李 鵬，蘇建軍，王 剛，張勝軍，許永盛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

架空線路是電力傳輸?shù)闹饕问街?，我國架空線路分布廣、長度長，線路環(huán)境復(fù)雜，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響供電系統(tǒng)的可靠性。配電網(wǎng)架空線裸導(dǎo)線高度低，容易與樹木、建筑物等接觸造成短路；沿海等高腐蝕區(qū)域和高污染區(qū)域的架空線路導(dǎo)線腐蝕快，應(yīng)用年限短，急需采取導(dǎo)線防腐措施；裸線形式的架空線路，長期工作后，導(dǎo)線表面和絞線縫隙之間易積聚大量的灰塵、油跡、污垢及鳥糞等雜物，容易在暴風(fēng)雨中形成泥流造成導(dǎo)線間的意外短路，引發(fā)配網(wǎng)導(dǎo)線的意外跳閘等事故。

為提高輸電的安全性，對配電網(wǎng)架空線路進(jìn)行絕緣化改造勢在必行。采用機(jī)器人技術(shù)在裸導(dǎo)線表面涂覆一層絕緣材料是一種有效的工程技術(shù)手段。但目前機(jī)器人技術(shù)在電力輸電線方面的應(yīng)用主要集中在巡檢機(jī)器人［1-4］和除冰機(jī)器人［5］等領(lǐng)域。文獻(xiàn)［6-7］涉及的架空線路絕緣漆噴涂機(jī)器人均使用液態(tài)黏稠度較低的絕緣材料，絕緣材料供給都采用泵壓式。受制于絕緣材料的形態(tài)和噴涂頭的設(shè)計，實(shí)際應(yīng)用易出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，效果不理想。文獻(xiàn)［8］采用黏稠度較高的新型絕緣材料，很好地解決了流掛現(xiàn)象，但由于采用立式結(jié)構(gòu)，機(jī)器人本體占用的空間較大，容易與樹木發(fā)生接觸，安全性較差，且噴涂頭設(shè)計采用單腔體結(jié)構(gòu)，無法保證絕緣涂層上下表面厚度的一致性。

綜上，針對配電網(wǎng)架空線路絕緣化改造，設(shè)計一款絕緣包覆機(jī)器人，能夠均勻包覆導(dǎo)線，且避免出現(xiàn)流掛現(xiàn)象。

1 絕緣包覆機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

架空線路絕緣包覆作業(yè)，采用機(jī)器人攜帶絕緣涂料，利用噴涂裝置將絕緣涂料均勻包覆在裸導(dǎo)線表面。根據(jù)功能要求，絕緣包覆機(jī)器人可分為機(jī)器人本體和控制系統(tǒng)兩部分?？刂葡到y(tǒng)包括集成在機(jī)器人本體內(nèi)部的運(yùn)動控制系統(tǒng)和地面遙控系統(tǒng)。

機(jī)器人本體由移動機(jī)構(gòu)、涂料供給系統(tǒng)、絕緣包覆頭組成。移動機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人沿導(dǎo)線行走的動力機(jī)構(gòu)，由1 個250 W 的直流無刷電機(jī)驅(qū)動2 個橡膠滾輪，2個橡膠滾輪通過同步帶輪和同步帶鏈接。如圖1 所示。

圖1 移動機(jī)構(gòu)

涂料供給系統(tǒng)水平懸掛于移動機(jī)構(gòu)下方。4 個獨(dú)立的柱塞式涂料桶為絕緣涂料載體固定在涂料供給系統(tǒng)前端。4 套直流伺服電機(jī)驅(qū)動的電動推桿推動涂料桶底部活塞，擠壓涂料從前端出口流出，沿導(dǎo)管進(jìn)入絕緣包覆頭。如圖2 所示。

圖2 涂料供給系統(tǒng)

絕緣包覆頭扣合在線纜上。采用對稱結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)中心與架空線纜契合，起到支撐和導(dǎo)向作用。絕緣包覆頭出口距離線纜外徑一定距離，以保證絕緣涂料厚度。絕緣包覆頭通過掛鉤與移動機(jī)構(gòu)相連。如圖3 所示。

圖3 絕緣包覆頭

絕緣包覆機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。調(diào)節(jié)移動機(jī)構(gòu)行進(jìn)速度與涂料供給速度均勻匹配，可在裸導(dǎo)線表面包覆一層厚度均勻的絕緣皮。依據(jù)不同型號、線徑的裸導(dǎo)線，設(shè)計走涂速率適應(yīng)參數(shù)列表，以實(shí)現(xiàn)對不同的線徑選擇不同的行走速度以及涂料供給速度，完成均勻包覆功能。待絕緣涂料固化后，達(dá)到裸導(dǎo)線絕緣化改造的目的。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由行走機(jī)構(gòu)、涂料供給系統(tǒng)、絕緣包覆頭3部分組成。

圖4 整體結(jié)構(gòu)

2 絕緣包覆機(jī)器人控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

絕緣包覆機(jī)器人控制系統(tǒng)分為地面站遙控圖傳系統(tǒng)和機(jī)器人本體控制系統(tǒng)，如圖5 所示。操作人員通過地面站向機(jī)器人發(fā)送遙控指令，實(shí)時更改機(jī)器人作業(yè)參數(shù)，并通過顯示器顯示機(jī)器人的狀態(tài)參數(shù)和實(shí)時影像資料。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線電數(shù)據(jù)傳輸模塊選用AC4490，采用跳頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。

視頻圖像回傳系統(tǒng)采用基于第4 代移動通信核心技術(shù)的COFDM 正交調(diào)制解套技術(shù)，使得該系統(tǒng)具有良好的傳輸特性。同時，由于采用了基于DVD標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-2 圖像壓縮和編碼技術(shù)，使得接收圖像十分清晰、實(shí)時和穩(wěn)定。

機(jī)器人本體控制系統(tǒng)涉及多電機(jī)協(xié)調(diào)控制，為提高系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)采用CAN 總線結(jié)構(gòu)。主控MCU 作為主站，行走電機(jī)驅(qū)動和4 個電缸電機(jī)驅(qū)動器作為從站。

行走電機(jī)采用250 W 直流無刷電機(jī)，配91∶1 減速器，在保證15°爬坡角度的前提下，兼顧行走速度。由于絕緣材料粘滯系數(shù)較高，為了克服絕緣材料與桶壁的阻力，電缸電機(jī)需要提供足夠的扭矩才可以保證絕緣材料擠出速率的穩(wěn)定，為此選擇直流有刷電機(jī)配936∶1 減速器。所有電機(jī)均采用ELMO 15／60驅(qū)動器驅(qū)動，驅(qū)動器與主控板的接口僅有CAN 接口，采用菊花鏈方式連接，接線簡潔。

2.2 通信協(xié)議

遙控器與機(jī)器人本體之間的通信協(xié)議采用如下格式：

圖6 控制器接口電路

其中，%是幀頭，代表一幀數(shù)據(jù)的開始，CMD 是2 位指令碼，表示當(dāng)前指令類型，DATA 是4 位數(shù)據(jù)，［］內(nèi)是可選內(nèi)容，當(dāng)需要同時發(fā)送2 條指令時可以采用’&’連接符連接，*代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

機(jī)器人向遙控器端返回的數(shù)據(jù)幀格式如下：

其中，@ 是幀頭，表示一幀數(shù)據(jù)的開始，BV 用3位數(shù)字表示電池電壓，MS 用3 位數(shù)字表示機(jī)器人工作狀態(tài)，CS 用3 位數(shù)字表示控制類型，Sp1—Sp4 分別用3 位數(shù)字表示絕緣材料消耗百分比。

數(shù)據(jù)幀均采用字符串格式傳送。

2.3 機(jī)器人本體控制電路硬件設(shè)計

機(jī)器人本體控制系統(tǒng)處理器采用STM32103CBT6，電路設(shè)計如圖6 所示，USART1 與AC4490 連接，接收遙控器指令、反饋機(jī)器人狀態(tài)；CAN_RX、CAN_TX與CAN 接口芯片連接，作為主站接口；USART3 與RS485 接口芯片連接，向CCD 測徑儀發(fā)送控制指令。

通過MCU 的PB8 口控制URB2412D-30W 的輸出，可以在不需要圖像傳輸時，切斷圖像傳輸系統(tǒng)供電，達(dá)到節(jié)能的效果，如圖7 所示。

圖7 圖像傳輸供電電路

機(jī)器人采用24 V 鋰電池供電，通過電阻分壓，對鋰電池電壓采樣，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人剩余電量的實(shí)時監(jiān)控，采樣電路如圖8 所示。

圖8 電壓采樣電路

2.4 機(jī)器人本體控制軟件設(shè)計

機(jī)器人本體控制系統(tǒng)通過UART 與地面站數(shù)據(jù)交互，以中斷形式接收遙控器的控制指令，根據(jù)指令解析結(jié)果，控制機(jī)器人行進(jìn)速度和涂料供給速度，UART 中斷流程如圖9 所示。機(jī)器人行進(jìn)方向和電缸運(yùn)動方向由行進(jìn)速度和涂料供給速度的正負(fù)決定，速度為零表示停止。采用定時器中斷定時向機(jī)器人本體反饋狀態(tài)信息。

圖9 UART 接收中斷流程

實(shí)際作業(yè)過程中，架空輸電線型號、直徑種類繁多是現(xiàn)場施工困難的主要原因之一，針對此問題，主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制算法相互配合的方案予以解決。第一，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，絕緣包覆頭內(nèi)嵌可調(diào)換的輸電線包覆夾以適應(yīng)不同線徑的需求；第二，控制系統(tǒng)中，通過大量試驗(yàn)，構(gòu)建適應(yīng)不同線徑的機(jī)器人行走速度與涂料供給速度系列化參數(shù)列表，以達(dá)到均勻包覆的效果?？刂七^程如圖10 所示。

以無線數(shù)據(jù)傳輸過程為例，介紹AC4490 自定義命令解析及控制部分程序代碼如下：

圖10 控制系統(tǒng)流程

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在地面遙控系統(tǒng)的控制下，對設(shè)計的架空線路絕緣包覆機(jī)器人進(jìn)行測試，如圖11 所示。絕緣涂料采用3M 的526 單組份絕緣涂料，零距離耐壓大于6 kV／mm，遇空氣固化，表面固化時間30～40 min，具備強(qiáng)度時間約4 h；測試裸導(dǎo)線選擇LGJ7／10 鋼芯鋁絞線；機(jī)器人本體工作電壓為直流24V，AC4490設(shè)置波特率38 400 B／s，機(jī)器人行進(jìn)速度3 m／min，絕緣材料擠出率330 mL／min，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)穩(wěn)定，導(dǎo)線包覆厚度均勻，波動范圍控制在了2.5～3 mm之間，無露點(diǎn)、無流掛現(xiàn)象。

圖11 實(shí)際線路測試

5 結(jié)語

針對當(dāng)前配電網(wǎng)架空線路絕緣化改造的客觀需求，設(shè)計了架空線路絕緣包覆機(jī)器人。在地面遙控系統(tǒng)控制下，進(jìn)行了實(shí)際線路測試，結(jié)果表明，機(jī)器人行進(jìn)速度與絕緣材料擠出速率平穩(wěn)，機(jī)器人控制系統(tǒng)可靠，可以高效、穩(wěn)定完成架空線路絕緣化改造任務(wù)。