电力系统地电位螺栓智能紧固器的研制

时间：2024-07-28

欧传刚，吴志成，金浩，朱鹏，徐志科，金龙

(1.东南大学电气工程学院，江苏南京 210096；2.国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建泉州 362000)

电力系统地电位螺栓智能紧固器的研制

欧传刚1，吴志成2，金浩1，朱鹏1，徐志科1，金龙1

(1.东南大学电气工程学院，江苏南京 210096；2.国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建泉州 362000)

针对传统螺栓紧固器存在的扭力损耗和不够智能等问题，介绍了新研制的一种遥控智能螺栓紧固器，阐述了该紧固器的组成模块及其工作原理，为电力安全生产提供了一种安全智能的新工具。

螺栓紧固器；智能；无线模块；语音播报

在电力生产中，对跳线引流板等导线侧金具螺栓的紧固和紧固情况的检测需要通过笨重的专用工具，致使作业人员劳动强度大、效率低，作业危险性高；特别是等电位紧固引流设备的松动发热螺栓时，存在较高的安全风险。为解决这个问题研制了一种智能螺栓紧固器，它可预设扭矩，实时监测扭矩大小，实现地电位紧固或检测输电线路带电侧螺栓，避免工作人员在线作业带来的危险，同时降低了劳动强度，提高了生产效率。

1 螺栓紧固器简介

1.1 传统紧固器

现阶段螺栓紧固器采用的技术有语音播报技术、无线控制技术和扭矩实时检测技术。然而采用这些技术的螺栓紧固器主要用于机械行业，在电力行业中还未实现应用。

电力行业中使用的传统电动螺栓紧固器外形与结构分别如图1，2所示。该电动螺栓紧固器电动操作杆、电动控制装置安装在操作杆头部(见图2最左侧)，通过绝缘承轴配合，将动力传输到操作杆尾部，实现操作杆尾部电动旋转。采用这种结构的装置能够实现对地电位螺栓的远距离操作，操作者不需要靠近铁塔即可完成整个操作。但这种结构存在如下问题：

(1) 螺栓紧固器主体在操作者手中，借助于绝缘杆将扭矩传输到前端螺栓，会造成扭矩损耗，同时绝缘杆的设计也过于复杂；

(2) 螺栓是否紧固主要依靠操作者的经验来判断，不能够直观了解到螺栓是否拧紧。

图1 传统电动螺栓紧固器外形

图2 传统电动螺栓紧固器结构

1.2 遥控智能螺栓紧固器

针对传统的电动螺栓紧固器存在的一些问题设计了遥控智能螺栓紧固器。该紧固器结构如图3所示，主要组成部件包括遥控器、绝缘杆、可更换螺栓套筒、紧固器主体、锂电池。

在实际使用中，遥控器在操作者手上，该螺栓紧固器主体由绝缘杆送入工作位置。绝缘杆通过螺纹连接口和螺栓紧固器连接在一起，并可根据需要加长。与传统的方法相比，该方法可避免扭力的浪费，同时也可使得扭力的测量更加准确，还能通过语音播报螺栓的紧固程度，更加智能化。遥控智能螺栓紧固器实物如图4所示。

图3 遥控智能螺栓紧固器结构

图4 遥控智能螺栓紧固器实物

2 遥控智能螺栓紧固器功能原理

遥控智能螺栓紧固器主要由无线模块、直流电机模块、数据转换模块、ARM主芯片数据处理模块、SD卡模块、音频播放模块等组成(见图5)。

设备中的无线模块采用SC2262-IR芯片。这是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编码电路。现场操作时，不需要接触到现场的带电装置，按下遥控器的发射按钮，即可对直流电机端的无线接收模块控制继电器发出指令，使电机正反转动，达到远程控制紧固器的目的。

直流电机的电磁转矩如下:

式(1)中， CT=pN/2πa，与电机构造有关，对已制成的电机是一个常数；磁通Φ与电压有关，该螺栓紧固器采用12 V锂电池供电，可将Φ视为常数。由此得出：该螺栓紧固器的电磁转矩TM∝Ia，因此只需要采集电机的电流即可反映转矩的大小。然而由于A/D数据采集系统只能采集电压值，所以必须将电流转化为电压。在设备中采用TBC06DS电流传感器实现此功能，该传感器输出电压与电流的关系如下：

ARM芯片的A/D数据采集系统只能采集0～3.3 V的电压，电压过大会烧坏芯片。所以，在A/D采集前添加一个运放电路，以减小电压，见式(3)：

采取上述方法可测量更多的电压值，ARM主芯片可采集更多数据，使得设备更加完善。

图5 智能螺栓紧固器系统组成

微处理器采用的ARM主芯片是LPC1768芯片，可将A/D采集的数据和预设扭矩值进行比较。当采集的数据大于预设扭矩值时，ARM通过I2C总线读取SD卡内预存的语音，并把音频信息转化后通过D/A输出。外设电路则通过功放来驱动喇叭，播放音频，提示工作人员停止紧固。