输电线路便携式吊装装置的研制.pdf

宁夏电力 年第 期装置研制 基金项目:国网宁夏电力有限公司科技项目()输电线路便携式吊装装置的研制房子祎郝金鹏李泽成伍弘吴波李定培(.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院宁夏 银川.深圳市瑞迈思科技有限公司广东 深圳)摘 要:输电线路现场作业涉及工器具和试验设备的吊装传统方式多采用人力吊装或绞磨机吊装受环境和使用要求的限制导致劳动强度高、工作效率低 通过对输电线路现场作业吊装形式进行分析研制一种输电线路单人携带的智能便携式吊装装置将机架、磨盘、传动机构、电机、电池、驱动控制模块等采用一体化封装吊装装置主机质量为 可由单人携带吊装质量达 具有剩余电量显示、吊装速率可调、失电保护等功能适用于不同现场作业环境中工器具和设备的吊装有效解决输电专业现场作业吊装难的问题能够显著降低作业人员劳动强度提高吊装作业工作质量和效率关键词:输电线路吊装装置电池管理中图分类号:文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):.:./.房子祎等:输电线路便携式吊装装置的研制 引 言输电线路具有点多、线长、面广的特点我国复杂的地理环境决定了输电线路走廊必然要穿过高海拔、覆冰、污秽等恶劣气候地区 输电线路运维、检修等现场工作需要准备各类工器具和试验设备并给杆塔上作业人员传递 传统方法是采用人力牵引或绞磨机进行吊装:人力牵引的方式劳动强度高存在安全隐患 绞磨机质量高、体积大需要多人同时搬运且难以运送到车辆无法到达的输电作业现场此外绞磨机需要定期维护保养使用时需要安装地锚作业准备时间长且油料购置、存储存在限制使用条件较为苛刻在输电专业作业现场应用受限根据输电线路现场作业特点对输电线路吊装工具进行需求分析为满足不同作业环境的要求亟须开发一种体积小、质量轻、单人携带的便携式吊装装置以实现作业现场常用工器具和设备的吊装 吊装装置设计传统机动绞磨机由滚筒轮、变速箱、柴油机或汽油机和底座框架组成绞磨槽是用来直接和钢丝绳连接的牵引槽以汽油机或柴油机、电动机作为动力经过变速箱的变速来达到要求的转速整机坐落于钢结构上 由于传统机动绞磨是采用标准的零部件进行组装而成存在装配结构尺寸大、尺寸空间浪费严重、结构不能有效融合、能量转化效率低等不足 为满足输电专业现场作业需求保障工器具、金具、试验装置等吊装作业有效进行本文从吊装方法、装置结构、装置材料、动力来源、控制方式等方面进行综合考虑设计了一套适用于输电专业现场作业的便携式吊装装置(以下简称“吊装装置”).吊装方式为便于现场作业应用采用通过安装带将吊装装置固定在杆塔底布塔材上的吊装方式实现快速无底座安装吊装装置解决了传统绞磨机打地锚耗时耗力的问题吊装过程采用方向滑轮和吊装滑轮控制吊装作业的方向其中固定滑轮安装在杆塔横担处由作业人员携带至杆塔横担作业位置后进行安装方向滑轮安装在杆塔底部塔材上 采用安装带将吊装装置与杆塔底部塔材进行柔性连接作业过程中吊装绳施加的应力会使安装带拉紧此时安装带与杆塔接触的位置为锚固点应保证锚固点、吊装装置和方向滑轮位于同一水平面上作业人员将吊装绳穿过固定滑轮后一端依次穿过方向滑轮、吊装装置绞盘最后通过人工牵拽绳尾进行尾绳控制防止出现甩尾现象保障作业安全 吊装绳另一端连接位于固定滑轮下方作业面的吊装重物 滑轮和吊装装置固定后起吊时各环节不会发生位移和松动 作业方式如图 所示图 吊装装置作业方式.材料选择为平衡吊装装置质量和结构强度吊装装置的机架系统受力部分采用高强度铝合金材质非受力部件采用塑胶材质 电机采用高比功率密度的永磁直流电机电源采用具有高能量密度的镍钴锰锂电池具有高能量密度、优异循环稳定性、低成本等优点且其放电比容量高达/以提高电池的功率性能和能量密度降低吊装装置质量宁夏电力 年第 期.传动结构设计传动机构的效率是影响吊装装置的质量和体积尺寸的重要因素因此提升传动机构的效率至关重要 传统绞磨机由汽油机进行驱动 汽油机受卡诺循环的限制汽油机的有效效率约为 至 机械效率约为 系统零部件多且热效率较低将吊装装置的动力由传统的内燃机驱动改为电力驱动采用效率达 以上的永磁直流电机(以下简称“电机”)作为驱动电机 永磁直流电机利用永磁体建立励磁磁场具有良好的启动制动性能可在宽范围内平滑调速体积小、质量轻、结构简单响应快、效率高通过脉冲宽度调节()来调整电机转速 调速是将直流电源通过开关器件进行开关控制通过改变开关的通断时间改变电机输入电压的占空比来控制电机的转速和扭矩 电机输出端是高电平时电机可以转动低电平时受惯性影响电机继续转动从而实现转速的调节 通过将传统的皮带传动结构更改为联轴盘进行动力联结采用共轴直接驱动减速箱使传动结构更紧凑提升传动效率减小吊装装置体积 传动结构由基座、直流电机、电机轴、联轴片、联轴盘、电机轴联接螺栓、减速箱固定螺栓、减速箱固定法兰、电机固定螺栓等组成其装配如图 所示图 传动结构装配传动结构的基座用于电机壳体和减速箱外壳的法兰固定使电机外壳、减速箱外壳进行刚性联结 直流电机提供吊装装置的动力来源 电机轴是直流电机的动力输出部件也用于固定联轴片联轴片是固定于电机轴上的动力传输部件与直流电机的输出轴和联轴盘相联结 联轴盘是联结联轴片和减速箱的输入轴与连轴片一起使得电机与齿轮箱成了 个相对独立的运动体缓解各个方向的冲击振动较好地改善传动齿轮 电机轴联结螺栓用于联轴盘和联轴片之间的刚性联结 减速箱固定螺栓用于减速箱外壳和基座之间刚性联结 减速箱固定法兰与减速箱壳体为一体减速箱固定法兰与基座之间通过减速箱固定螺栓联结 电机固定螺栓用于电机外壳和基座支架的刚性联结 吊装装置的电机轴与减速箱之间通过联轴盘实现动力的高效传递避免了传统皮带传动、链条传动的大尺寸结构装置结构紧凑.智能电池管理算法设计通过精确采集系统的电流、电压进行智能电池管理算法设计实现电池的剩余容量预测和电量显示方便作业人员合理安排吊装作业内容保障作业安全.电池结构设计电池由阻燃外壳、电池管理系统、电芯、支架、绝缘片、连接片等构成通过圆柱形 电芯串并联组合构成电池系统 电芯由正极、负极、隔膜、集流体、钢壳等组成电芯由支架进行内部结构固定通过纯镍连接片进行串并联连接由于输电线路现场作业吊装工况特殊电机驱动系统需承受极大的峰值功率和浪涌功率吊装装置吊装重物质量超过 单颗金属氧化物半导体()场效晶体管(以下简称 管)不能承载吊装装置的安全工作功率因此采用 管并联的方式以提高通流能力和降低温升 管阵列采用低内阻、一致性好的功率 管作为基础单元进行并联使用 管阵列的栅极驱动电路要具有足够的驱动能力避免开关速度过慢导致 管损坏.电芯信息的采集电芯阵列的信息包括电芯电压、路电流和 路温度信息的采集模拟前端内部集成 电房子祎等:输电线路便携式吊装装置的研制压 转化和 电流 转化模块 数字处理器将电芯阵列信息以 传输给 主控模块 电芯阵列信息采集单元直接与电芯的正负极相连接电芯阵列信息采集单元的功耗、功耗均衡、可靠性直接影响电芯的寿命电芯阵列信息采集单元功耗超标、功耗不均衡将使电芯发生不可逆损坏 电芯阵列信息采集的电流将被提供至主控单元用以计算荷电状态全电流范围电流采集的准确度直接影响荷电状态计算的准确度电芯信息采集如图 所示图 电芯信息采集.充、放电量计算采用电力积分法计算锂电池的充、放电量使用毫欧级检流电阻对电流进行采样将检流电阻两端的电压信号传输至模拟前端采集器模拟前端采集器计算出电流对电流进行时间积分计算获得锂电池电源的充、放电量 由于硬件自身的偏差会对电流积分计算造成一定的累积误差此累积误差需荷电状态 开路电压曲线法进行修正电池的开路电压和电池的荷电状态存在一定的对应关系 通过电芯充放电设备将电池充电至.、.电流截止静止 后以.电流进行恒流放电至 得到一条电压、容量曲线由于放电电流为.放电电流很小可将放电电压等效于开路电压 荷电状态 开路电压曲线如图 所示图 荷电状态 开路电压曲线.温度补偿自学习和电容量策略修正由于电池在不同温度下存在一定的容量衰减为准确预测剩余电量需要进行电池的温度补偿学习和电容量策略修正 通过检测电芯的温度对电池的可用容量进行修正得出在当前温度下的实际容量 随着电池使用时间增加电池的实际容量会衰减通过对电池进行完整的充放电学习过程使吊装装置准确显示当前的剩余电量电池的剩余电量受放电电流、放电时间、充放电模式、当前温度、历史温度、衰减程度、电流准确度、电芯一致性等众多因素影响 通过对吊装装置充电电流、充电电压、截止电流、放电截止电压、关机电压、静态电流、功耗曲线等参数进行分析对电芯进行模拟试验建立荷电状态 开路电压曲线融合电流积分法、荷电状态 开路电压曲线法、温度补偿法、自学习修正等方法使吊装装置准确显示剩余电量当电池处于非充放电状态时电池当前计算剩余容量与荷电状态 开路电压曲线法计算容量进行对比若偏差超过上限值则将剩余电量值按照荷电状态 开路电压曲线法进行当前剩余容量的修正若偏差在允许范围内则维持不变 在电池放电、充电状态时则进入电流积分法计算容量通过电流积分法进行当前剩余电量值的加减计算充电为剩余容量增加放电为剩余容量减少 若环境温度低于 时则对剩余容量进行温度容量修正按照预先设定的温度 容量衰减率进行修正 当电池在充电饱和后将电池容量宁夏电力 年第 期直接放电完成时进行放电容量学习修正.安全设计由于吊装装置工作过程涉及重物吊装、人身安全和操作控制等方面为确保使用过程的安全性和便捷性对吊装装置进行安全设计增设自动称重、远程线控和失电锁止功能保障作业人员安全和吊装装置安全运行自动称重功能是指吊装装置通过电流传感器检测工作电流采用称重算法对吊装重物进行称重的功能 进行重物吊装时吊装装置自动进入称重程序当工作电流超过超限阈值后自动停止吊装避免质量过高的重物对吊装装置本体造成损伤 远程线控功能是为满足吊装作业现场操作便捷性要求而增设的通过线控器进行吊装装置控制的功能 吊装装置本体设有启停和调速按钮同时也可使用线控器对吊装装置进行远程控制线控器操作面板上设置有启停和调速按钮通过屏蔽信号电缆与吊装装置相连接采用航空接口连接方式以保证连接的可靠性 失电锁止功能是指吊装装置失电电机停转将吊装绳锁止以保障作业人员安全 当吊装装置出现突然掉电、电池故障等情况时电机会停止转动无扭力输出作用在吊装装置绞盘的低速大扭矩经过减速箱反馈后电机上的反作用力矩极小通过减速箱、电机轴上的摩擦力矩进行失电制动有效防止吊装重物下滑造成重物损伤和人员伤亡事故 操作流程)检查吊装装置、吊装绳、安装带、滑轮组以及各种附件有无异常如有异常严禁使用 检查吊装装置电量指示是否充足无异常且电量充足时进行下一步)选择吊装装置的锚固点、规划吊装绳方向及路径 在杆塔横担处安装吊装滑轮并将绳索穿过滑轮下放至横担下方作业面)将吊装装置的锚固挂钩通过安装带固定于锚固点上安装带应能在锚固点上自由滑动不能在锚固点上缠绕以使两个锚固挂钩能够均匀受力)将吊装绳依次穿过各滑轮吊装绳在吊装装置绞盘上缠绕约 圈绳子缠绕方向见吊装装置上的标识)在绳子尾端施加垂直于绞盘平面方向的预紧力在绳子预紧力施加完毕后对重物进行试吊装)由三人配合操作吊装装置一人负责给绳子尾端施加一定的预紧力一人负责操作线控器一人负责对吊装物体的方向控制(如需要)按压(点动)线控器上的电源按钮和调速按钮对吊装装置进行上电和调速试操作)试吊装完毕后对重物进行正常吊装 若需使重物下降只需降低绳子尾端的预紧力不需要操作起重装置反转 实践应用研制的吊装装置如图 所示 为验证其设计的合理性和实用性对吊装装置电池容量进行第三方测试并在某输电线路现场进行了试验应用测试结果显示吊装装置放电能量为.放电时间为.符合标称容量 具备电量显示、剩余电量预测功能符合输电线路现场作业要求 现场试验中使用吊装装置起吊最高质量超过 的重物并进行了带载调速测试 现场试验结果显示吊装装置起吊质量 以内的重物时能够在 内使得重物在起吊过程中达到平衡装置运行状态良好 通过对吊装高度和吊装用时的测量确定吊装装置最高吊装质量为 最高吊装速度达 /图 吊装装置实物(下转第 页)李 昊等:阀内冷膨胀罐氮气循环利用系统的设计及应用装置缺陷分析及改进措施研究.电工技术():.张大林秋穗正苟军利等.新型氮气稳压器系统稳态和瞬态特性研究.热能动力工程():.张伟夏国清.新型船用氮气稳压器控制方法研究.应用科技():.韩民晓文俊徐永海等.高压直流输电原理与运行.北京:机械工业出版社:.戴熙杰.直流输电基础.北京:水利水电出版社:.国家电网公司运维检修部.阀冷却系统.北京:中国电力出版社:.杨光亮邰能灵郑晓冬.换流站阀水冷系统导致直流停运隐患分析.电力系统保护与控制():.收稿日期:修回日期:作者简介:李昊()男工程师主要从事站内换流阀冷却系统运行维护工作(:.)(上接第 页)结 论通过对输电线路现场重物吊装需求进行分析将高比功率电机、高比能量电池、高效传动结构进行优化设计研制一体化的轻量型吊装装置结论如下:)现场验证结果表明研制的吊装装置主机质量为 可实现单人携带 吊装质量达 吊装速度可调最高吊装速度可达 /能够满足输电线路现场作业中绝缘子、避雷器、小型试验装置等工器具和试验设备的吊装需求并增设自动称重、远程线控和失电锁止等安全设计提高吊装作业安全性和可操作性)第三方测试结果表明研制的吊装装置电池容量满足标称容量 的设计要求具备电量显示、剩余电量预测功能能够满足输电线路现场作业需求可大幅降低作业人员劳动强度提高现场作业工作质效参考文献 余昊黄康裕叶建平.电力输电检修起吊差速器的研发与应用.广西电力():.吕少革韩峰彭占龙等.户外高压断路器吊装装置的研制.河南电力(增刊):.:./.王云荆涛于清杰等.柴油机缸套专用吊装装置设计与制作/.内燃机与配件():.:./.黄肖.单晶纳米片结构镍钴锰三元正极材料的制备、表征与改性研究.武汉:武汉科技大学.徐艳晖张志和.采用主动齿轮空心轴传动的驱动单元/.轨道交通装备与技术():.:././.罗伟林张立强吕超等.锂离子电池寿命预测国外研究现状综述.电源学报():.唐小亮甄鸿俊.基于输电线路野外遥控设备大功率直流电机的驱动保护设计方法/.中国新技术新产品():.:./.樊彬任山罗运俊.实际使用工况的锂离子电池 关系.电源技术():.张朝龙卢阳杨璇等.基于集成 模型与 神经网络的锂电池容量预测/.安庆师范大学学报(自然科学版)():.:././.孙道明.动力锂离子电池 和容量估计方法研究/.杭州:浙江大学.:./.孙道明俞小莉.随机放电工况下锂离子电池容量预测方法/.汽车工程():.:./.收稿日期:修回日期:作者简介:房子祎()女硕士工程师从事输电线路外绝缘技术工作(:.)