绝缘软梯梯头改造设计及分析

胡广平 温铭杰

（1.广东省江门市电力工程输变电有限公司 广东省江门市 529085 2.五邑大学智能制造学部 广东省江门市 529030）

1 引言

电力系统中输电线路抢修与维护作业频率很高，为避免作业造成大面积停电影响，“带电作业”在现代电力系统中广泛应用。输电线路带电作业多采用绝缘软梯法，该作业方法需要利用绝缘软梯、绝缘拉板、绝缘滑车和蚕丝绳等工器具配合完成[1]。作业时首先将绝缘软梯悬挂在高压输电线路上,固定后作业人员攀登绝缘软梯至导线处开展带电作业[2]。现有普通高压绝缘软梯梯头设计有滑轮，便于作业人员在线路上移动。该滑轮具备在电缆等金属导线上滑动的功能，但在软梯梯头挂上电缆、从电缆上取下或者作业中途临时停车时，均需要地面工作人员利用牵引绳拉拽来固定位置，操作不便且并不稳定，存在安全隐患且劳动强度大、工作效率低。目前输电线路带电作业所使用的绝缘软梯，在等电位人员进入电场前无法对梯头闭锁装置进行双侧可靠闭锁[3]。因此希望能对绝缘软梯梯头进行改造设计。绝缘软梯梯头的改造设计目标希望能实现软梯梯头在电缆上能实现锁紧、解锁功能，从而解决作业过程中需要人工牵引拉拽来固定绝缘软梯位置的问题，进一步希望实现在作业人员上下绝缘软梯之前就能将软梯梯头锁紧在线路上不会沿电缆方向滑动，从而提高安全性能，降低作业难度，提升作业效率。

绝缘软梯因为其带电作业的特殊要求，对其改造设计必须谨慎，近些年围绕这一目的的绝缘软梯研究成果较少。文献[3]提出的改造方案实际只是针对滑轮闭锁锁片增加了锁定结构，可以保证绝缘软梯可靠挂接在电缆上，但无法实现绝缘软梯不在电缆上滑动。文献[4]则实现了绝缘软梯和梯头之间的连接软体架部分的自锁，同样无法解决绝缘软梯在电缆上滑动的问题。文献[5]所作的改进是针对绝缘子作业的特定场合，主要目的是减少绝缘软梯摇晃对绝缘子的损害。文献[6]提出的设计结构较为复杂，且没有从根本上解决软梯梯头在电缆上的锁止，不是针对本文所述的改进目标。

从以上分析可知，需要一种不对软梯梯头现有结构作大型改动，不能降低软梯梯头绝缘性能、机械强度和稳定性能，对现有带电作业必须程序没有影响的设计方案。针对常用的110kV 以上等级输电线路所用的绝缘软梯，基于实际作业要求，提出以下设计思路。

1.1 改造功能要求

1.1.1 机械结构功能

根据上述分析希望实现的目标，将绝缘软梯的所需功能分解为：上下绝缘软梯时能锁定梯头，实现梯头不会沿电缆方向滑动，便于确定位置。需要移动位置时，软梯梯头能够利用其滑轮在地面人员的拖拽下滑行到预定位置。滑行到需要位置后，无论作业人员是否在绝缘软梯上，能够快速锁定绝缘软梯。要实现这些功能，简单地说就是为软梯梯头滑轮增加刹车功能，能够在移动状态下解锁刹车结构，实现自由滑动。到达预定位置需要固定，则锁止刹车结构，且实现不沿电缆方向滑动。

1.1.2 遥控功能

实现刹车结构的功能，最稳妥的方式是不改变绝缘软梯现有部分，在梯头滑轮部位加装刹车结构，且由作业人员手动操作刹车结构，手动操作则必须保证作业人员正站在绝缘软梯上。如果希望能够自动控制或者远程控制刹车结构，则需要增加远程电控的结构控制刹车装置。针对这一功能需求，利蓝牙通信技术设计无线遥控电机驱动结构控制刹车开合是一种可行的方案，该方案具有很强的抗干扰能力，同时遥控器可以直接利用手机APP 实现，具有操作方便的特点。

1.2 结构改造思路

根据功能分析，提出以下改造设计思路：由于要求保持原梯头的总体结构，改造后的梯头不能影响挂摘绝缘软梯，同时满足在较大垂度的导线挂梯作业，并且在作业人员登梯后可以手动锁紧或解锁。实现该要求的软梯梯头结构改造方案是在滑轮上增加可靠固定的刹车结构，改造后的绝缘软梯梯头效果如图1所示，刹车机构要轻便体积小，锁止性能要强。

针对遥控的功能需求，在实现手动控制锁止功能后，选择合适的大扭矩直流减速电机驱动机构，现有产品中已有大量符合要求的装置输出扭矩能够达到手动输出指标。较为困难的是：采用合适的组合传动机构驱动刹车结构，且电控装置能满足绝缘性能要求，同时不破坏带电作业绝缘需求，能够在高压强磁场环境下可靠工作。

2 手动刹车结构设计

2.1 制动分析

增加锁止装置首先需要分析现有软梯结构及操作步骤。

现有某些梯头具有手拧螺钉锁定滑轮的功能，一定程度能避免滑动，但是由于滑轮固定后和电缆的摩擦系数也较小，无法起到很好的锁定作用。而且手拧螺钉操作不便，无法快速刹停扶梯。针对挂梯和摘梯时的锁定，要求不能影响挂摘软梯，同时满足在较大垂度的导线挂梯作业，并且在工作人员登梯后可以快速解锁。操作步骤如下：

（1）挂上扶梯，扶梯时利用吊装挂到电缆上，使扶梯上的一对滑轮啮合进电缆，以电缆为导轨。由于没有锁定装置，且电缆在两个线塔之间具有下坠的弧度，所以必须靠底下人员牵引固定住才能避免位移动，让工作人员爬上扶梯。

（2）移动停车，在沿线运动检修时，停车需要地面人员牵引固定。

（3）检修工作人员从扶梯下来需要地面人员牵引固定，再将扶梯吊下。

假设导线下垂倾斜后与水平面的最大夹角为θ，则需要两滑轮一共形成制动摩擦力合力f 能克服软梯总重力产生的分力为Fa，软梯总重力为G，制动最大静摩擦系数为μ，受力分析图如图2所示。

则有

上式成立，只需满足

一般电缆下垂角度不超过20°，所以得到

根据工程常用材料相对摩擦系数可知，一般橡胶对金属静摩擦系数可达0.8。所以使用橡胶支撑的方式采用单边支撑对其中一个滑轮制动即可实现挂摘梯子的制动力。即

2.2 刹车锁止结构

基于上述分析，在现有软梯梯头的基础上增加设计固定刹车装置，为便于安装且增加安全性能，在软梯梯头滑轮处增加了手动刹车锁止结构，该结构可分为三个部分，分别是锁止底座、橡胶制动垫和刹车抱闸结构。

2.2.1 锁止底座

锁止底座在两端的梯头滑轮处增加各一个，安装效果如图3(a)所示。“锁止底座”本身由两部分构成，固定在软梯梯头滑轮处的“安装横板”和在“安装横板”上可手动控制上下移动的“升降柱”，设计结构如图3(b)所示。

锁止底座的主要作用是将刹车结构固定在绝缘软梯梯头，同时可在底座上安装其它需要添加的机械结构和部件。本设计中“升降柱”是实现升降并控制刹车结构的连接部分。

2.2.2 橡胶制动垫

锁止软梯的主要结构为一块橡胶制动垫，只需安装在其中一个锁止底座上，橡胶制动垫如图4所示，其底部凹槽为橡胶垫安装位置，其材料只需满足式（4）即可。

为了快速支起橡胶制动垫，制动支胶采用四连杆肘节夹具的方式，当工作人员站立在扶梯上时，通过高增益的连杆结构，快速省力地升起和伸出支脚。

2.2.3 刹车抱闸

刹车抱闸结构安装在另一侧锁止底座上，用于梯子在滑行时采用刹车把控制抱刹抱紧电缆的方式刹车，刹车力道取决于使用者刹车力道。为了能保证刹车后工作人员能松开刹车把双手作业。刹车把需具备锁定功能，保持刹车力道。所以刹车抱闸采用自行车抱闸，刹车采用带驻车功能的刹车手把。刹车抱闸结构如图5所示。

由于抱闸在挂摘梯子的时候会影响操作，容易卡住电缆，所以再挂摘扶梯时需要收起，抱闸安装在一个可以折叠的支架上，支架在挂摘梯子时收起，当工作人员爬上梯子后，手动放下并释放锁销固定支架，避免翻动。

2.3 手动操作方式

经改造后的绝缘软梯使用步骤为：

（1）挂梯前检查梯子，确保抱闸已经收起，将直脚放下。

（2）挂梯后登梯到梯头，将抱闸放下锁定，并握制动手把使抱闸抱紧电缆，并扣下驻车扳机，使梯子驻车。

（3）扳动连杆手把收起支脚，松开驻车扳机后松开抱闸即可使扶梯在电缆上自由滑行，需要停车时通过刹车手把制动或驻车。

（4）摘梯，作业完成后，工作人员先驻车，放下橡胶支脚，收起抱闸。然后趴下扶梯，然后将扶梯摘下。

3 遥控方案可行性分析

3.1 遥控功能设计

上述机械结构经测试，完全可以满足正常作业手动操作需求。在此基础上，单独设计了一套遥控电机装置并安装于绝缘软梯梯头，用于测试遥控方案可行性。因考虑绝缘安全和国家相关标准，目前遥控方案仅作为功能测试，没有在实际中应用。遥控电机模块安装效果如图6所示。

遥控电机模块电路主要实现的功能是：

（1）遥控模块按照遥控器（手机端）发来的指令执行电机正转、反转功能。

（2）考虑梯头工作于带电检修环境要采取有效的防电磁干扰、过电流、过电压保护等措施，确保电路可靠性，目前采用设计为外壳采用强绝缘工程塑料。

（3）手动锁紧、解锁功能由线路上作业人员就地控制梯头，遥控功能由地面人员操作，就地权限更高。

（4）能实时显示电池电量并具有低电量提醒功能（提醒功能在梯头端及手机端均有）。

3.2 遥控电路设计

硬件电路总体框图如图7所示，由梯头蓝牙控制电路、梯头减速电机及手机端APP组成。相应的控制可由手机端安装的软件完成。其中手机端APP 负责发出控制锁紧锁/解锁指令，该指令通过蓝牙方式与梯头安装的基于蓝牙通信的梯头控制电路通信，该控制电路接收到指令后通过驱动电路驱动电机的正/反转从而实现梯头的锁紧/解锁。

梯头蓝牙控制电路采用TI 公司的CC2540 单片机，该芯片自带蓝牙功能，外接电机驱动电路、压力传感器等模块组成。如图8所示。

蓝牙模块以从模式进行广播，等待智能移动设备（手机或平板）作为主设备进行扫描、地址配对以及密码验证等，完成密码验证后，双方以加密方式进行数据通讯。单片机对蓝牙模块传输的数据进行加密或者解密，当收到合法的解锁或闭锁命令后，单片机控制驱动电路使电机正转或者反转，带动刹车装置完成紧锁/解锁操作，同时在锁紧时同步检测机械结构上的压力传感器的信号，确保梯头能夹紧在线路上同时不会破坏线缆。

抗干扰措施的选择，采用质量较轻、易于加工且电磁屏蔽效果较好的铝合金材料作屏蔽体，参考无线数传电台的外壳设计，选择合适的导电衬垫在塑料外壳内部进行密封，从源头上减少受高压电场的电磁辐射干扰。电路板合理布局电源线、电机驱动线和干扰源尽可能远离；输出与输入端口采取有效的光电隔离措施，高频连接线尽量短，接地电阻尽量小，并在适当位置采取滤波。另外由于蓝牙通信必须使用天线，为了提高抗干扰能力及增加通信距离，摈弃了PCB 天线而采用了外置式天线，该天线位于绝缘塑料外壳内部，通过同轴电缆将天线尽量与高压线路保持一定距离。

3.3 手动本地操作方案设计

在梯头控制器上，设计有显示及按键，基本界面布置如图9。设计有“手动”、“遥控”选择按键，“锁紧”、“解锁”按键只在手动状态时有效。另外可通过“设置”和“+”“-”按键根据需要设置锁紧力度。操作简单方便。

3.4 软件设计

软件分为梯头蓝牙控制电路程序部分（简称控制程序）及遥控器端（手机等移动设备）蓝牙客户端软件两部分。

3.4.1 控制程序的功能

（1）梯头状态检测：检测电池电量、检测电机状态，检测高空温度。

（2）选择手动控制或遥控控制梯头电机。

（3）与遥控器通过蓝牙通信。

（4）根据指令完成锁紧/解锁动作。

（5）在锁紧动作时要实时检测锁紧的力度，以设定的力矩锁紧梯头。在解锁动作时检测限位器的信号，确保解锁到位。

（6）手动控制方式下，接受按键操作锁紧/解锁动作。软件实现功能的控制流程图如图10所示。

3.4.2 遥控器端（手机等移动设备）的功能

遥控器端（手机等移动设备）的软件主要完成系统登录、蓝牙地址配对、密码验令、系统参数设置等操作，是实现人机交互的主要手段。由于遥控器端只是一个简单的操作界面，其界面与梯头控制器界面类似，这些不再赘述。

4 结论

绝缘软梯梯头经过机械结构改造后，经过现场试用，不影响正常挂摘梯上电力线路操作，能由作业人员在梯上手动控制软梯锁止、解锁，性能稳定可靠。另外单独设计了一套电机遥控模块安装于绝缘软梯梯头上，通过手动梯头控制界面能够控制电机正反转。软梯挂在线路上，能通过手机端遥控梯头电机模块。具有较强的抗干扰能力，普通电线塔的高度都在有效遥控范围之内。有效地降低了作业强度且提高了生产效率，具有很好的实际应用价值。