基于自适应110kV 皱纹铝套电缆外形的外护套半导电层剥除设备的设计与应用

赵志栋 徐 鸽 张冠军 衣晓波

(1.北京电力工程有限公司 2.南京汉启智能科技有限公司)

0 引言

电网的发展规模支撑了经济社会发展需要, 随着经济的不断持续增长, 作为电力传输和分配重要组成部分-电缆的需求量也呈高速增长模式, 特别在负荷密集度的大城市, 电力电缆的环保优势更加明显。高压电力电缆为了保证大容量、远距离的传输, 其结构复杂, 主要由线芯(导体)、绝缘层、屏蔽层和外保护套等部分组成, 外保护套厚实坚韧[1]。在电缆附件制作安装过程中, 施工人员需要剥除一定长度电缆外护套上的半导电层, 以便进行外护套耐压试验, 以保证电缆接地系统的完好。目前110kV 电缆金属屏蔽主要分为皱纹铝套、平铝套、铅套三种, 而皱纹铝套电缆在北京地区电缆工程所占比例为95%以上。平铝套、铅套电缆外护套表面平滑, 易于剥除外护套半导电层, 而皱纹护套电缆的外形类似正弦曲线, 分为波峰和波谷, 波峰、波谷交错, 增加了电缆外护套半导电层的剥除难度。目前剥除方式主要有两种: 一种是通过人工方式用玻璃片刮除外半导电层, 该方法简单容易操作, 使用比较广泛, 但便利的同时, 也存在明显的不足, 如效率低下, 人工操作导致外护套表面不均匀, 端口不平齐, 并存在一定的安全隐患; 二是使用电刨子剥除外半导电层, 由于电缆外护套呈现波纹状, 每一个圆周波峰、波谷交错呈现, 这种方法容易导致外半导电层被剥除的厚度或深或浅, 过浅难以完全剥除外半导电层, 过深减小了外护套的耐压等级,从而影响耐压试验[2]。

因此, 针对110kV 皱纹铝套电力电缆附件安装过程中剥除外半导电层的处理工艺和质量缺陷, 结合电缆施工中对接头耐压试验的需求, 寻求更行之有效的解决措施, 提高施工效率, 降低劳动强度, 有必要研究一种可调节的外半导电层剥除设备, 自动检测、跟踪电缆外半导轮廓形状, 实时自动控制切削刀片的切削深度, 按照波峰、波谷的尺寸变化进行半导电层的精确剥除[3-5]。

1 资料收集

近年来北京地区110kV 电缆工程中使用的皱纹铝套电缆按照截面主要包括400mm2和800mm2两种, 此剥除设备的使用对象限定为400-800mm2皱纹铝套电缆。

通过对近年来110kV 电缆工程中不同生产厂家电缆技术参数进行梳理, 得出以下数据:

400mm2皱纹铝套电缆整体外径范围为85 -100mm, 外护套厚度为4.0mm, 材料为红色阻燃聚氯乙烯, 外护套半导电层厚度为0.2 -0.5mm, 采用挤包工艺, 颜色以黑色为主。

800mm2皱纹铝套电缆整体外径范围为95 -108mm, 外护套厚度为4.5mm, 材料为红色阻燃聚氯乙烯, 外护套半导电层厚度为0.2 -0.5mm, 采用挤包工艺, 颜色以黑色为主。

通过对多个电缆附件厂家GIS 终端、中间接头、户外终端的工艺图纸进行统计, 得出电缆外护套半导电层剥除长度范围为130-500mm, 普遍长度为200-300mm。

根据以上数据, 确定剥除设备的主要功能参数:剥除长度200 -300mm, 剥除厚度0.2 -1mm。

2 整体设计思路

剥除设备采用模块化设计, 根据实现功能的要求,主要分为切削模块、行走执行模块、快速固定模块等。

切削模块是本设备的核心部分, 根据皱纹铝套电缆的外形特点以及剥除要求, 剥除半导电层的思路是制作一种能够沿电缆表面做圆周运动, 同时还能够沿电缆纵向运动的切削模块。为了保证切削的精度, 切削模块设置激光测量传感器能够随着刀片的运动不断测量电缆表面的高度信息, 控制系统根据测量到的数值变化调整刀片的深度, 使得刀片在沿电缆做圆周运动时, 能够不断调整相对电缆的高度, 使得刀片一直紧贴电缆表面进行剥除作业。

切削模块同快速固定模块、行走执行模块等功能单元之间采用精密匹配的机械电气技术, 实现机电一体化。设备运用先进的PLC 全数字化控制系统与无线数控技术, 激光测量系统与高精度丝杆驱动机构, 实现对加工过程的自动控制、高精度检测与驱动执行。这种集机械制造、电气自动化与光电技术为一体的设计思路, 发挥各技术的最大效能, 达到设备自动化程度高、智能化水平高、结构设计紧凑合理、性能指标优异的技术效果。

3 各模块设计

3.1 切削模块设计

切削模块是设备的核心部件, 主要功能为实现电缆外护套半导电层的精确剥除, 为了实现该功能, 需与精确测量技术相匹配, 切削时作圆周运动的过程中实现精确剥除, 主要由安装板、丝杆驱动机构、直线运动机构、测量与控制系统和切削机构组成。如图1所示。

安装板上安装有纵向丝杆电机组、径向丝杆电机组、直线导轨、激光测量装置和切削刀片等。纵向丝杆电机组驱动丝杆螺母沿纵向直线导轨移动, 用于调节刀片与激光测量装置的相对位置。径向丝杆电机组驱动丝杆螺母沿径向直线导轨移动, 带动切削刀片和激光测量装置相对电缆径向运动, 实现随电缆波纹形状变化而位置变化。

本设备由于测量距离相对较短、测量精度要求比较高, 所以采用三角测量法的激光位移传感器。激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面,经物体表面散射的激光通过接收器镜头, 被内部的CCD 线性相机接收, 根据不同的距离, CCD 线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离, 数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离(如图2 所示)。

半导体激光器1 被镜片2 聚焦到被测物体6。反射光被镜片3 收集, 投射到CCD 阵列4 上; 信号处理器5 通过三角函数计算阵列4 上的光点位置得到距物体的距离。

3.2 其他模块设计

快速固定模块通过机械锁紧机构将电缆牢固锚定, 保证电缆轴心与切削刀盘同心。行走执行模块安装在地面, 采用两根丝杆和两根导向柱将快速固定模块的移动平台与驱动电机连接。切削模块采用快速插销固定在移动刀盘上, 刀片按测量要求可快速更换。

在工作过程中, 首先根据剥离层厚度设定程序控制参数。然后电机驱动两根丝杆转动, 带动移动刀盘纵向移动, 同时刀片模块跟随圆周运动。刀片模块对电缆外护套进行连续测量与切削, 能自适应电缆形状变化, 实现半导电层的连续剥离。

整个设备模块化设计合理, 运动机构采用丝杆滑块机构, 机电一体化控制, 具有构造简单、运动精度高、自动化程度高的优点。模块之间采用快速装拆连接, 便于检修与刀片更换。整体结构设计如图3 所示。

3.3 自动检测模块结构及程序控制设计

激光测量装置不断检测电缆外形, 将信息反馈至控制系统。控制系统计算丝杆电机转动量, 精确控制丝杆螺母在直线导轨上的移动, 从而驱动切削刀片根据电缆形状准确切削。

整个切削模块采用丝杆驱动机构、直线运动机构和先进的测量与控制系统, 实现了高精度的电缆形状检测与自动适应切削, 机电一体化程度高, 结构设计合理紧凑, 是设备性能的关键所在。模块采用快速拆装连接, 方便检修和刀片更换。

设备采用PLC 数控系统实现自动控制与监测。激光测量传感器实时检测电缆外护套表面形状, 将波峰波谷位置信息反馈至PLC。PLC 根据测量数据计算丝杆电机转动量, 生成控制信号传送至控制板, 控制板输出驱动信号精确控制丝杆电机工作, 驱动切削刀片径向运动, 实现与电缆形状同步切削。

PLC 系统具有运算速度快、抗干扰能力强、易编程等优点, 可靠性高, 适应性强, 实现了对设备的精确控制与监测。操作界面可以方便设置设备运行参数如速度、深度等, 并具有急停复位功能。设备采用无线数控技术, 操作屏通过无线连接与PLC 通信, 方便设备运行监控与参数设置。

丝杆电机采用交流伺服电机, 配合驱动器及编码器, 实现高精度的转速控制和定位控制。激光测量装置采用先进的激光检测技术, 测量精度高, 响应速度快, 可适应高速运动的测量要求。

整个系统电气部分采用PLC 自动控制技术、无线通信技术、高性能的测量与执行机构, 实现了对切削过程的精密控制与监测, 运行稳定可靠, 操作及维修方便, 设备自动化程度高, 具有控制精度高和系统集成度高等优点。

4 自适应外半导电层剥除设备实体

根据以上的设计思路, 本项目设计制作了自适应高压电力电缆波纹外护套外形的电缆外护套半导电层剥除设备。

该设备主要由纵向行走机构、旋转刀盘机构、刀片驱动模块、激光测量模块组成, 其中激光测量模块集成在刀片驱动模块内。旋转刀盘机构带动刀片驱动模块沿电缆表面做圆周运动, 同时纵向行走机构带动刀盘机构沿电缆纵向运动, 从而实现了刀片模块沿电缆表面的纵向螺旋运动动作, 总体切削长度控制由行走机构按设置数据执行。

电缆表面为均匀的波纹形状, 波纹螺距是一定的。激光测量点与刀片模块的纵向距离可根据测量到的波纹螺距进行调整, 即激光测量点领先刀片一个螺距的距离。作业时, 激光测量模块将实时测量到的数据传输给控制器, 控制器根据激光测量模块传递的高度信息实时调整刀片的进刀深度, 保证刀片模块根据电缆表面的高度变化自动调整, 数控实现一个根据激光测量数据实时调整刀片进刀深度的表面仿形切削动作, 从而保证在波纹状电缆表面切削外半导电层厚度的一致性。如图4 所示。

该设备研发思路坚持模块化设计与机电一体化理念, 采用了PLC 控制系统、无线数控技术、先进的激光检测与电机驱动技术, 实现了对复杂加工过程的智能化监测与优质控制。紧凑的结构设计使设备占地面积小, 使用维修方便, 有利于实现小型化和升级, 并大幅提高其市场竞争力和工作可靠性, 具有较高的研发创新性和使用价值。

5 应用效果分析

测试选用110kV 电压等级的800mm2电缆, 电缆外护套半导电层的厚度1mm, 剥除长度为300mm, 耐压试验合格要求为10kV, 1min, 分别采用人工和设备剥除进行对比。

5.1 剥除外观

人工剥除外护套表面端口不齐, 表面有毛刺, 如图5 (a); 设备剥除端口平齐, 表面光滑, 如图5 (b)。

5.2 剥除效果

对剥除外护套半导电层的电缆进行外护套耐压试验:

传统人工剥除外护套半导电层后, 进行直流耐压试验, 电压刚调到4.8kV 时, 泄漏电流达到了50μA, 并且随着电压的上升, 泄漏电流不成比例地急剧增大, 这说明电缆外护套绝缘存在缺陷, 立即停止试验, 对外护套半导电层剥除位置进行现场检查, 发现部分外护套半导电层没有剥除干净, 通过人工重新剥除, 试验合格。

使用该设备对外护套半导电层剥除后, 直流耐压试验一次性通过。

5.3 剥除时间

人工剥除需要时间大约40min, 设备剥除需要时间大约10min。

通过这次电缆试验和现场检查, 总结如下: 采用人工方式剥除, 实际操作时只能沿着电缆纵向剥除,由于电缆外护套的波纹形式导致剥除厚度的深浅不一, 最终形成的成品端口不齐平、剥除面有很多毛刺, 甚至有些位置未清除干净, 影响施工工艺及耐压试验。采用设备剥除, 端口平齐, 表面光滑, 较人工方式剥除节省75%人工, 并大大降低了人工操作过程中因玻璃断裂造成工人受伤的风险。

6 结束语

本项目通过重点研究电缆外半导电层的结构和形状特点, 应用激光测量技术、数字联动控制技术、伺服随动控制技术、工业无线通讯技术, 借助特制刀片对电缆外表面的半导电层实现精准的固定深度切削,实现波纹状电缆外护套半导电层的全自动剥离切削。

经过实际测试发现, 该设备可实现波纹护套外形的电缆外护套半导电层自适应、自动化剥除, 剥除均匀, 端口齐平, 剥切深度符合要求, 满足电缆外护套半导电层的剥除工艺要求, 并在作业效率、工艺水平等方面有明显提升, 减轻了施工人员劳动强度, 避免了作业人员受伤的安全风险。