一种导爆索温差环境自适应张紧装置及其控制方法

摘要

本发明一种导爆索温差环境自适应张紧装置及其控制方法，属于导爆索温差环境自适应张紧装置技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种导爆索温差环境自适应张紧装置硬件结构及其控制方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括设置在高压输电线塔横担处的控制装置，所述控制装置封装在保温性能好的外壳中，所述外壳内部一侧设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有控制器，所述控制电路板外侧设置有控制面板，所述控制面板上设置有显示屏和控制按键；所述外壳的外部还设置有温度传感器；本发明应用于导爆索张紧装置。

权利要求

1.一种导爆索温差环境自适应张紧装置，其特征在于：包括设置在高压输电线塔横担处的控制装置(1)，所述控制装置(1)封装在保温性能好的外壳(2)中，所述外壳(2)内部一侧设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有控制器(3)，所述控制电路板外侧设置有控制面板，所述控制面板上设置有显示屏(4)和控制按键(5)；

所述外壳(2)的外部还设置有温度传感器(6)；

所述外壳(2)内部另一侧设置有驱动电机(7)，所述驱动电机(7)的转轴末端设置有驱动螺杆(8)，所述驱动螺杆(8)的表面设置有外螺纹，所述驱动螺杆(8)的一侧还设置有导爆索收纳线筒(9)，所述导爆索收纳线筒(9)的一端设置有传动齿轮(10)，所述传动齿轮(10)与驱动螺杆(8)的外螺纹啮合，所述传动齿轮(10)由驱动螺杆(8)驱动，并使导爆索收纳线筒(9)转动；

所述导爆索收纳线筒(9)的筒体上缠绕有用于输电线缆除冰作业的导爆索(11)；

所述导爆索(11)与输电线缆保持固定距离平行设置，所述输电线缆上间隔固定距离依次设置有多个夹具(12)，用于固定导爆索(11)；

所述控制器(3)通过导线分别与显示屏(4)、控制按键(5)相连，所述控制器(3)的信号输入端与温度传感器(6)相连，所述控制器(3)的信号输出端与驱动电机(7)的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的一种导爆索温差环境自适应张紧装置，其特征在于：所述控制器(3)的信号输出端还连接有无线通信模块(13)，所述无线通信模块(13)通过无线网络与监控终端(14)相连。

3.根据权利要求2所述的一种导爆索温差环境自适应张紧装置，其特征在于：所述外壳(2)的顶部还设置有太阳能电池板(15)，所述太阳能电池板(15)的输出端与控制装置的电源模块(16)相连，所述控制器(3)的电源输入端与电源模块(16)相连。

4.根据权利要求3所述的一种导爆索温差环境自适应张紧装置，其特征在于：所述驱动电机(7)具体为步进电机，型号为86BYG250A；在所述驱动电机(7)上还设置有减速机，所述减速机的型号为NMRV040-150。

5.根据权利要求4所述的一种导爆索温差环境自适应张紧装置，其特征在于：所述控制器(3)的型号为三菱FX1S-10MR-001。

6.根据权利要求5所述的一种导爆索温差环境自适应张紧装置，其特征在于：所述导爆索收纳线筒(9)的筒体表面还设置有用于增加导爆索摩擦力的凸纹。

7.一种导爆索温差环境自适应张紧装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：将控制装置(1)安装在高压输电线塔横担处，在控制装置(1)外部设置温度传感器(6)和导爆索收纳线筒(9)，并将待布设的导爆索(11)通过线筒沿输电线缆方向平行设置，导爆索(11)通过夹具(12)与输电线缆连接固定；安装完毕后操作控制装置(1)开机；步骤二：控制装置(1)实时采集当前环境温度数值，并将相应数据发送至控制器进行分析处理，通过系统程序及预设的判断程序，进行相应计算：在初始安装控制装置(1)时，温度传感器(6)测得的环境温度为T0，此时测量导线初始长度为L1，导爆索初始长度为L2，则正常情况下满足：ΔL1＝ΔL2，L1＝L2；上述导线及导爆索长度已提前测量；

导爆索(11)安装完毕后，等到结冰期，温度传感器(6)测得的环境温度为Tn,则满足如下关系式：此时温度变化为|ΔT|＝|Tn-T0|；

此时导线的变形长度为ΔL1＝α1L1|ΔT|；

此时导爆索的变形长度为ΔL2＝α2L2|ΔT|；

其中α1为导线的线胀缩系数，α2为导爆索的线胀缩系数，已提前测量；

由于α2＜＜α1，则此时导爆索为松弛状态；

最后计算得出导线与导爆索的变形差值为|ΔL|＝|ΔL1-ΔL2|；

设导爆索收纳线筒(9)的半径为R，则驱动螺杆(8)绕线筒转动的圈数为

步骤三：控制器(3)将上述转动圈数信号发送至驱动电机(7)控制端，驱动电机(7)根据该信号指令转动相应圈数，带动导爆索收纳线筒(9)转动相应圈数，使缠绕在线筒上的导爆索(11)缩短相应长度，保持导线与导爆索的变形差值变为0，使导线与导爆索的间距恢复为设定值，完成调节。

说明书

一种导爆索温差环境自适应张紧装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明一种导爆索温差环境自适应张紧装置及其控制方法，属于导爆索温差环境自适应张紧装置技术领域。

背景技术

[0002] 架空输电线路覆冰是影响电网正常运行的严重自然灾害。输电线路严重覆冰后会造成导地线断股，杆塔折损等严重事故，影响电力输送，造成严重的经济损失。

[0003] 目前输电线路除冰技术较为成熟的是直流融冰法，但该方法前期投资大，融冰时间长，除冰效率低且对地形有一定的要求，不适合环境复杂地区使用。

[0004] 使用线性小爆破量(每米装药量不超过8克)的工业导爆索进行线路除冰是一种高效、便捷、快速、低成本的除冰方法，而且该方法不受地形限制，在架空输电线路除冰领域有广阔的应用价值和应用前景。

[0005] 采用线性装药的小爆破量的导爆索进行除冰时，实现利用专用金具将导爆索按照预设距离敷设于导地线的下方，待线路覆冰后引爆导爆索进行线路除冰，从而保证输电线路的安全运行；然而由于导地线和导爆索的温度膨胀系数差异较大，当线路覆冰时温度大幅下降，可能引起导爆索出现松脱卷曲等现象发生，使得原定的导爆索与输电线之间的安全距离发生变化，该安全距离如果不能保持，将影响爆破除冰的效果，距离过近将损伤输电线缆，距离过远又无法除冰；目前针对此状况只能依赖人工观察，人工调节的方式进行距离缺陷的排除，增加了巡检成本，且排除隐患的效率低，工作量大。

发明内容

[0006] 本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种导爆索温差环境自适应张紧装置硬件结构及其控制方法的改进。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种导爆索温差环境自适应张紧装置，包括设置在高压输电线塔横担处的控制装置，所述控制装置封装在保温性能好的外壳中，所述外壳内部一侧设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有控制器，所述控制电路板外侧设置有控制面板，所述控制面板上设置有显示屏和控制按键；

[0008] 所述外壳的外部还设置有温度传感器；

[0009] 所述外壳内部另一侧设置有驱动电机，所述驱动电机的转轴末端设置有驱动螺杆，所述驱动螺杆的表面设置有外螺纹，所述驱动螺杆的一侧还设置有导爆索收纳线筒，所述导爆索收纳线筒的一端设置有传动齿轮，所述传动齿轮与驱动螺杆的外螺纹啮合，所述传动齿轮由驱动螺杆驱动，并使导爆索收纳线筒转动；

[0010] 所述导爆索收纳线筒的筒体上缠绕有用于输电线缆除冰作业的导爆索；

[0011] 所述导爆索与输电线缆保持固定距离平行设置，所述输电线缆上间隔固定距离依次设置有多个夹具，用于固定导爆索；

[0012] 所述控制器通过导线分别与显示屏、控制按键相连，所述控制器的信号输入端与温度传感器相连，所述控制器的信号输出端与驱动电机的控制端相连。

[0013] 所述控制器的信号输出端还连接有无线通信模块，所述无线通信模块通过无线网络与监控终端相连。

[0014] 所述外壳的顶部还设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板的输出端与控制装置的电源模块相连，所述控制器的电源输入端与电源模块相连。

[0015] 所述驱动电机具体为步进电机，型号为86BYG250A；在所述驱动电机上还设置有减速机，所述减速机的型号为NMRV040-150。

[0016] 所述控制器的型号为三菱FX1S-10MR-001。

[0017] 所述导爆索收纳线筒的筒体表面还设置有用于增加导爆索摩擦力的凸纹。

[0018] 一种导爆索温差环境自适应张紧装置的控制方法，包括如下步骤：

[0019] 步骤一：将控制装置安装在高压输电线塔横担处，在控制装置外部设置温度传感器和导爆索收纳线筒，并将待布设的导爆索通过线筒沿输电线缆方向平行设置，导爆索通过夹具与输电线缆连接固定；安装完毕后操作控制装置开机；

[0020] 步骤二：控制装置实时采集当前环境温度数值，并将相应数据发送至控制器进行分析处理，通过系统程序及预设的判断程序，进行相应计算：

[0021] 在初始安装控制装置时，温度传感器测得的环境温度为T0，此时测量导线初始长度为L1，导爆索初始长度为L2，则正常情况下满足：

[0022] ΔL1＝ΔL2，L1＝L2；上述导线及导爆索长度已提前测量；

[0023] 导爆索安装完毕后，等到结冰期，温度传感器测得的环境温度为Tn,则满足如下关系式：

[0024] 此时温度变化为|ΔT|＝|Tn-T0|；

[0025] 此时导线的变形长度为ΔL1＝α1L1|ΔT|；

[0026] 此时导爆索的变形长度为ΔL2＝α2L2|ΔT|；

[0027] 其中α1为导线的线胀缩系数，α2为导爆索的线胀缩系数，已提前测量；

[0028] 由于α2＜＜α1，则此时导爆索为松弛状态；

[0029] 最后计算得出导线与导爆索的变形差值为|ΔL|＝|ΔL1-ΔL2|；

[0030] 设导爆索收纳线筒的半径为R，则驱动螺杆绕线筒转动的圈数为

[0031] 步骤三：控制器将上述转动圈数信号发送至驱动电机控制端，驱动电机根据该信号指令转动相应圈数，带动导爆索收纳线筒转动相应圈数，使缠绕在线筒上的导爆索缩短相应长度，保持导线与导爆索的变形差值变为0，使导线与导爆索的间距恢复为设定值，完成调节。

[0032] 本发明相对于现有技术具备以下的有益效果：本发明提供一种电子温控式导爆索张紧装置，该装置通过设置单片机控制器与相应的导爆索伸缩调整装置，可以保持固定在输电线缆一侧的导爆索始终处于张紧状态，避免因温度变化造成两者之间距离的变化，从而保证爆破除冰的预期效果；本发明结构简单，一次安装即可实现对相应区域间隔内导爆索的长度调节，控制器采集环境温度数据，通过分析计算得出该时段温度下调整导爆索的长度，并将其转换为驱动电机的圈数，使导爆索伸缩相应距离，实现自适应调整，有效提高对导爆索的巡检调整效率，减少工作量。

附图说明

[0033] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0034] 图1为本发明的结构示意图；

[0035] 图2为本发明导爆索收纳线筒的结构示意图；

[0036] 图3为本发明的电路结构示意图；

[0037] 图4为本发明控制器的电路原理图；

[0038] 图5为本发明的使用状态示意图；

[0039] 图6为本发明导爆索张紧装置控制方法的步骤流程图；

[0040] 图中：1为控制装置、2为外壳、3为控制器、4为显示屏、5为控制按键、6为温度传感器、7为驱动电机、8为驱动螺杆、9为导爆索收纳线筒、10为传动齿轮、11为导爆索、12为夹具、13为无线通信模块、14为监控终端、15为太阳能电池板、16为电源模块。

具体实施方式

[0041] 如图1至图5所示，本发明一种导爆索温差环境自适应张紧装置，包括设置在高压输电线塔横担处的控制装置(1)，所述控制装置(1)封装在保温性能好的外壳(2)中，所述外壳(2)内部一侧设置有控制电路板，所述控制电路板上集成有控制器(3)，所述控制电路板外侧设置有控制面板，所述控制面板上设置有显示屏(4)和控制按键(5)；

[0042] 所述外壳(2)的外部还设置有温度传感器(6)；

[0043] 所述外壳(2)内部另一侧设置有驱动电机(7)，所述驱动电机(7)的转轴末端设置有驱动螺杆(8)，所述驱动螺杆(8)的表面设置有外螺纹，所述驱动螺杆(8)的一侧还设置有导爆索收纳线筒(9)，所述导爆索收纳线筒(9)的一端设置有传动齿轮(10)，所述传动齿轮(10)与驱动螺杆(8)的外螺纹啮合，所述传动齿轮(10)由驱动螺杆(8)驱动，并使导爆索收纳线筒(9)转动；

[0044] 所述导爆索收纳线筒(9)的筒体上缠绕有用于输电线缆除冰作业的导爆索(11)；

[0045] 所述导爆索(11)与输电线缆保持固定距离平行设置，所述输电线缆上间隔固定距离依次设置有多个夹具(12)，用于固定导爆索(11)；

[0046] 所述控制器(3)通过导线分别与显示屏(4)、控制按键(5)相连，所述控制器(3)的信号输入端与温度传感器(6)相连，所述控制器(3)的信号输出端与驱动电机(7)的控制端相连。

[0047] 所述控制器(3)的信号输出端还连接有无线通信模块(13)，所述无线通信模块(13)通过无线网络与监控终端(14)相连。

[0048] 所述外壳(2)的顶部还设置有太阳能电池板(15)，所述太阳能电池板(15)的输出端与控制装置的电源模块(16)相连，所述控制器(3)的电源输入端与电源模块(16)相连。

[0049] 所述驱动电机(7)具体为步进电机，型号为86BYG250A；在所述驱动电机(7)上还设置有减速机，所述减速机的型号为NMRV040-150。

[0050] 所述控制器(3)的型号为三菱FX1S-10MR-001。

[0051] 所述导爆索收纳线筒(9)的筒体表面还设置有用于增加导爆索摩擦力的凸纹。

[0052] 一种导爆索温差环境自适应张紧装置的控制方法，包括如下步骤：

[0053] 步骤一：将控制装置(1)安装在高压输电线塔横担处，在控制装置(1)外部设置温度传感器(6)和导爆索收纳线筒(9)，并将待布设的导爆索(11)通过线筒沿输电线缆方向平行设置，导爆索(11)通过夹具(12)与输电线缆连接固定；安装完毕后操作控制装置(1)开机。

[0054] 步骤二：控制装置(1)实时采集当前环境温度数值，并将相应数据发送至控制器进行分析处理，通过系统程序及预设的判断程序，进行相应计算：

[0055] 在初始安装控制装置(1)时，温度传感器(6)测得的环境温度为T0，此时测量导线初始长度为L1，导爆索初始长度为L2，则正常情况下满足：

[0056] ΔL1＝ΔL2，L1＝L2；上述导线及导爆索长度已提前测量；

[0057] 导爆索(11)安装完毕后，等到结冰期，温度传感器(6)测得的环境温度为Tn,则满足如下关系式：

[0058] 此时温度变化为|ΔT|＝|Tn-T0|；

[0059] 此时导线的变形长度为ΔL1＝α1L1|ΔT|；

[0060] 此时导爆索的变形长度为ΔL2＝α2L2|ΔT|；

[0061] 其中α1为导线的线胀缩系数，α2为导爆索的线胀缩系数，已提前测量；

[0062] 由于α2＜＜α1，则此时导爆索为松弛状态；

[0063] 最后计算得出导线与导爆索的变形差值为|ΔL|＝|ΔL1-ΔL2|；

[0064] 设导爆索收纳线筒(9)的半径为R，则驱动螺杆(8)绕线筒转动的圈数为[0065] 步骤三：控制器(3)将上述转动圈数信号发送至驱动电机(7)控制端，驱动电机(7)根据该信号指令转动相应圈数，带动导爆索收纳线筒(9)转动相应圈数，使缠绕在线筒上的导爆索(11)缩短相应长度，保持导线与导爆索的变形差值变为0，使导线与导爆索的间距恢复为设定值，完成调节。

[0066] 本发明在利用小爆破量的导爆索(直径5mm)进行爆破去除高压输电线路之导线、地线和OPGW上的覆冰时，需要提前铺设导爆索，待线路覆冰后再实施爆破除冰，以保证输电线路的安全运行；而为了保证爆破除冰安全有效，应使导爆索与导地线、OPGW的间距保持在预设的间距内，间距太小会损伤导相应线缆，间距过远导致覆冰时不能将导爆索包覆于覆冰冰体内，导致除冰效果差；但提前铺设的导爆索以及导地线、OPGW由于暴露于自然环境中，由于导爆索材料的胀缩系数不同，在野外温度变化作用下，很难长时间保持相互之间的间距不发生变化，本发明可以在温度变化时，保持导爆索和导地线、OPGW在各工况下距离始终处于预设范围内。

[0067] 本发明为了解决导爆索与输电线由于环境温度变化导致的间距问题，利用PLC(可编程控制器)自动化控制与机械原理实现两者间距的精确调控。

[0068] 本发明在使用时，通过设置在控制装置外部的温度传感器实时感应环境温度变化，并将相应温度数据发送至控制器，控制器内部通过内置程序，调取相应的温度与导爆索距离调整参数，根据当前的温度对导爆索伸缩长度的影响，计算得出导爆索的伸缩距离补偿数据，并将该距离调整参数转换为驱动电机的转圈数，控制器将控制指令发送至驱动电机的控制端，驱动电机通过驱动螺杆控制导爆索收纳线筒转动，从而拉紧导爆索，使得导爆索的伸缩量与输电线缆由于温度改变导致的伸缩量始终相同，随时保持导爆索处于适当张紧状态，从而实现导爆索与输电线缆保持平行布设以达到安全除冰的目的。

[0069] 本发明选取高效节能的电机为装置提供动力，PLC控制电机启动、关闭以及运行时的各项参数，电机通过运转圈数拉放导爆索，防止出现导爆索拉断和松脱卷曲等现象的发生，避免原定的导爆索与输电线之间的安全距离发生变化，导致爆破过程中可能对输电线造成损伤。

[0070] 本发明主要由四部分组成：PLC控制器及外围电路、驱动电机、导爆索传动装置、封装模块。

[0071] 将控制装置安装完成后，工作人员启动PLC控制器，可以通过显示屏及控制按键实现信息交互，进行相应参数设置及调整，为提高监控效率，另外装置同时支持无线通信功能，工作人员在地面通过操作监控终端即可实现对控制装置数据参数的调整与监控。

[0072] 本发明设置的驱动电机通过驱动螺杆与传动齿轮，可以将驱动力传动至导爆索收纳线筒，实现对导爆索的缠紧及放线控制，上述传动零件封装在外壳内部，齿轮间连接可靠，提高使用的稳定性。

[0073] 由于控制装置大部分情况设置在高空的电线杆上，因此装置的驱动电源一般选择为具备长时间续航能力的太阳能电池，通过在外壳表面设置相应的太阳能电池板可以保证供电电源的长时间的充放电，保证装置长时间运行；根据实际需求，还可以在装置的电源端另外设置相应的变频器，使装置的供电系统具备防过流、过压、过载保护的功能。

[0074] 本发明使用的外壳具体为采用保温性能良好的合成材料制作的防护箱，能够在低温强风环境下保证装置正常运行。

[0075] 本发明设置的控制器具体为PLC可编程控制器，具有可靠性高、使用灵活、编程简单、维护方便的特点，能够准确的实现所需操作；后续根据控制使用需要，可以将控制装置设计为PLC+变频器+电机编码器的双闭环控制方式，变频器采用带编码器的闭环矢量控制，变频器安装PG卡，用来采集电机的转速；同时PG上的脉冲输出端，将编码器的脉冲数送至PLC的模拟量输入端，经由PLC程序计算编码器的脉冲数来确认电机转的圈数，当电机的圈数快达到要求的圈数时，变频器控制电机减速，以极低的速度转至要求的圈数后，控制变频器停止。

[0076] 如图6所示，为实现本发明对导爆索张紧程度的自适应量化控制，在驱动电机上设置有减速机，该减速机速比为150:1，功率为0.25kW，步距角为1.8°，其工作原理如下：

[0077] 当PLC控制器每发出一个脉冲信号，控制步进电机驱动轴(蜗杆驱动)转动1.8°，步进电机驱动轴外径为r，步进电机驱动减速机收紧导爆索，根据减速机速比可知步进电机工作轴为R＝150r，步进电机工作轴外径与收纳筒外径相同，通过导线长度状态方程计算可以得出需要收纳的导线长度，即收紧的导爆索长度，从而通过计算PLC发出控制脉冲的信号来实现对导爆索长度的控制。

[0078] 上述导线长度状态方程(一档内导线线长计算公式)为：

[0079]

[0080] 式中：

[0081] L0：温度为t0及零应力下的导线的一档距线长；

[0082] L：温度为t0+Δt及应力为σ时导线的一档距线长；

[0083] σ：导线的平均运行应力；

[0084] α：导线的温度膨胀系数；

[0085] 设本发明提供的待张紧导爆索有两种运行状态：

[0086] (1)第一气象运行状态，即安装导爆索时的气象状态，记为A状态；

[0087] (2)第二气象运行状态，即冰期来临时，需要调整导爆索张紧程度的气象状态，记为B状态。

[0088] 将上述两种状态利用式(1)换算到零应力和温度t0，其线长分别用L0A和L0B表示，则有：

[0089]

[0090] 上式中LA、σA、tA分别为A状态时的线长，导线平均运行应力和环境温度。

[0091]

[0092] 上式中LB、σB、tB分别为B状态时的线长，导线平均运行应力和环境温度。

[0093] 由于一档导线固定在两点之间悬挂，当气象条件变化时，线长仅因弹性变形和温度线膨胀变形而不同，所以将两种状态的一档导线换算到同一状态时，其线长必然相同。

[0094] 则有L0A＝L0B；

[0095] 并满足

[0096] 综上可知，从安装导爆索时的气象状态(A状态)，到冰期来临时，需要调整导爆索张紧程度的气象状态(B状态)，导爆索的变化长度为：

[0097] ΔL＝LB-LA；

[0098] 此时导爆索张紧装置中的控制器将ΔL数值转化为相应的驱动电机转动圈数，控制收纳线筒卷起导爆索，使缠绕在线筒上的导爆索缩短相应长度，保持导线与导爆索的变形差值变为0，使导线与导爆索的间距恢复为设定值，完成调节。

[0099] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。