一种输电线路绝缘修复装置

陈凌峰， 叶成彬， 吴淑桦， 李安娜， 陈贤钰

(广州城市理工学院， 广东， 广州 510800)

0 引言

输电线路在整个输配电系统中承担着重要的输送电能作用，输电线路的正常运行是保障用户正常用电的重要因素之一，而输电线路绝缘的损坏是影响线路正常工作的原因之一[1]。

特别地，从输电线路走向而言，一些类似树木、杂物或者楼房等接近绝缘输电线时，因一些恶劣天气或者环境的影响，容易发生由输电线绝缘破损处通过类似树木等物体与地构成接地短路，从而危及系统运行。全部更换出现绝缘损坏的输电线，显然不太现实，且如今不停电作业已成一大趋势，对输电线维护工作提出更高的要求。带电作业，降低输电线绝缘修复的难度，提高维保人员工作效率，节约维修时间和人员成本，延长配电线路运行的寿命，使输电线维修过程更加安全、可靠、经济，是本输电线路绝缘修复装置研究的目的[2]。

1 总体设计方案

输电线路绝缘修复装置主要包括输电线路绝缘修复执行机构和遥控器。绝缘修复执行机构包括修复执行机械结构、电子装置控制模块等，其中修复执行机械结构包括绝缘胶布包扎装置、机械手和绝缘胶布收尾装置，而电子装置控制模块包括单片机、42步进电机驱动模块、42步进电机、图像无线传输模块和无线通信模块。遥控器包括单片机、无线通信模块、图像无线传输模块以及功能按键模块等[3-4]。输电线路绝缘修复装置总体设计方案如图1所示。

图1 输电线路绝缘修复装置总体设计方案

2 绝缘修复装置硬件设计

2.1 绝缘胶布包裹装置的机械结构设计

绝缘胶布包裹装置是修复装置实现修复动作的核心执行机械机构，而该装置分别由旋转包扎结构体和绝缘胶布切割结构体2部分组成，装置组成见表1。

表1 旋转包扎装置、胶布切割装置组成表

2.1.1 旋转包扎结构体

旋转包扎结构体包括环形缺口齿轮、绝缘胶布托架、绝缘胶布导向轮、绝缘胶布防反转装置[12]。

(1) 环形缺口齿轮

环形缺口齿轮，即在一个环形齿轮上切开一个相应尺寸的缺口，该缺口使得待修复绝缘输电线通过此缺口直接进入绝缘胶布包裹区域(即缺口齿轮中心轴线)。缺口齿轮如图2所示。

图2 缺口齿轮

(2) 绝缘胶托架与绝缘胶布导向轮

绝缘胶布托架是用于放置绝缘胶布的装置，该绝缘胶布托架在外力作用下可进行旋转，以提高绝缘胶布输出顺畅性。绝缘胶布导向轮安装在绝缘胶布导轮座上，绝缘胶布导向轮的作用是引导绝缘胶布的输出方向。绝缘胶布导轮座可受外力作用进行旋转，且具有一定的回弹力，回弹力使得绝缘胶布导向轮始终保持紧挨着缺口齿轮的中心轴线的状态，以保证绝缘胶布时刻紧紧贴在中心轴线的待修复绝缘的输电线上。胶布座与胶布导轮如图3所示。

图3 绝缘胶布座和绝缘胶布导轮

(3) 绝缘胶布防反转装置

绝缘胶布防反转装置旨在保证缺口齿轮发生反向转动时，该装置的挡针能够与绝缘胶布导轮座的尾部进行接触，从而实现堵转的效果，此时绝缘胶布处于紧绷拉直状态。绝缘防倒转装置如图4所示。

图4 绝缘防倒转装置

2.1.2 绝缘胶布切割结构体

绝缘胶布切割结构体主要包括绝缘胶布切割刀、绝缘胶布切割刀座、绝缘胶布压板3部分。绝缘胶布切割结构体如图5所示。

(1) 绝缘胶布切割刀

切割刀安装在移动刀架上，切割刀外形类似等腰三角形，两等长的刀刃和刀尖十分尖锐，可快速切断或扎穿绝缘胶布。

(2) 绝缘胶布切割刀座

绝缘胶布切割刀座用于装载切割刀，并能够随着导轨和丝杆的方向前后移动。

(3) 绝缘胶布压板

绝缘胶布压板安装在移动刀座的后方，且具有指向绝缘胶布导轮的回弹力。

图5 绝缘胶布切割结构体

2.2 绝缘胶布包裹装置的工作原理

绝缘胶布包裹装置工作时，第一步，环形缺口齿轮的缺口朝向必须向下，如图6所示。待修复绝缘的输电线通过环形缺口齿轮进入修复区域的中心轴线上，因绝缘胶布托架和绝缘胶布导轮座是安装在环形缺口齿轮上的，所以当环形缺口齿轮发生转动时，绝缘胶布托架、绝缘胶布导轮座和绝缘胶布导向轮跟着转动，绝缘胶布导向轮会把绝缘胶布紧紧压在待修复绝缘的输电线上，并沿着输电线进行360°滚动，以此把绝缘胶布包裹到输电线上[5-7]。

图6 绝缘修复装置修复第一步

当输电线绝缘胶布包裹完成后，即进入绝缘胶布切割环节，该环节需要整个绝缘修复装置多个结构部件联动动作。第二步，将环形缺口齿轮逆时针转动至缺口向上，移动绝缘胶布切割刀座至其最左端(切割刀安装在刀座上)[12]，如图7所示。

图7 绝缘修复装置修复第二步

第三步，将环形缺口齿轮顺时针转动至缺口向下，由于防倒转装置的存在(防倒转装置在缺口齿轮顺时针旋转时会挡住胶布导轮座的尾部，使胶布导轮座逆时针旋转)使得胶布导轮与绝缘导线分离，如图8所示。

图8 绝缘修复装置修复第三步

第四步，将绝缘胶布切割刀座向右移动，以至切断绝缘胶布。由于绝缘胶布切割刀座的左方存在绝缘胶布压板(绝缘胶布压板安装在移动刀座的左方，且具有一定的向上回弹力)，绝缘胶布压板把绝缘胶布的断口压在导轮上，防止绝缘胶布断口走位，方便下一轮的绝缘胶布包裹工作[12]。当输电线需要进行绝缘胶布包裹时，只要把绝缘胶布压板往右撤离，与此同时，缺口齿轮逆时针旋转，绝缘胶布导轮便可把绝缘胶布重新压到输电线上，从而继续下一轮的输电线绝缘包裹工作，如图9所示。

图9 绝缘修复装置修复第四步

2.3 绝缘修复装置的硬件电路设计

2.3.1 绝缘修复执行装置的硬件电路设计

绝缘修复执行装置的硬件主要包括STC15W4K系列单片机、NRF无线通信模块、L298N电机驱动模块等，主要实现无线遥控及根据相关指令进行绝缘修复动作。

STC15W4K系列单片机具备增强型8051内核，4 000 B RAM数据存储空间，16 000～635 000 B程序存储空间， 8个定时器，5路高精度PWM，4个UART异步串行通信端口、1个SPI同步串行通信端口等。

NRF24L01是一款具有6个自动应答、自动重发和地址通信通道，内置硬件链路层和增强型ShockBurstTM的FGSK单片式收发无线通信芯片。1 M～2 Mbit/s无线速率，125个可选工作频道， 0～8 Mbit/s速率的SPI同步串行通信接口与其内部FIFO先进先出数据缓冲器配合，可与大部分高低速微处理器进行通信[8-11]。

L298N电机驱动模块具有双路H桥驱动工作模式，输入电源电压为5～35 V，控制信号逻辑电压为0/5 V，最大驱动电流2 A，4路逻辑电平控制信号输入端，2路逻辑电平使能信号输入端，大容量滤波电容和续流二极管具备较强的可靠性。

绝缘修复装置执行机构的硬件电路经直流降压模块LM7805将12 V可充电式锂电池电压降至稳定的5 V电压，从而向单片机、无线通信模块、电机驱动模块等供电。单片机使用其内置的1路硬件同步串行通信SPI接口和通信方式与无线通信模块SPI接口进行连接，多个普通准双向I/O口分别与电机驱动模块逻辑电平信号端连接[12]。绝缘修复装置执行机构的硬件电路设计如图10所示。

图10 绝缘修复装置执行机构的硬件电路

2.3.2 绝缘修复装置遥控器的硬件电路设计

绝缘修复装置遥控器的硬件电路中经直流降压模块LM7805将9 V可充电式锂电池电压降至稳定的5 V电压，以向单片机、无线通信模块、功能按键模块等供电。单片机使用其内置的1路硬件同步串行通信SPI接口和通信方式与无线通信模块接口进行连接，多个普通准双向I/O口分别与功能按键模块连接[12]。绝缘修复装置遥控器的硬件电路设计如图11所示。

图11 绝缘修复装置遥控器的硬件电路

3 绝缘修复装置软件设计

3.1 绝缘修复装置执行机构的主程序设计

绝缘修复装置执行机构主要具备以下功能：① 单片机通过硬件SPI接口及其通信方式对无线通信模块的通信地址、工作频率、通信通道、工作模式等进行初始化设置；② 无线通信模块通过指定的通信地址、信道等方式实时接收遥控器的相关指令数据；③ 单片机根据接收到的指令数据，经相应算法计算后向步进电机模块输出相应的控制信号，实现绝缘修复执行机构在输电线上的行走、受损绝缘区域包扎绝缘胶布等动作。

绝缘修复装置执行机构主程序设计思路：单片机上电复位后对其相应的I/O口配置为准双向口工作模式，配置定时器T0工作方式和初始值，配置无线通信模块通信地址、通道、频率等，绝缘胶布包裹装置机械结构体自检复位，实时检测和判断无线通信模块是否接收到新的指令数据，并对新的数据进行运算得出相应的执行动作的控制信号[12]。绝缘修复装置执行机构主程序设计流程如图12所示。

图12 绝缘修装置执行机构的主程序设计流程

3.2 遥控器的主程序设计

遥控器主要具备以下3点功能：① 单片机通过硬件SPI接口及其通信方式对无线通信模块的通信地址、工作频率、通信通道、工作模式等进行初始化设置；② 单片机使用中断次数累计延时扫描法消除功能按键被按下时产生的抖动信号，以准确判断功能按键状态；③ 无线通信模块根据将相关功能按键的状态，实时更新向绝缘修复装置执行机构发送相关命令数据。

遥控器主程序设计思路如下。单片机上电复位后对其相应的I/O口配置为准双向口工作模式，配置定时器工作方式和初始值，配置无线通信模块通信地址、通道、频率等，在定时器中断服务程序中实时检测功能按键状态，当功能按键状态发生变化时，通过无线通信模块发送对应的功能指令数据[12]。遥控器主程序设计流程如图13所示。

图13 遥控器主程序流程

4 实验与分析

绝缘修复装置执行机构样机与遥控器分别如图14、图15所示。

图14 挂在导线上的修复装置执行机构

图15 遥控器按键功能图

遥控器中各个功能按键名称如图15所示，其中有控制绝缘修复装置执行机构上升和下降，向前和向后行走，绝缘胶布开始包扎，包扎3圈(默认3圈，每按下1次增加3圈)，割断绝缘胶布，抚平绝缘胶布切割接口以增强包裹效果，使绝缘胶布与电线贴合更紧密。

根据实际测试修复装置第一代样机已经完成，且能够实现预期功能。样机尚处于实验测试阶段，有很多改进空间。修复装置轻量化、小型化是一个大的改进方向，也需要后期不断探索、改进以及测试验证。

5 总结

随着社会经济的发展，用户对供电可靠性需求不断提高，为避免工作人员带电作业出现危险，配电线路绝缘维修工作需要智能化装置的加入。本文所提出的一种配电线路绝缘修复装置旨在希望进一步减轻数电线路维保工作人员的工作量，提供安全可靠的工作环境，降低维修的时间和人力成本，使维修过程更加安全、可靠、经济，同时为输电线路绝缘修复实现智能化技术的发展提供参考。