张 恒 汪 明

（山东建筑大学 信息与电气工程学院，济南 250101）

带电作业是指在高压电气设备不停电状态下进行检修、测试的一种作业方法，是避免检修时停电，使得电网正常运行的有力措施[1-3]。发电厂、架空输电线路、配电线路和配电设备等都存在带电作业的需求[4]。然而，配网带电作业易受环境影响，且体力消耗大、作业风险大。以往进行带电作业时，作业人员一般需要穿戴好绝缘防护服，在做好绝缘措施后接触带电体进行作业。整个过程不仅费时费力，而且存在较高的危险性。其中，断线作业是带电作业操作中的重要环节。配电线路附近大型工厂的拆迁以及旧城区输电线路改造等都会涉及断线作业[5-6]。

在断线作业装置的智能化方面，国内外相关领域的研究较少。日本和美国等国家虽有可以进行断线作业的电动断线工具，但大部分都无法完成带电作业[7-9]。国家电网上海松江供电公司研制了一款绝缘断线钳，该断线钳为机械式结构，切刀为棘轮结构，以此完成电缆的剪断工作。虽然绝缘断线钳使用的轮式切刀构造轻便，但是剪切较粗线径的电缆时，操作仍然不够方便[10-11]。为了使作业人员在操作时更加方便，进一步降低作业的复杂度，本文设计研制了一款高压电缆切断装置。高压电缆切断装置可以提高带电作业的工作效率和人员安全性，从而提高电网的智能化水平。

1 高压电缆切断装置设计

1.1 高压电缆切断装置样机设计

该装置的整体结构主要包括切刀本体、切刀驱动部分、驱动控制部分和位置传感器模块等，如图1所示。切刀本体主要用于切断高压电缆；切刀驱动部分由直流电机与减速器组成，能够接收来自驱动控制部分产生的控制信号，从而带动切刀转动将电缆切断；位置传感器模块能够为驱动控制部分提供检测到的切刀位置信号。

1.2 工作流程设计

工作时，驱动控制部分接收到控制指令后开始控制直流电机动作，同时检测流过直流电机的电流。通过判断电流大小控制直流电机动作，使其带动切刀本体切断电缆。电缆切断之后，切刀自动复位，位置传感器感应到切刀到位后，驱动控制部分控制直流电机停止转动。图2为该装置的工作流程图。

2 关键结构与智能控制系统设计

2.1 机械传动结构设计

该装置的机械传动结构中，从动齿轮与驱动齿轮啮合，驱动齿轮传动轴与减速器固定连接，减速器与直流电机固定连接。如图3所示，在电机的驱动下，减速器带动驱动齿轮传动轴及驱动齿轮转动，从而带动切刀从动齿轮转动，将电缆切断[12]。

其中，主从动齿轮材料选择45钢，齿面硬度为240 HBS，主动齿数为17齿，从动齿数为24齿。本次设计依据齿面接触疲劳强度，主动齿轮分度圆直径范围为：

式中：KHt为载荷系数，取值为1.3；T1为主动齿轮的扭矩，取值为5.8×104N·mm；φd为齿宽系数，取值为1；ZH为区域系数，取值为2.5；ZE为材料的弹性影响系数，取值为189.8 MPa；Zε为接触疲劳强度用重合度系数，取值为0.94；[σH]为接触疲劳许用应力，取值为896.5 MPa。

主从动齿轮的循环应力次数N1、N2分别为：

主动齿轮的圆周力Ft1为：

实际载荷系数KF为：

按实际载荷系数算得的齿轮模数m为：

式中：mt取值为1.69；KFt取值为1.3。

齿轮模数的大小由承载能力决定，而齿轮承载能力只与齿轮直径有关，因此选择主动齿轮为17齿、从动齿轮为24齿。按接触疲劳强度算得的分度圆直径为32 mm，齿面接触强度和齿根弯曲疲劳强度都能够得到满足，且结构上也能够做到紧凑合适。

2.2 智能控制系统设计

各种控制算法中，比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法因其简单和鲁棒性好被应用于实际系统，而且特别适应于具有精确数学模型的己知系统[13]，原理如图4所示。

PID算法的控制规律为：

式中：u(t)为输出量；kp为比例系数；e(t)为系统的偏差；TI为积分时间常数；Td为微分时间常数。

PID控制虽然易于实现，但在控制过程中会面临外部扰动的影响，其控制效果往往难以达到控制要求[14]。模糊PID控制将模糊控制和PID控制相结合，实现了对PID参数的最优整定[15]，因此对于非线性系统具有显著的控制效果。设定模糊规则时，要在Fuzzy工具箱中建立模糊控制器，然后将输入量设置为e和ec，输出量设置为Kp、Ki、Kd，控制器设计界面如图5所示。设定好模糊规则后，输出量Kp、Ki、Kd与误差e和误差变化率ec的关系如图6所示。

本文所研究的被控对象的传递函数模型H(s)为：

在Simulink中搭建PID与模糊PID的仿真模型如图7所示。

通过仿真可以得到PID与模糊PID的曲线如图8所示，其中虚线是PID的输出曲线，实线是模糊PID的输出曲线。从图8中可以看出，模糊PID曲线超调量σ=3%，调节时间ts=1.3 s。与PID相比，模糊PID在控制上具有显著的优越性。

3 样机测试与数据分析

3.1 测试准备

10 kV配电网使用的70 mm2电缆如图9（a）所示，其外层绝缘皮厚度为3.5 mm，银白色部分为铝绞线。高压电缆切断装置切断70 mm2电缆示意图如图9（b）所示，切刀采用高硬度冷作模具钢，不仅能够克服绝缘外皮的粘连，而且能提高对钢芯的剪切能力。高压电缆切断装置样机如图9（c）所示。由于本装置的作业对象是高压电网，因此要求工具在结构、质量、控制等方面必须满足作业要求。本装置合理采用了聚甲醛热塑性结晶聚合物、合成树脂、铝合金等轻质、耐磨材料，在满足使用要求的同时大幅降低了整机的质量。

3.2 带电作业时70 mm2线径电缆电流值变化

高压电缆切断装置在10 kV高压下切断70 mm2电缆时，加入PID控制后其电流变化情况如图10（a）所示。在620 ms时，电机空转产生超调。在3 000 ms时，电机空转进入平稳运行阶段之后电流开始上升，说明切刀已触碰到电缆，电流值随着切断过程不断增大，直至2 950 mA左右开始下降。加入模糊PID控制后，其电流变化情况如图10（b）所示。在700 ms时，电机空转产生超调，相比图10（a）的超调幅度有了明显的改善。在3 000 ms时，电机空转进入平稳运行阶段之后电流开始上升，说明切刀开始工作，电流值随着切断过程不断增大，直至2 800 mA左右开始下降。综合实验数据分析可以看到，模糊PID控制的效果在超调量、速度以及稳定性方面比PID控制具有更明显的优势。

4 结语

本文针对目前带电断线作业中的难题，设计研制了一款高压电缆切断装置，主要介绍了该装置的结构、技术参数，同时对关键结构进行了分析并对控制算法进行了仿真，最后对该工具进行高压试验测试。结果表明，该装置能够满足带电作业需求，能够代替人工切断10 kV高压引流线。