆。抬升器和抓握器之间通过导轨连接，形成移动副。

进行避雷器更换操作时，首先移动主手爪，将其抓握器从横担上方向下抓握住横担。此时电动扳手在螺母下方，对电动扳手发出指令，电机旋转带动丝杠，使得电动扳手沿导轨产生上升运动。当电动扳手套入螺母后，对电动扳手发出指令，电机反向旋转带动扳手，将螺母松脱。在螺母松脱过程中，抬升器与绝缘子接触，通过移动副上升，将绝缘子稳定抬升，脱离横担表面，使得绝缘子与横担间形成间隙。此时副手爪抓取避雷器，执行水平运动，将避雷器的环形电极从开口处插入绝缘子，同时将连接的金属支架插入绝缘子与横担之间的间隙中。

对主手爪发出电机正转指令，电动扳手开始拧紧螺母，同时抬升器将绝缘子落下，最终绝缘子、避雷器和横担由螺母锁紧。主手爪抓握器松开横担，副手爪松开避雷器，离开横担，避雷器安装完成。样机工作流程如图3所示。样机工作状态如图4所示。

2静力学仿真

2.1抓握器主要部件刚度仿真分析

考虑满足强度和刚度条件下实现轻量化设计，机构本体材质采用硬铝合金6061T6。该材质弹性模量6.9×1010N/m2，强度极限值3.1×108N/m2，热膨胀系数2.4×10-5K-1，具有较高强度，且易于加工成型，可满足该工具支撑需求。通过静力学仿真分析，优化机构主要部件的尺寸参数。仿真条件为：材质6061T6，竖向负载500N，网格单元密度3.5mm，最小安全系数2，最大变形量0.00135mm。仿真结果如图5所示。根据仿真结果，对应力集中部位进行优化，消除应力集中，并对材料应力较大部位进行加强设计。

2.2抬升器主要部件强度仿真分析

抬升器主要部件强度仿真如图6所示。举升架在满负荷500N支撑工况下，整体结构最小安全系数为9.3，满足强度要求。在考虑工具的安全性前提下，取5倍安全系数且以满足刚度要求条件的尺寸参数确定最终尺寸。

2.3抬升器主要部件刚度仿真分析

抬升器主要部件刚度仿真如图7所示。由图8所示仿真结果可知，在满足构件强度情况下，屈曲安全系数(BFS)在正常安全范围内，即结构在满负载工况下无扭曲，满足刚度要侧输出电平无变化。而MOS管Q2的Vgs电压在0时刻突变到7V左右，使得功率消耗回路导通，回路产生功率消耗。随着电阻R3上电压的不断增加，在15ms左右时，电阻R3上的电压也增大到45V左右，此时Q1上的Vgs电压也增大到2.3V左右，MOS管Q1导通，光耦也将导通，光耦二次侧输出电平将由VCC突变为0.6V左右，开入信号有效采集。同时MOS管Q2的电压迅速下降到0左右，消耗功率回路也将断开。

为了进一步验证本文回路中的正确性，对图1的回路也进行了实物试制和测试。实测的结果为：开入动作门槛为139V左右、开入动作延时为18ms左右、开入启动功率大于5W。

3绝缘措施

材质，可伸入间距更窄的绝缘子伞裙之间。聚乙烯(PE)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[1]，因此在抬升器末端采用聚乙烯作为非金属绝缘材料。

4结语

本文提出了一种针对高压输电线路避雷器安装与更换带电作业的自动化技术及其自动化工具。该技术及其自动化工具满足了高压输电线路的带电作业需求，降低了操作风险，实现了快速自动化安装过程，为与机器人平台对接该自动化安装工具主手爪的电动扳手和抓握器为硬铝合金材质，抬升器末端部件可更换。当绝缘子为硅胶外表面时，抬升器末端使用包裹硅胶垫材料的金属骨架，既可提供了接口。

参考文献

[1]肖湘奇，邹德华，曾祥君，等.输电线路带电作业绝缘电动牵引装置的设计[J].电气传动，2016(2)：68-71.