礦區(qū)6kV~110kV架空輸電線 絕緣包覆作業(yè)機器人運動控制研究

趙永清

摘 要：礦區(qū)輸電線路是電網(wǎng)設(shè)備的重要組成部分，其生產(chǎn)運行的安全性與可靠性會對整個電網(wǎng)安全與穩(wěn)定運行產(chǎn)生直接影響，特別是對于礦區(qū)架空輸電線路而言，其導(dǎo)線表面與絞線縫隙之間容易出現(xiàn)污垢雜物的積聚，導(dǎo)致意外跳閘等事故發(fā)生，為提高安全性，必須進行礦區(qū)架空輸電線路的絕緣改造。文章基于對礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線線路結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計絕緣包覆作業(yè)機器人方案，并對其運動控制系統(tǒng)進行詳細(xì)研究，實驗結(jié)果表明，該機器人可以3m/min的速度進行絕緣包覆作業(yè)，絕緣涂料可均勻包覆導(dǎo)線，無露點與流掛現(xiàn)象，可為礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線路絕緣化提供可參考的解決方案。

關(guān)鍵詞：架空輸電線;絕緣包覆;機器人;運動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TM726.3;TP242.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0093-04

Research on Motion Control of Insulation Coating Robot for 6kV～110kV Overhead Transmission Line in Mining Area

Zhao Yongqing

（Power Supply Center of Shendong Coal Branch， China Shenhua Energy Co.， Ltd.， Shenmu 719315， China）

Abstract：Orefield power transmission line is an important constituent part of power grid equipment， its security and reliability of production run can make a direct influence on the power grid safe and sTab operation. Especially for orefield overhead transmission line， dirt sundry can gather between wire surface and stranded wire slot easily， it will make accidental tripping happened. In order to enhance security， it is necessary to make an insulation transformation for orefield overhead transmission line. On the basis of orefield 6kV～110kV overhead transmission line structure analysis， the paper designs insulation covering operation robot scheme， and researches its motion control system detailedly. The test results show that robot can do insulation coating operation with 3m/min speed， and the insulating paint can cladding the wire equably， there is no dew point and sagging phenomenon， it can provide reference solution for orefield 6kV～110kV overhead transmission line insulation.

Key words：overhead transmission line ; insulation coating ; robot ; motion control system

電力系統(tǒng)通常包括發(fā)電廠、輸電線路、變電站、配電設(shè)備與用戶5個部分[1]，其中，輸電線路是其重要組成內(nèi)容，在我國各地均有分布，源源不斷地將電能向工廠、礦山、城鄉(xiāng)輸送?；谳旊娋€路的支持，電能才可到達各級變電站與負(fù)荷中心，并逐步向家用電器、電機等輸送。對于國民經(jīng)濟發(fā)展與城鄉(xiāng)人民生活而言，輸電線路的安全穩(wěn)定十分重要。

隨著配電網(wǎng)的迅速發(fā)展，礦區(qū)配電規(guī)模也不斷擴大，但其輸電線路路徑復(fù)雜、運行環(huán)境惡劣，長期在野外暴露，容易遭受碰線等外力破壞與雷擊等自然破壞，導(dǎo)致供電中斷，對電網(wǎng)的安全可靠運行產(chǎn)生負(fù)面影響。實施架空導(dǎo)線絕緣化，能解決裸導(dǎo)線腐蝕速度快、使用年限短、抵御外破能力弱等問題，亦能減少線路維護支出，達到減人增效、提高線路安全經(jīng)濟運行水平的目的?，F(xiàn)階段，礦區(qū)架空輸電線路絕緣化改造方式通常為將絕緣導(dǎo)線更換，這既要求進行新桿塔的架設(shè)，又需較長的停電時間，不僅工程量大，投資成本高，施工也不方便。采用噴涂的方式為架空裸導(dǎo)線包覆絕緣涂料，省時、省力且省錢，技術(shù)途徑可行。架空輸電線絕緣包覆作業(yè)機器人項目是將裸線形式的架空線路作為對象，將架空輸電線自動絕緣包覆作為目標(biāo)，基于當(dāng)前研究所做的線路絕緣包覆工藝優(yōu)化，屬于采用噴涂形式包覆絕緣涂料的一種技術(shù)創(chuàng)新。文章以礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線為對象，對線路上絕緣包覆作業(yè)機器人的設(shè)計及其運動控制展開研究。

1 礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線線路結(jié)構(gòu)

絕緣包覆機器人的工作目標(biāo)與任務(wù)明確，即對輸電線進行完全絕緣的油漆作業(yè)[2]。礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線線路的原材料、工藝技術(shù)、超結(jié)構(gòu)化對象、電線與配件、外形尺寸以及安裝位置等均有嚴(yán)格的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其絕緣包覆作業(yè)須在礦區(qū)的自然環(huán)境下完成，必須對礦區(qū)的地理位置以及氣候等長短期因素進行綜合把握，這使其面臨很多復(fù)雜性與不確定性。所以，絕緣包覆作業(yè)機器人的設(shè)計需考慮礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線線路的復(fù)雜環(huán)境。

發(fā)電機發(fā)出電能之后，變壓器會將電壓升高，之后，電能會經(jīng)站內(nèi)接斷路器、刀閘等開關(guān)設(shè)備接入至輸電網(wǎng)絡(luò)，這一過程即電能的輸送過程[3]。

以輸電線的本征形式結(jié)構(gòu)為劃分依據(jù)，架空輸電線有架空輸電線路與電纜線路2種類型，前者包括桿塔、導(dǎo)線、絕緣子、線路金具、拉線、桿塔基礎(chǔ)及接地裝置等，在地面上架設(shè)，在輸電網(wǎng)絡(luò)中不可或缺;后者主要在地下進行電纜的敷設(shè)，通常含隧道、排管、拖管等形式?；诩茉O(shè)方便且迅速、維修便捷、成本小等優(yōu)點，架空輸電線路的應(yīng)用更加廣泛，但其缺點也不容忽視，如容易受到雷擊等環(huán)境因素的影響、易出現(xiàn)故障、電磁干擾嚴(yán)重等[4]。而電纜線路雖然不會出現(xiàn)架空輸電線路的故障，但其成本很高，當(dāng)有故障出現(xiàn)時不便于維修，故我國礦區(qū)6kV～110kV輸電網(wǎng)現(xiàn)仍以架空線路為主，電纜通常應(yīng)用在不方便進行架空線路架設(shè)的一些區(qū)域。因此，文章將礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線路作為研究對象。

2 絕緣包覆作業(yè)機器人方案設(shè)計

架空輸電線絕緣包覆作業(yè)機器人是智能化設(shè)備，主要包括機器人行走機構(gòu)、絕緣材料供應(yīng)系統(tǒng)、動力電池、絕緣包覆機構(gòu)與機器人運動控制系統(tǒng)等模塊。絕緣包覆作業(yè)機器人在直接架設(shè)的架空輸電裸導(dǎo)線上施工，在架空線纜上進行絕緣涂料的均勻包覆。此項作業(yè)能夠?qū)⑤旊娐銓?dǎo)線改造為絕緣導(dǎo)線，達到線路全部絕緣的目的，保證礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線電能傳輸?shù)陌踩浴＞鶆虬驳慕^緣材料專門為架空輸電線的絕緣保護設(shè)計，能夠在很短時間內(nèi)施工并在正常的氣候條件下快速固化，外觀良好，絕緣、耐UV、機械耐磨、耐熱與防水漆透過等性能優(yōu)異。圖1所示為架空輸電線絕緣包覆作業(yè)機器人的整體結(jié)構(gòu)示意。

2.1 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)是絕緣包覆作業(yè)機器人的重要技術(shù)之一。是機器人沿著礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線行走的動力機構(gòu)，包括直流無刷電機、橡膠滾輪、同步帶輪與同步帶。直流無刷電機對橡膠滾輪進行驅(qū)動，產(chǎn)生沿輸電線行走的動力;橡膠滾輪之間用同步帶輪與同步帶鏈接起來。圖2所示為機器人的行走機構(gòu)示意。

2.2 材料供應(yīng)系統(tǒng)

絕緣材料供應(yīng)系統(tǒng)水平懸掛在機器人行走機構(gòu)的正下方位置，主要包括獨立的柱塞式涂料桶、直流伺服電機、電動推桿、導(dǎo)管、絕緣包覆頭與涂料。柱塞式涂料桶是絕緣材料的載體，在材料供應(yīng)系統(tǒng)的前端位置固定。在工作狀態(tài)下，直流伺服電機會對電動推桿產(chǎn)生驅(qū)動作用，使其推動柱塞式涂料桶底部的活塞，進一步地，涂料在活塞的擠壓之下由前端出口流出，沿著導(dǎo)管進入絕緣包覆頭。圖3所示為機器人材料供應(yīng)系統(tǒng)示意。

2.3 動力電池

絕緣包覆作業(yè)機器人本體有很大重量，故其動力電池采用小電池定時更換的模式[5]。礦區(qū)環(huán)境復(fù)雜，線路垂弧不一，在自絕緣包覆作業(yè)環(huán)節(jié)多次更換電池很不便利，故采用在6kV～110kV架空輸電線路上感應(yīng)取電的模式。

采電線圈是架空輸電線路感應(yīng)取電電源裝置的主要設(shè)備，功能在于將架空輸電線路周圍的電磁能轉(zhuǎn)化為絕緣包覆作業(yè)機器人動力電池的電能。在感應(yīng)取電時，將采電線圈套于架空輸電線路上，利用電磁感應(yīng)原理令架空輸電線周圍的電磁能轉(zhuǎn)化為電能輸出，輸出的能量是交變電流形式的，可經(jīng)橋式整流電路變?yōu)橹绷麟?，對絕緣包覆作業(yè)機器人供電。

2.4 絕緣包覆機構(gòu)

絕緣包覆機構(gòu)在輸電線線纜上扣合，扣合結(jié)構(gòu)采用對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)中心同架空的輸電線線纜相契合，將支撐與導(dǎo)向作用發(fā)揮出來。為了確保包覆的絕緣涂料有一定的厚度，需要在絕緣包覆頭的出口與輸電線攬之間設(shè)定相應(yīng)的距離。在掛鉤的連接作用下，絕緣包覆頭實現(xiàn)同機器人行走機構(gòu)的連接。圖4所示為機器人絕緣包覆頭示意。

2.5 運動控制系統(tǒng)

絕緣包覆作業(yè)機器人需應(yīng)對礦區(qū)復(fù)雜且特殊的工作環(huán)境，具備自主控制與接受地面控制中心遠程控制功能，保證在任何時刻均能安全與可靠工作。

絕緣包覆作業(yè)機器人沿架空輸電線行走，其運動控制系統(tǒng)以雙向信號傳輸為主導(dǎo)，機器人向地面基站發(fā)送線路規(guī)劃、信號燈等數(shù)據(jù);當(dāng)遇到特殊情況導(dǎo)致機器人無法自行將困難克服時，地面基站人工調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，對機器人進行遠程操控。環(huán)境溫度、濕度、強磁域以及礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線等均是運動控制系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的因素。

3 絕緣包覆作業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件

絕緣包覆作業(yè)機器人運動控制系統(tǒng)是雙控制系統(tǒng)，分別設(shè)置STM32芯片與ARM芯片，其中，STM32芯片采用UCOS系統(tǒng)，主要功能為控制機器人運動、采集傳感器數(shù)據(jù)、實現(xiàn)云臺控制;ARM芯片采用Linux系統(tǒng)，在4G無線路由器的支持下同地面控制中心進行通信，實現(xiàn)對機器人的遠程控制、信息采集、圖片與視頻傳輸?shù)取榱吮苊鈾C器人出現(xiàn)故障，STM32芯片與ARM芯片經(jīng)串口通信，通信頻率為0.1s。若STM32芯片有故障發(fā)生，ARM芯片可對其進行重啟，而若ARM芯片有故障發(fā)生，STM32芯片同樣能將ARM芯片重啟，該方案可保證機器人作業(yè)的可靠性與穩(wěn)定性。

機器人控制單元包括速度采集與控制、方向控制等。根據(jù)壓力傳感器采集到的壓力值，機器人主控板可通過相關(guān)的算法對運行位置及速度進行自動調(diào)整，使機器人沿架空輸電線平穩(wěn)運行。傳感器用于外部環(huán)境與機器人運動狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集，為機器人的狀態(tài)調(diào)整及運動控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，機器人本體還配有三軸高清維穩(wěn)云臺，能夠?qū)L(fēng)、桿塔等的振動影響削弱，保證云臺穩(wěn)定性與圖片、視頻采集質(zhì)量。

3.2 地面控制中心軟件

絕緣包覆作業(yè)機器人地面控制中心軟件通過無線串口同機器人建立通信，遠程監(jiān)督與控制機器人操作，并進行圖片的采集，顯示監(jiān)控狀態(tài)。一方面，工作人可以控制機器人，使其沿著架空輸電線行走，并對線路走廊進行實時查看，借助圖像傳輸模塊，地面控制中心還可將高清云臺采集到的輸電線線路、機器人絕緣包覆作業(yè)照片與視頻保存至手持終端，為作業(yè)人員查看與記錄留存提供便利;另一方面，地面控制中心還可對各類傳感器的工作狀態(tài)、GPS定位坐標(biāo)、電池電量等信息進行查看。

地面控制中心軟件包括機器人遠程操控、接收機器人作業(yè)狀態(tài)信息、視頻云臺操作[8]3個功能模塊（圖5）。利用上位機，工作人員可遠程操控絕緣包覆作業(yè)機器人，控制其前進、后退、啟停等，同時，接收機器人作業(yè)狀態(tài)信息，對無線串口接收到的命令進行讀取，遵循通信協(xié)議規(guī)定解析所接受的命令參數(shù)，讀取傳感器工作狀態(tài)以及GPS坐標(biāo)、電量信息等，實時將相關(guān)參數(shù)顯示于界面之上。

除此之外，地面控制中心軟件還能夠?qū)崟r查看機器人所攜帶的云臺攝像頭采集并回傳的照片與視頻，并經(jīng)相應(yīng)的按鈕設(shè)置控制高清云臺。

4 試驗驗證

基于地面控制中心軟件的控制，測試本文所設(shè)計的架空輸電線絕緣包覆作業(yè)機器人工作性能。所用絕緣包覆材料為3M的526單組份絕緣涂料，零距離耐壓大于6kV/mm，當(dāng)與空氣相遇時會發(fā)生固化反應(yīng)，表面固化時間大約為30～40min，具備強度時間大約為4h;機器人前進速度為3m/min，運行情況平穩(wěn)且穩(wěn)定，絕緣涂料的擠出率大約為330mL/min，包覆作業(yè)之后，導(dǎo)線有比較均勻的包覆厚度，波動范圍大致控制于2.5～3mm，沒有露點與流掛現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié)語

出于對現(xiàn)階段礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線路絕緣改造客觀需求的考慮，以對線路結(jié)構(gòu)的把握為基礎(chǔ)，進行絕緣包覆架空作業(yè)機器人的設(shè)計。通過地面控制中心軟件的操控，對實際礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線路進行測試，所得結(jié)果顯示，絕緣包覆作業(yè)機器人有相對平穩(wěn)的行進速度與絕緣涂料擠出速率，機器人控制系統(tǒng)的可靠性較好，能夠有效實現(xiàn)礦區(qū)6kV～110kV架空輸電線路絕緣改造目標(biāo)。

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