高优梁 刘建锋 黄超胜 毋本鑫 高晓莉 杨 杰 马军旭 高志龙

（1.浙江省送变电工程有限公司，杭州 310000；2.河南电力博大科技有限公司，郑州 450000； 3.华北水利水电大学，郑州 450045）

近来年，随着特高压输变电工程的快速建设，施工装备的配置水平和技术创新能力对工程建设的影响不断增大。经测算，“十三五”期间电网建设需牵张设备1755台、放线滑车98533只。而28家省属送变电公司目前已有牵张设备1927台、放线滑车109470只，可以满足未来电网建设需求[1]。但是，随着时代的发展与城市化的快速推进，我国对电力设施系统的装备提出了更高的要求。因此，必须加快牵张设备的发展，提高电网建设效率与安全质量水平，完成电网建设任务。

张力架线牵张设备是指在输电线路建设过程中所用到的牵引机与张力机。牵引机是一种特殊的卷扬机，其动力源一般为汽柴油机，通过液压传动系统为钢绳卷车提供动力，实现导引绳与牵引绳的卷放。按牵引机上的牵引论形式分，牵引机可分为双摩擦卷筒式和鼓轮（磨芯）式两种。张力机用来控制牵放线索的张力大小，主要通过对导轮线的适当制动而实现张力控制。张力机按制动方式可分为机械摩擦式张力机、液压式张力机、气压式张力机以及电磁式张力机等。目前，液压制动双摩擦卷筒式张力机应用较为广泛[2]。国外自20世纪40年代末期已经开始使用张力架线牵张设备，发展至今已有半个多世纪。随着新型科技的产生与发展，张力架线牵引设备存在一些新的问题，主要包括以下几个方面。第一，动力源系统较为复杂，原动机与工作机功率不匹配，恶劣环境启动困难。第二，功率利用率低，工作环境恶劣。第三，设备笨重，转场麻烦。第四，部分设备结构不够完善，操作比较困难。第五，故障检测与维修较为困难，对新兴科技应用不足。为应对不断提高的张力架线作业要求，适应艰苦、危险、恶劣的工作环境，张力架线牵张设备的快速发展已经迫 在眉睫。

本文综述了智能牵张机在动力源系统、结构优化以及在线检测与故障诊断3个方面的研究现状，论述了现有设备的原理、特点及不足，并对张力架线牵张设备存在的问题进行了分析，阐述了智能牵张机未来的发展趋势，以前为我国深入展开智能牵张机的研究与开发提供一定的借鉴。

1 智能牵张机动力源系统

牵引设备主要由牵引机和张力机两部分组成。动力装置是牵引机的重要组成部分，而张力机一般不需要动力装置，但有时张力机回收导线及正反方向转动也需要动力装置。通常，发动机必须有良好的有效功率、有效转矩以及较低的油耗率。

目前，牵引设备一般采用汽油机或柴油机。但是，由于牵引设备输出功率大体固定，而张力放线机构的放线速度和张力要求具有较大的变化范围和良好的可靠性，且大部分汽油机或柴油机的额定功率远大于工作机实际所需要的功率，导致功率利用率低。为解决功率利用率低的问题，山西圣水电力工程有限公司的王海水[3]提出用三相式鼠笼电动机作为动力源，利用变频装置改变电动机动力源频率，并使用传感器检测放线盘和收线盘直径的变化，通过反馈的信号调节频率，从而实现输出转速和放线张力的控制。两种张力机的对比分析如表1所示。实践分析表明，此方法有效提高了动力源功率利用率。辽宁省送变电工程公司的陈震[4]等人针对公司的3台老旧一牵四180kN牵引机动力不足的问题，通过选配发动机代替原动机，对3台老旧设备进行改造恢复，提高了性能，取得了较好的经济效益和社会效益。武汉理工大学的王慧[5]等人，针对我国大部分牵引机无行走功能和转场困难等问题，开发了一种行驶化一体的新型牵引机，采用1个动力源和2种功能执行部件相互协调的方法，最大程度地发挥动力源的效率，实现了2种功能的集成，解决了牵引机的行驶问题。河南送变电工程公司的刘建锋[6]针对牵张设备在高原地区设备启动困难等问题，通过调整系统的油量和供油提前角改进增压器，换用特制散热器水箱压力盖等，成功将牵张设备应用于青海—西藏750kV的电网建设工程。湖南省送变电工程有限公司机具设备分公司的雷明[7]总结并分析了牵张设备低温环境启动困难的原因及改善措施。吉林省送变电工程公司国家电网公司的岳华刚[8]等人发明了一套牵张设备启动预热装置，利用水套体、燃烧室和雾化装置有效解决了牵张设备冬季启动较难的问题。河南电力博大科技有限公司针对张力机被动做工的动力源浪费等问题，提出在张力机张力工况下将张力轮稳定运转的阻力转换成电力并存储在蓄电池中，既降低了设备运行的噪声，又优化了操作环境。

表1 两种张力机的对比分析

2 智能牵张机结构优化

自牵张设备投入使用以来，它的外形结构已经基本确定。牵引机外形结构如图1所示，张力机外形结构如图2所示。但是，我国特殊地形较多，有针对性的专业化装备较少，仅仅依赖现有的牵张设备无法满足需求，因此必须不断优化牵张设备的结构，使其适应施工调节。

图1 牵引机外形结构

图2 张力机外形结构

江苏送变电公司的王连收[9]针对公司进口的牵引机经常出现故障、链条易磨损、轴承易损坏以及牵引轮槽易磨损等问题，提出将牵引机原有的链传动改为齿轮传动，以加大内外侧轴承牵引的理论直径，有效解决了牵引机由于先天设计的缺陷而带来的各种故障。辽宁送变电公司的陈震[10]为修复公司进口老旧设备，通过选配发动机代替原发动机，改造机械系统、电气控制系统、辅助系统等，成功修复老旧进口设备，为类似故障牵张设备性能恢复和提高安全性积累了经验。牵张设备的最大牵张力在一定程度上可以体现一个公司企业的张力架线施工能力。为了提高牵引机的牵引吨位，甘肃送变电公司已成功研制出42吨位级的SAQ-420智能牵引机[11]。在结构外观方面，设备采用大型运输汽车的拖挂式地盘，增加了彩色显示器，采用红色警报闪烁灯，有效降低了运输成本，同时便于操作人员及时发现和处理问题。对于不宜过度弯曲的大截面导线施工时，河南电力博大科技有限公司的刘建锋等人提出将张力机设计为分体拖挂式，一部分为动力输出机构，一部分是动力执行机构。为避免导线受到的弯矩过大，工作人员优化了导线进线轮结构及布局，如图3所示，同时将大轮设计为张力轮结构，减小了导线通过张力轮时的弯曲度，可以有效避免大截面导线施工过度弯曲的问题。同样，为了使设备可以展放大截面导线，宜兴市博宇电力机械有限公司的周俊华[12]设计了大卷筒底径的压液张力机，通过对传动部分、制动部分、导线轴架部分以及操作控制系统等方面进行设计，提出了应用于大截面导线的液压张力机方案。

图3 张力机进线轮优化结构图

3 智能牵张机在线监测与智能控制系统

牵张设备在使用过程中出现故障不可难免。但是，由于技术薄弱和专业人员少等问题，人们往往会因设备维修而耽误工程而造成经济损失。随着人工智能的快速发展，传统牵张设备急需运用新兴的科技来提高设备性能。例如，利用在线监测系统可以实时关注牵张设备的运转情况；利用故障诊断可以有效定位故障发生的原因，从而加快维修速度，减少施工拖延[13]。

为了设备的安全运行、降低设备的故障率以及减少设备维护成本，将状态监测、远程通信和故障诊断相结合，设计了远程无线监测管理系统。首先，分析设备常见故障并总结原因。其次，选取合适的设备监测点，通过压力、流量、温度以及转速等不同的传感器，经过预处理与数模转换得到数字信号。再次，将得到的数据发送到监测服务器供技术人员了解设备工作状况。最后，通过服务器与管理软件进行分析，为状态维修提供依据。华南理工大学的李愿明[14]基于高压输电线路架线施工作业现场环境的高危性，以国产SAQ-250牵引机电路系统作为切入点设计有线遥控器，降低了施工现场的风险。河南电力博大科技有限公司基于客服户反馈问题的汇总，针对牵张设备加设一键启停、牵引力电子预设、防溜线、GPS远程诊断、功率智能匹配以及自动润滑等功能，实现了牵引场与张力场的数据互通和相互控制，提高了操作安全性。兰州理工大学邱楚然[15]为改善架线过程中张力不平稳的缺点，提出对放线张力进行PID整定，最终将系统分为车载终端与远程监控中心两大部分，实现了张力机实时监测与控制，并利用GPRS通信实现了牵张两场的可靠通信。南方电网能源发展研究院有限责任公司的洪巧章[16]设计了一种嵌入式的硬件系统来作为牵张设备的前端采集数据，再利用GPRS网络无线数据传输功能或GSM短消息功能将采集到的数据上传服务控制中心，最终诊断系统处理采集的数据，找出故障原因。吉林送变电工程公司的侯建明[17]等人提出利用双机位和无线视频监控系统，通过Profibus总线连接实现50m数据的传输，进而实现远程操作的目标。图4为可视化牵引走板。

图4 走板传输无线视频信号

4 智能牵张机的研究发展方向

4.1 采用新能源作为动力源

汽油机和柴油机虽然效率高、使用方便，但是噪音大，易污染环境。一方面，设备在制造过程中将汽油机和柴油机作为动力源需要设计复杂的传动系统来适应不同的工况，成本代价高。另一方面，在施工过程中，汽柴油机的能源注入易泄露、燃烧不充分导致环境污染、噪声影响现场技术人员的交流以及架线施工场地受限较大。若牵张场地选在人群密集区域，汽油机和柴油机的噪声将会影响居民。因此，需发展新能源动力系统，以有效解决汽油机和柴油机所遇到的问题，同时响应国家提倡利用新能源、节能减排的号召。可见，新能源动力系统是牵张设备未来的研究方向之一。

4.2 设备具有专业化特色化

目前研究特殊地形的专业化牵张设备较少，尤其是山地、高原、沼泽、水田以及海岛等特殊地形条件下，通用的牵张设备无法满足施工要求，必须改进牵张设备的结构，设计具有专业化特色的设备。同时，牵张场远程数据可以互相通信进行远程控制，以适应特殊地形的远距离工作。专业化牵张设备能有效提高工作效率，减轻工作人员的负担，彰显一个公司或一个企业的施工能力。

4.3 基于大数据分析的智能故障诊断

目前已有许多企业在研究在线监测与故障诊断。随着大数据的发展，设备可能存在短时间内多个源故障并发的现象。牵张设备不能仅仅局限于设备本身的数据分析，应收集多个设备运行状态的大量数据将其上传互联网，推动牵张设备的故障诊断进入大数据时代，进而提高故障诊断的准确率与速度。因此，利用新型科学技术是有效提高牵张设备性能的方法与有效途径，也是未来发展的大势所趋。

5 结语

加快智能牵张机的发展，一方面能有效提高我国电网核心设备的建设水平，是建设能源互联网的重要途径，另一方面能够降低施工安全风险和劳动强度，提高施工效率和经济效益。本文综述了智能牵张机在动力源系统、结构优化以及在线监测与故障诊断3方面的研究现状，指出了我国智能牵张机将会朝向新能源动力、专业特色化装备及基于大数据分析的故障诊断方向发展，有助于提升国家电网建设的施工能力。