何 宇，王 棟，王 鑫，寇 璽，李繼紅

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

我國(guó)的超高壓輸電線路已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的階段，送電負(fù)荷越來(lái)越大，線路若有故障將會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。因此，對(duì)輸電線路進(jìn)行維修保護(hù)已經(jīng)成為全國(guó)電力系統(tǒng)的一項(xiàng)非常重要的工作內(nèi)容。對(duì)絕緣子串巡視檢查和檢查耐張壓接管是否存在發(fā)熱現(xiàn)象，已經(jīng)成為輸電線路日常運(yùn)檢的重要工作，需要工作人員登塔逐一檢修。特高壓輸電線路由于電壓等級(jí)高、桿塔高度高，運(yùn)維檢修人員登塔體能消耗大，易發(fā)生虛脫情況，工作量大，工作效率低，且存在觸電、墜落等安全隱患[1-3]。

防墜落軌道是目前超高壓桿塔建造時(shí)為防止登塔人員意外墜落而沿桿塔設(shè)置的一種T 型鋼軌道。目前，它的作用僅限于為登塔人員懸掛安全繩，為其加設(shè)一道保護(hù)，實(shí)現(xiàn)安全閉環(huán)保護(hù)，但仍不能減輕操作人員的工作強(qiáng)度，且存在工作人員桿塔攀爬過(guò)程中易卡死等問(wèn)題。

1 課題背景

1.1 課題研究意義

根據(jù)近年來(lái)電力系統(tǒng)特高壓輸電線路狀況，以滿足檢修工作實(shí)際需要為目的，研發(fā)主要針對(duì)特高壓輸電線路絕緣子及絕緣子串的各種缺陷及耐張線夾壓接管發(fā)熱等問(wèn)題，解決因近年惡劣天氣明顯增多造成線路故障跳閘等故障。為確保運(yùn)行人員安全和能夠快速查找出故障點(diǎn)，采用機(jī)器人自行登塔巡視顯得十分必要。輸電線路故障占份額最大的是雷擊故障[4]。特高壓線路桿塔相對(duì)較高，故障點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn)，必須人員登塔進(jìn)行查找故障點(diǎn)。由于氣候條件惡劣，存在登塔運(yùn)行人員安全隱患。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)于代替人進(jìn)行登塔作業(yè)的機(jī)器人已有一些研究成果。經(jīng)過(guò)大量檢索對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鐵塔攀爬機(jī)器人種類繁多，主要有硬梯攀爬機(jī)器人、水泥桿攀爬機(jī)器人等，但由于體積和重量的原因[5]，目前并未投入實(shí)際生產(chǎn)。

2 研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

本文研發(fā)了一套有針對(duì)性的利用已加裝的防墜落軌道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)登塔和對(duì)絕緣子、壓接管可靠性進(jìn)行檢測(cè)的特高壓輸電線路巡視輔助檢修機(jī)器人。它可提高供電可靠性，減輕一線員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。作業(yè)過(guò)程中不需要設(shè)備停電，作業(yè)人員通過(guò)地面操作平臺(tái)完成對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)操控完成作業(yè)。在特殊惡劣天氣情況下，它不需要人員登塔檢查作業(yè)，可提高檢修的安全性和作業(yè)效率。

2.2 研究?jī)?nèi)容

總結(jié)我國(guó)750 kV 超高壓線路帶電作業(yè)和運(yùn)維檢修的現(xiàn)有成熟經(jīng)驗(yàn)，引用750 kV 輸變電工程關(guān)鍵技術(shù)研究成果，結(jié)合750 kV 輸電線路桿塔、金具、絕緣子串的技術(shù)條件與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析計(jì)算合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在750 kV 特高壓輸電線路桿塔的防墜落軌道上能垂直、水平行走的機(jī)器人到達(dá)工作位置后，可見(jiàn)光成像設(shè)備和紅外成像設(shè)備能全方向由地面操作人員調(diào)整以對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集目標(biāo)，并能將采集的數(shù)據(jù)傳輸至地面。

3 機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人機(jī)械方案的研究

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機(jī)器人由主體、垂直行走部分、水平行走、動(dòng)力系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提及通信系統(tǒng)7 部分組成，整體結(jié)構(gòu)采用履帶式的行走底盤(pán)、蜘蛛臂式的支撐結(jié)構(gòu)、雙副剪叉臂多處鉸接點(diǎn)的過(guò)約束配合剪叉臂、可沉降的圍欄防護(hù)等[6]。整體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)可靠，操作簡(jiǎn)單，通過(guò)性強(qiáng)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端遙控自行走。

機(jī)器人利用防墜落軌道的T 型鋼[7]，卡在防墜落軌道的T 型材兩側(cè)，壓緊支撐輪使行走皮帶與T 型材的平面產(chǎn)生足夠的滾動(dòng)摩擦力，實(shí)現(xiàn)在防墜落軌道上的行走，從而達(dá)到機(jī)器人登塔的目標(biāo)。

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機(jī)器人采用特種橡膠履帶底盤(pán)結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)各種地面，如草坪、沙石地、水泥地面等，實(shí)現(xiàn)全地形無(wú)障礙行走功能[8]。實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)部分采用非金屬絕緣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，相關(guān)材料符合GB13398 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證絕緣安全裕度。

3.2 機(jī)器人控制方案的研究

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機(jī)器人的控制系統(tǒng)由圖像采集系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩大部分組成。

3.2.1 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)構(gòu)成如下[9]：①一個(gè)高清可見(jiàn)光攝像頭，實(shí)現(xiàn)高清圖像采集；②一個(gè)熱成像攝像頭，實(shí)現(xiàn)熱成像圖像采集；③一個(gè)控制云臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高清可見(jiàn)光攝像頭和熱成像攝像頭運(yùn)動(dòng)控制；④兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)攝像頭，實(shí)時(shí)圖像采集機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)位置的圖像；⑤一個(gè)圖像交換機(jī)，將四路攝像頭圖像信號(hào)和控制信號(hào)合并網(wǎng)絡(luò)通信；⑥兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)橋，一個(gè)接入圖像交換機(jī)，一個(gè)接入顯示和控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)和計(jì)算機(jī)的無(wú)線通信；⑦一個(gè)顯示和控制計(jì)算機(jī)，配備專用軟件，顯示熱成像圖像，顯示熱成像圖像中的高低溫度，顯示高清圖像，顯示機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)位置的圖像，并可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)圖像。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成如下[10]：①11路電機(jī)控制搖桿，產(chǎn)生相應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的信號(hào)；②搖桿信號(hào)讀取和無(wú)線信號(hào)通信板，基于無(wú)線收發(fā)芯片nRF1024 和STc51系列芯片為主的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)搖桿信號(hào)讀取和控制信號(hào)的無(wú)線通信；③多路繼電器控制信號(hào)和無(wú)線信號(hào)通信板，基于無(wú)線收發(fā)芯片nRF1024 和STc51 系列芯片為主的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多路繼電器控制和控制信號(hào)的無(wú)線通信；④多路繼電器板，控制11 路電機(jī)的動(dòng)作。

4 結(jié) 論

特高壓輸電線路巡視輔助檢修機(jī)器人采用全地形剪叉式絕緣檢修平臺(tái)，應(yīng)用前景非常廣闊。由于產(chǎn)品簡(jiǎn)便、易操作，檢修人員能夠非?？焖俚卣莆照_的使用方法，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)檢修的工作步驟，不僅能快速提高檢修效率，而且可以大幅度提升檢修工作的安全可靠性。它利用已加裝的防墜落軌道，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)登塔和對(duì)絕緣子、壓接管可靠性的檢測(cè)，提高了供電可靠性，減輕了一線員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。在惡劣天氣下，它仍可完成檢測(cè)任務(wù)，降低了人員登塔的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，特高壓輸電線路巡視輔助檢修機(jī)器人可以屏蔽高壓電場(chǎng)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的干擾，且具備在惡劣天氣進(jìn)行運(yùn)維檢測(cè)的能力，支持實(shí)時(shí)監(jiān)控桿塔絕緣子串、金具、壓接管的實(shí)時(shí)情況與溫度變化情況，并將采集的數(shù)據(jù)輸送至地面，由地面接收并貯存，以便于后期技術(shù)人員快速分析找出故障點(diǎn)，極大地減輕運(yùn)維檢修人員對(duì)桿塔的運(yùn)行巡視工作，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)輸電線路的信息化和現(xiàn)代化的科學(xué)管理。