付金奇，韓軍杰，戴浩林，趙 昊，杜 君，朱昌進

（1.中國電力建設股份有限公司裝備事業(yè)部，北京 100048；2.武漢電力設備廠，湖北 武漢 430061）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)容量和輸電電壓等級相應提高，同時隨著工農業(yè)的發(fā)展，部分地區(qū)環(huán)境污染日趨嚴重，在霧霾、凝露、毛毛雨等不利氣象條件下，污穢絕緣子極易發(fā)生閃絡，給國民經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟損失[1]-[4]。20世紀90年代以來，我國電網(wǎng)防污閃研究工作取得了大幅進展：制定了一系列防污閃管理規(guī)定和技術政策，通過調整輸電設備爬距、開發(fā)應用RTV防污涂料等方法來減少污閃現(xiàn)象的發(fā)生，但污閃事故仍然時有發(fā)生。污閃事故輕則造成線路、變電站跳閘、停電，嚴重時會造成導線落地、電網(wǎng)解列、大面積大范圍災害性停電[5]。因此清除絕緣子表面的污穢物，對于防止絕緣子發(fā)生污閃事故，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全運行具有重要意義。

目前，絕緣子帶電清掃的方式主要有以下幾種：帶電水沖洗、帶電氣吹洗、帶電化學清洗和帶電機械干清掃等方法，但這些方法在不同程度上還存在一些不足[6]-[8]?；谶@種情況，武漢電力設備廠研制了一種用于220 kV變電站帶電環(huán)境下的干冰清洗機器人。

干冰清洗技術是將液態(tài)二氧化碳通過干冰制備機制成干冰顆?；蚋杀綁K，將干冰顆?；蚍綁K通過噴射清洗機與壓縮空氣混合噴射到被清洗物體表面，利用固體干冰顆?；蚣毞鄹咚龠\動產生的沖擊力，結合干冰本身的低溫特性以及升華所產生的熱力膨脹，使被清洗表面的結垢、油污、殘留雜質迅速被剝離清除，不會對被清洗物體特別是金屬表面造成任何傷害，由于其清洗效果好，并具有絕緣特性，非常適合于變電站絕緣子的清洗[9]-[12]。本文所研究的干冰清洗機器人基于干冰清洗技術，并設計了一套自動化裝置能夠實現(xiàn)變電站絕緣子的帶電清洗。

1 機器人的基本構造

1.1 總體結構及性能技術指標

干冰清洗機器人總體結構如下圖所示，機器人采用可自行走的履帶底盤，便于通過變電站內礫石路面。

圖1 干冰清洗機器人結構組成Fig.1 The structure of Dry ice blast cleaning Robot

干冰清洗裝置的主要技術指標如表1所示：

表1 干冰清洗裝置主要技術指標Tab.1 The main Technical indicators of Dry ice blast cleaning Robot

1.2 機械系統(tǒng)

帶電干冰清洗機器人的機械系統(tǒng)主要包含底盤、絕緣升降裝置、絕緣水平伸縮裝置、絕緣直線滑軌、絕緣齒圈裝置。履帶底盤實現(xiàn)了清洗機器人在變電站環(huán)境下的自由行走；升降裝置滿足了機器人清洗不同高度絕緣子的要求；水平伸縮裝置增大了機器人的清洗范圍，可實現(xiàn)一次定位，清洗多個絕緣子；絕緣直線滑軌簡化了絕緣子的清洗流程，使用時只要滑軌對準，即可實現(xiàn)絕緣子的清洗；絕緣齒圈帶動干冰噴嘴對絕緣子進行360°的清洗。

1.3 液壓系統(tǒng)

帶電干冰清洗機器人包含兩套液壓系統(tǒng)，其中一套液壓系統(tǒng)采用柴油發(fā)動機驅動，主要用于機器人的行走、支腿調平，其所采用的液壓油為常規(guī)的抗磨液壓油。另一套液壓系統(tǒng)為絕緣液壓系統(tǒng)，所采用的液壓油為10號變壓器油。此液壓系統(tǒng)主要用于控制剪叉機構升降，回轉臺回轉、伸縮臂伸縮、絕緣滑軌俯仰、左右擺動，及機械手腕的上下運動。為保證絕緣部件的絕緣效果，在變壓器油箱內設置了磁性顆粒過濾器，能過濾變壓器油中可能存在的鐵質磁性顆粒，保證變壓器油的絕緣效果。

1.4 氣動系統(tǒng)

由于該帶電干冰清洗機器人的大部分執(zhí)行機構布置于升降平臺上，而控制系統(tǒng)布置于履帶底盤上，控制裝置與執(zhí)行機構之間需要通過絕緣管道連接，若全部采用液壓執(zhí)行機構控制會帶來執(zhí)行機構重量相對較重、液壓管道直徑大、數(shù)量多，不利于絕緣管道的布置，在這種情況下，部分執(zhí)行機構采用了氣動元件推動，啟動元件具有重量輕，上機管道管徑小，有利于機構的布置。并且采用氣動系統(tǒng)能充分利用干冰噴射回路的冷干壓縮空氣，不用額外增加空氣壓縮設備。

1.5 電控系統(tǒng)

清洗機的控制系統(tǒng)主要采用人—機結合、手動—自動兼?zhèn)?、清洗過程全自動的控制方式?？紤]到現(xiàn)場使用環(huán)境的復雜性和高壓帶電環(huán)境的高度安全可靠性，在控制系統(tǒng)中采用了高精度、高可靠性的傳感元件和遠距離無線藍牙傳輸技術，實現(xiàn)非接觸式檢測、識別目標物和遠距離遙控操作。為了實現(xiàn)智能控制和結構緊湊的目的，采用了PLC系統(tǒng)來集中控制，從而使系統(tǒng)具備程序和邏輯控制功能并布局緊湊?？刂葡到y(tǒng)從功能劃分來講總體可以分為以下5個部分：（1）現(xiàn)場信號、位置采集、檢測系統(tǒng)；（2）點對點無線傳輸系統(tǒng)；（3）PLC控制系統(tǒng)；（4）遙控操作及指示、報警系統(tǒng)；（5）無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)，其控制原理如圖2所示。

1.6 上位機操控系統(tǒng)

干冰清洗機裝置采用一臺觸摸式平板電腦實現(xiàn)與設備的無線遙控操作，操作員能夠使用手指觸碰屏幕上的按鈕來選擇功能界面及操控設備動作。

圖2 無線控制原理Fig.2 Theory of wireless control

該系統(tǒng)功能主要分為3大部分：一是設備操作按鈕，二是信號實時顯示，三是故障診斷及記錄。圖3為人機界面的功能圖，操作人員能夠通過功能管理界面選擇需要的功能，設備信號顯示能夠以3D立體圖形顯示設備運行狀況。用戶能夠通過設備操作按鈕向設備發(fā)出動作指令。設備的實時故障及歷史故障記錄在故障診斷及記錄界面里。

圖3 人機界面系統(tǒng)功能圖Fig.3 HMI system Function diagram

干冰清洗機器人部分上位機操作畫面如圖4所示。

2 關鍵技術問題及解決方法

2.1 主體升降機構的設計

由于設備工作高度為2 m-8 m，并且為保證設備的安全高度，設備收回時最高高度不超過2.5 m。在設計階段，分別設計了多級油缸伸縮起升、剪叉起升等方案，通過綜合方案對比選擇了剪叉升降方案，該方案具有一個穩(wěn)固的頂部作業(yè)平臺，便于將小型干冰機、伸縮裝置布置于作業(yè)平臺上。

圖4 干冰清洗機器人操作畫面Fig.4 Dry ice blast cleaning Robot operating diagram

2.2 絕緣材料的選擇

機器人要求實現(xiàn)帶電清洗，則其主體設備必須滿足帶電作業(yè)的絕緣要求。絕緣要求主要有以下幾點：（1）在變電站內行走設備非絕緣結構高度不超過2.5 m；（2）工作時爬電絕緣距離不小于6 m；（3）為防止高壓電弧對機器人放電，機器人工作端必須采用絕緣材料。為同時滿足零部件的機械使用性能和絕緣性能是材料選擇的一個難點。為此，干冰清洗車大量地采用了絕緣材料，其中主體結構受力較大的部件采用玻纖增強型環(huán)氧樹脂。受力較小的部件采用了聚甲醛、尼龍66等材料。干冰清洗系統(tǒng)的噴嘴組件、回轉裝置均采用絕緣材料制作，同時對前端部分金屬件采用了圓弧型的屏蔽罩進行屏蔽，防止尖端放電。

2.3 絕緣伸縮臂的設計

伸縮臂的水平伸縮必須采用絕緣結構，以保證設備的絕緣距離。伸縮臂采用二級伸縮方式，伸縮臂分兩級伸出，絕緣臂的伸出采用液壓油缸驅動，為保證整體的絕緣性不被降低，在設計中采用了絕緣液壓缸。絕緣伸縮臂的結構如圖5所示：

圖5 絕緣伸縮臂結構Fig.5 The structure of Insulated telescopic arm

絕緣油缸的材料經(jīng)過了多次論證，初期分別提出了環(huán)氧樹脂增強玻纖、陶瓷等材料，但存在以下問題：環(huán)氧樹脂油缸制作精度不易保證，并且活塞桿伸出縮回過程中易產生磨粒[13]。陶瓷油缸存在成本過高問題。最終選擇采用POM材料制作油缸，在缸筒制作過程中，發(fā)生了缸筒脆裂現(xiàn)象，后改用進口的材料問題得以解決。經(jīng)過后續(xù)的油缸測試及整機測試，油液工作壓力達到6 MPa，油液采用黏度為10 cst變壓器油的工況下，整體使用性能良好，能夠完成相應的動作，但在活塞桿與周圍會發(fā)生滲油現(xiàn)象。分析其原因在于絕緣材料的活塞桿只能采用車削加工，不能采用磨削加工，故活塞桿表面加工精度不易達到密封要求。

2.4 直線滑軌的制作

為避免設備整體上下運動造成設備的晃動，本帶電干冰清洗機器人采用了直線滑軌式的設計。工作時，只需將絕緣滑軌與支柱絕緣子對準，然后機械手腕沿著絕緣滑軌做直線運動，不需要剪叉機構做整體的升降運動，可以降低設備工作時的抖動，增強工作時的可靠性。此外使用直線滑軌便于清洗各種角度的絕緣子，只需在使用前將絕緣滑軌與絕緣子軸線對準，之后升降機構即可鎖定，只驅動機械手腕沿滑軌做上下的直線運動，同時機械手腕自身做回轉運動，即可完成絕緣子自上而下的清洗。這種運動方式避免了目前國內其他研究機構制造的清洗裝置由于清洗需要整體升降機構運動而造成設備晃動大的問題[14]。另外，由于直線滑軌裝置固定于一個多自由度的回轉支承上，因而理論上能夠調整滑軌到任何角度，可以實現(xiàn)傾斜絕緣子的清洗，如變壓器套管，拓寬了設備的應用范圍。

圖6 直線滑軌的結構Fig.6 The structure of a linear slide

由于清洗設備是利用干燥的壓縮空氣攜帶干冰顆粒沖擊絕緣子表面來實現(xiàn)清洗效果，因而干冰顆粒須具備一定的動能。干冰在常溫下易發(fā)生氣

2.5 干冰清洗效果保障

化，若干冰管道輸送距離過長的話，干冰顆粒外形尺寸逐漸減小，當?shù)竭_噴嘴并從噴嘴中噴出時，干冰顆粒已經(jīng)完全氣化無法實現(xiàn)清洗功能。為此，采用小型輕質材料制作的干冰機，并將其布置于升降平臺上方跟隨升降平臺一起上升，減小高度落差保證干冰顆粒在噴嘴出口處具有足夠的動能。并且，干冰機布置于平臺上還有利于減小干冰輸送管道的長度，保證了從噴嘴噴出干冰顆粒的粒度，使干冰顆粒的清洗效果不發(fā)生衰減。

3 機器人的性能測試

3.1 電磁兼容實驗

電磁兼容實驗主要是對設備所采用的通訊方式及電子元器件進行檢驗，以確?？刂圃O備在變電站環(huán)境下運行的可靠性。在電磁兼容測試下分別進行了：靜電放電抗擾度、射頻電磁場敷設抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、射頻磁場感應的傳導騷擾抗擾度、工頻磁場抗擾度、脈沖磁場抗擾度、阻尼振蕩磁場抗擾度、電壓暫降抗擾度、傳導騷擾、敷設騷擾的測試。電控設備在上述各種干擾下均能夠正常工作。

帶電干冰清洗機器人控制系統(tǒng)的電磁兼容實驗結果如表2所示。

表2 干冰清洗機器人電磁兼容實驗結果Tab.2 Electromagnetic Compatibility Experiment Results of Dry ice blast cleaning Robot

3.2 整機泄露電流及工頻耐壓實驗

按文獻[15,16]的相關要求，分別對機器人在8 m工作狀態(tài)和4 m工作狀態(tài)進行了測試（如圖7），測試電壓為450 kV/min，實驗結果如表3所示。

圖7 整機的泄露電流和耐壓實驗Fig.7 Leakage current and frequency withstand voltage test of the equipment

表3 泄漏電流及工頻耐壓實驗結果Tab.3 Leakage current and frequency withstand voltage test results

3.3 變電站帶電清洗實驗

設備通過了電磁兼容實驗及泄漏電流和耐壓實驗后，進行了各種環(huán)境下的現(xiàn)場帶電作業(yè)實驗。干冰清洗機器人分別進行了東莞某110 kV變電站的干冰清洗作業(yè)、漢南地區(qū)某220 kV變電站干冰清洗作業(yè)、韶關某220 kV變電站電流互感器清洗實驗、某實訓基地的變壓器套管的帶電清洗實驗。

為了拓寬設備的清洗范圍，機器人的干冰噴嘴采用了可拆卸式設計，當需要人工清洗變電站變壓器風扇等其他附屬設施時，只需將干冰噴嘴從機械手腕上拆下，由人工手持對變壓器風扇等設備進行清洗，如圖10所示：

圖8 110/220 kV支柱絕緣子清洗實驗Fig.8 110/220 kV Pillar Insulator Cleaning Experiment

圖9 電流互感器和變壓器套管的清洗實驗Fig.9 Cleaning test of current transformer and transformer casing

圖10 變壓器風扇清洗實驗Fig.10 Cleaning test transformer’s fan

4 結論

（1）本文介紹的干冰清洗機器人首次采用了非接觸清洗方式，避免了之前某些設備采用接觸式清洗所帶來的主體設備晃動問題。

（2）該機器人采用了絕緣直線滑軌的清洗方式，并且滑軌可做左右及俯仰運動，因而能夠適應各種角度的絕緣子的清洗，極大地拓寬了帶電干冰作業(yè)清洗車的應用范圍。此外，由于其采用的是干冰噴射清洗技術，在干冰清洗車收縮到位后，可由人工手持干冰噴槍對變電站內的其他設備，如變壓器風扇等設備的清洗，可以實現(xiàn)一機多用。

（3）本項目所采用的絕緣液壓缸為雙作用式液壓缸，制作簡單，成本低，成功地解決了絕緣環(huán)境下的水平伸縮機構的制作難題。該絕緣液壓缸在多個高壓帶電的環(huán)境下進行了作業(yè)測試，均能可靠地完成指定動作，滿足了設備的使用要求。同時該技術也可推廣到其他行業(yè)加以應用。

（4）機器人采用了干冰機上置方案，避免了干冰顆粒在管道內的長距離輸送，有效地保證了干冰的清洗效果。

（5）本文所采用的光纖傳感器可靠地保證了帶電環(huán)境下的絕緣要求。

（6）此干冰清洗設備的整體絕緣結構符合220 kV變電站使用要求，整體絕緣性能良好，耐壓實驗及泄露電流實驗合格，表明該設備的絕緣結構設計合理，能為其他帶電作業(yè)設備提供參考借鑒。

（7）此設備采用遙控操作，表明在變電站環(huán)境下通過WIFI及無線藍牙技術進行信號傳輸是可靠的。

（8）經(jīng)過多次對變電站的清洗實驗，也暴露了樣機的一些缺陷，其主要問題是結構過大，如何將結構輕型化、小型化是下一步研究的方向。

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