何 宇，王 棟，王 鑫，寇 璽，李繼紅

（國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

我國的超高壓輸電線路已經(jīng)進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的階段，送電負(fù)荷越來越大，線路若有故障將會對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。因此，對輸電線路進(jìn)行維修保護(hù)已經(jīng)成為全國電力系統(tǒng)的一項非常重要的工作內(nèi)容。對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程中易卡死等問題。

1 課題背景

1.1 課題研究意義

根據(jù)近年來電力系統(tǒng)特高壓輸電線路狀況，以滿足檢修工作實際需要為目的，研發(fā)主要針對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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，對于代替人進(jìn)行登塔作業(yè)的機(jī)器人已有一些研究成果。經(jīng)過大量檢索對比發(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]，目前并未投入實際生產(chǎn)。

2 研究目標(biāo)和研究內(nèi)容

2.1 研究目標(biāo)

本文研發(fā)了一套有針對性的利用已加裝的防墜落軌道實現(xiàn)自動登塔和對絕緣子、壓接管可靠性進(jìn)行檢測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強(qiáng)度，提高工作效率。作業(yè)過程中不需要設(shè)備停電，作業(yè)人員通過地面操作平臺完成對機(jī)器人的實時操控完成作業(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 研究內(nèi)容

總結(jié)我國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，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)，分析計算合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以實現(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

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、蜘蛛臂式的支撐結(jié)構(gòu)、雙副剪叉臂多處鉸接點(diǎn)的過約束配合剪叉臂、可沉降的圍欄防護(hù)等[6]。整體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)可靠，操作簡單，通過性強(qiáng)，并可實現(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)生足夠的滾動摩擦力，實現(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，實現(xiàn)全地形無障礙行走功能[8]。實現(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]：①一個高清可見光攝像頭，實現(xiàn)高清圖像采集；②一個熱成像攝像頭，實現(xiàn)熱成像圖像采集；③一個控制云臺，實現(xiàn)高清可見光攝像頭和熱成像攝像頭運(yùn)動控制；④兩個運(yùn)動狀態(tài)檢測攝像頭，實時圖像采集機(jī)械裝置運(yùn)動位置的圖像；⑤一個圖像交換機(jī)，將四路攝像頭圖像信號和控制信號合并網(wǎng)絡(luò)通信；⑥兩個無線網(wǎng)橋，一個接入圖像交換機(jī)，一個接入顯示和控制計算機(jī)，實現(xiàn)交換機(jī)和計算機(jī)的無線通信；⑦一個顯示和控制計算機(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)動位置的圖像，并可實時存儲圖像。

3.2.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)

運(yùn)動控制系統(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)動控制的信號；②搖桿信號讀取和無線信號通信板，基于無線收發(fā)芯片nRF1024 和STc51系列芯片為主的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)搖桿信號讀取和控制信號的無線通信；③多路繼電器控制信號和無線信號通信板，基于無線收發(fā)芯片nRF1024 和STc51 系列芯片為主的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多路繼電器控制和控制信號的無線通信；④多路繼電器板，控制11 路電機(jī)的動作。

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，應(yīng)用前景非常廣闊。由于產(chǎn)品簡便、易操作，檢修人員能夠非?？焖俚卣莆照_的使用方法，簡化現(xiàn)場檢修的工作步驟，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，實現(xiàn)自動登塔和對絕緣子、壓接管可靠性的檢測，提高了供電可靠性，減輕了一線員工的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。在惡劣天氣下，它仍可完成檢測任務(wù)，降低了人員登塔的風(fēng)險隱患。

實驗結(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對機(jī)器人控制系統(tǒng)的干擾，且具備在惡劣天氣進(jìn)行運(yùn)維檢測的能力，支持實時監(jiān)控桿塔絕緣子串、金具、壓接管的實時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)維檢修人員對桿塔的運(yùn)行巡視工作，可及時發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷位置，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)輸電線路的信息化和現(xiàn)代化的科學(xué)管理。