馬飛越，魏瑩，吳慧，牛勃，陳磊

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)是由斷路器、互感器、隔離開關(guān)、母線等元件組成的全部封閉在金屬接地外殼中的高壓裝置[1-2]。近年來GIS設(shè)備裝用量迅速增長，GIS設(shè)備引發(fā)的故障占比逐年上升[3-4]。對某公司系統(tǒng)近10年組合電器故障情況進行統(tǒng)計，363 kV及以上GIS設(shè)備84次故障跳閘中異物放電占比最高為50%，主要原因為GIS腔體內(nèi)存在異物顆粒或者碎屑雜質(zhì)引起放電[5-6]。GIS設(shè)備內(nèi)部異物顆粒指混入設(shè)備產(chǎn)品里的除GIS內(nèi)部材質(zhì)及部件以外的物質(zhì)。在組合電器GIS產(chǎn)品的設(shè)備制造過程、廠內(nèi)裝配過程、運輸過程和現(xiàn)場安裝過程中內(nèi)部異物清理不到位，或GIS設(shè)備投入運行之后，異物在機械振動及電場作用下，逐漸暴露出來導(dǎo)致GIS內(nèi)部閃絡(luò)、絕緣擊穿等故障[7-8]。

隨著GIS設(shè)備局部放電帶電檢測技術(shù)的應(yīng)用，超聲波、特高頻局放等帶電檢測技術(shù)已能有效檢測出設(shè)備內(nèi)部異物顆粒缺陷，基于X射線的缺陷檢測方式也可有效地實現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部可視化和罐體內(nèi)部異物檢測[9]，但現(xiàn)有的方法未提出有效的異物清理方法，為了保證GIS設(shè)備的正常運行，需要將檢測出來的異物進行徹底清理，防止設(shè)備內(nèi)部電場畸變造成擊穿。由于GIS母線或分支母線2個手孔之間的距離較大，在現(xiàn)場實際多采用解體檢查、吸塵器清理及人工擦拭的方式進行檢修。人工處理對于操作人員的技術(shù)素養(yǎng)要求很高，現(xiàn)場難以確保腔體深處檢查的效果，當存在微小異物缺陷時也難以處理徹底；另一方面，當設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)故障時，檢修人員進行解體檢查會受到電弧產(chǎn)生有毒的氣體分解產(chǎn)物或附著在設(shè)備表面的固體分解產(chǎn)物侵襲，存在腔體內(nèi)中毒的危險，因此，本文針對GIS設(shè)備內(nèi)部檢查及清理的問題，研發(fā)了基于模塊化設(shè)計的GIS設(shè)備內(nèi)部智能檢查清理機器人，不僅實現(xiàn)了110 kV及以上GIS設(shè)備手孔部位進去工作的目的，采用模塊化設(shè)計，減小了GIS設(shè)備機器人本體尺寸的同時，結(jié)合不同GIS設(shè)備作業(yè)場景實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部檢查清理及環(huán)境監(jiān)測的功能，提升GIS設(shè)備檢修的效率及安全性。

1 GIS內(nèi)部機器人整體模塊化設(shè)計

為滿足GIS設(shè)備內(nèi)部機器人能夠?qū)崿F(xiàn)110 kV及以上GIS設(shè)備手孔部位進入的需求，同時還需實現(xiàn)GIS設(shè)備內(nèi)部異物的狀態(tài)檢查，內(nèi)部有毒氣體的環(huán)境監(jiān)測及滿足柔性關(guān)節(jié)狹小區(qū)域檢查可視的功能，GIS設(shè)備內(nèi)部機器人采用模塊化設(shè)計，主要包括柔性機械臂模塊，環(huán)境檢測模塊及異物清理模塊。每個模塊相互獨立，并且采用統(tǒng)一的固定接口與電氣接口，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用場合選擇對應(yīng)的模塊，達到機器人小型化及智能化的目的。GIS設(shè)備內(nèi)部檢查及清理機器人總體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備內(nèi)部機器人總體架構(gòu)設(shè)計

圖1中模塊化設(shè)計的GIS設(shè)備內(nèi)部智能檢查機器人主要包括GIS設(shè)備內(nèi)部智能檢查機器人本體、繞線器、就地控制柜及上位機監(jiān)控平臺4部分。其中機器人由操作人員人工投放進入GIS腔體內(nèi)部，機器人可無線控制工作，也可通過繞線器及就地控制柜通過復(fù)合線纜提供不間斷電源供機器人在GIS腔體內(nèi)部執(zhí)行檢查及異物清理任務(wù)。上位機監(jiān)控平臺可通過有線或無線的控制通訊方式對機器人進行實時的工作控制及狀態(tài)監(jiān)測。機器人主體裝配模塊化的柔性關(guān)節(jié)機械臂可實現(xiàn)GIS不同位置的無死角檢查；裝配模塊化異物化清理裝置可實現(xiàn)對GIS腔體內(nèi)的異物清理及收集工作；裝配模塊化氣體檢測及環(huán)境感知模塊可對GIS內(nèi)部O2、SO2及H2S氣體進行濃度檢測，同時可通過模塊上的VR相機對GIS腔體進行直觀觀察。機器人本體模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GIS內(nèi)部機器人模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)

為了保證機器人能夠順利進入待檢GIS設(shè)備內(nèi)部，在機器人設(shè)計過程中嚴格控制機器人的外型尺寸，最終設(shè)計的機器人本體尺寸長度為230 mm(不包含柔性機械臂長度),寬度為160 mm，高度為50 mm。在設(shè)計選材中，選用了高強度航空鋁型材、尼龍等密度小的材料，它能大大減輕機器人的重量，機器人重量不超過3 kg。如圖2所示，GIS設(shè)備檢查機器人的模塊化設(shè)計采用中部替換結(jié)構(gòu)，不影響機器人兩側(cè)的電源系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，其中機械臂模式模塊用于通過上位機系統(tǒng)實現(xiàn)對機器人機械臂的控制，同時實現(xiàn)機械臂狀態(tài)的顯示，包括旋轉(zhuǎn)角、彎曲角等，機械臂模塊能采集與顯示機械臂視頻圖像，實現(xiàn)異物的檢測，還具有相機光源的分檔位顯示與控制等功能。環(huán)境檢測模塊用于實現(xiàn)對GIS設(shè)備腔體內(nèi)環(huán)境檢測模塊檢測到的實時數(shù)據(jù)的采集與顯示，以及實現(xiàn)對各個環(huán)境檢測參數(shù)的校正等功能。異物清掃模塊用于實現(xiàn)對GIS腔體內(nèi)檢測到的異物進行清理，通過上位機可實現(xiàn)對異物的清掃設(shè)置，清掃強度的調(diào)節(jié)等功能。

2 柔性機械臂模塊設(shè)計實現(xiàn)

GIS設(shè)備內(nèi)部智能檢查機器人主要功能之一是實現(xiàn)對GIS設(shè)備內(nèi)部的可視化，采用傳統(tǒng)布置于機器人本體的視覺采集方式局限性較大，受GIS設(shè)備內(nèi)部粒子陷阱、支柱絕緣子等復(fù)雜環(huán)境的影響，部分區(qū)域無法控制本體達到可視的目的。為滿足GIS腔體內(nèi)不同腔體結(jié)構(gòu)進行檢查的需求，機器人配備柔性機械臂并能實現(xiàn)在GIS腔體任意位置檢測的需求，避免現(xiàn)場視頻采集單元的檢查死角問題。

本文設(shè)計的GIS設(shè)備內(nèi)部智能檢查機器人柔性機械臂模塊原理如圖3，圖4所示，其中設(shè)計的柔性機械臂直徑為19 mm，總長度為350 mm?？傮w機械結(jié)構(gòu)主要是由多個萬向關(guān)節(jié)構(gòu)成(每個萬向關(guān)節(jié)具有2 自由度)、2個關(guān)節(jié)支撐圓盤、1個圓盤基座、6個絲桿電機和6根驅(qū)動線組成，整個機械臂中由2節(jié)記憶性合金彈簧支柱貫穿，機械臂外部均采用3D打印的聚酰胺(尼龍)材質(zhì)，滿足機器人的機械臂彎曲所需的結(jié)構(gòu)條件。柔性機械臂的彈性體材料為彈性不銹鋼金屬材料，彈性體直徑為14 mm，起著支撐柔性機械臂整體形狀和提供柔性機械臂彎曲過程中所需要的“剛性支撐”的作用。裝配柔性機械臂時利用了尼龍材料的彈性，采用卡扣式連接，使整個柔性機械臂上幾乎沒有連接螺栓，有效地減少了柔性機械臂的體積、減輕了自重，并提高了其快速響應(yīng)能力和運動精度，使機器人柔性機械臂連接為1個整體，從根本上杜絕柔性機械臂掉落小型元件在GIS腔體的風(fēng)險。在柔性機械臂前端安裝有單目視覺傳感器，可實現(xiàn)GIS設(shè)備腔體內(nèi)全方位的視覺檢查工作。

圖3 機器人柔性機械臂模塊

圖4 柔性機械臂原理圖解

針對柔性機械臂進行了力學(xué)、運動控制計算、仿真等理論分析驗證后，對加工出的成品零件在設(shè)計理論驗證的基礎(chǔ)上進行實物測試，確保每個柔性關(guān)節(jié)的組成零部件滿足要求。為驗證在平面空間中柔性機械臂能夠進行靈活的彎曲運動，對柔性機械臂柔性體進行了彎曲實驗，通過直流電機驅(qū)動6根鎳鈦合金絲，驅(qū)動雙關(guān)節(jié)柔性機械臂，從初始狀態(tài)，到第1關(guān)節(jié)彎曲90°，再到第二關(guān)節(jié)彎曲-90°，最終可以看到柔性機械臂彎曲成“S”型形狀，驗證了柔性機械臂的彎曲能力。為了客觀地展現(xiàn)空間連續(xù)型機械臂的空間彎曲狀態(tài)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并驗證其在三維空間具有較高的靈活性，根據(jù)柔性機械臂最終實物，進行了平面彎曲試驗和空間彎曲旋轉(zhuǎn)實驗，通過對柔性機械臂的2級連續(xù)型關(guān)節(jié)進行聯(lián)合彎曲旋轉(zhuǎn)控制，實驗狀態(tài)如圖5所示，相關(guān)彎曲旋轉(zhuǎn)參數(shù)如表1所示，其中θ1代表第1關(guān)節(jié)彎曲度，θ2代表第2關(guān)節(jié)彎曲度，φ1代表第1關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)度，φ2代表第2關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)度。通過圖5及表1參數(shù)對比可以看出，本文設(shè)計的柔性機械臂具有聯(lián)合彎曲旋轉(zhuǎn)能力，能夠滿足GIS內(nèi)復(fù)雜環(huán)境可視化作業(yè)需求。

圖5 機械臂空間彎曲實驗

表1 機械臂彎曲參數(shù)

3 異物清理模塊設(shè)計實現(xiàn)

當GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)現(xiàn)異物的時候需要對內(nèi)部進行清理，由于人工清理長度較長且狹小的罐體難以保證清理效果，因此，GIS設(shè)備檢查機器人需配備異物清掃模塊，具備在GIS腔體內(nèi)清掃異物的能力，并且在搭載異物清掃模塊的同時可與機器人本體的視覺采集圖像進行聯(lián)動，根據(jù)視覺采集圖像的異物情況進行清理，同時清理后的效果可利用機器視覺進行檢查，確保機器人能夠有效徹底清理異物。

針對GIS內(nèi)部毫米級異物的特點，對比滾動粘貼式，手臂抓取式異物清理功能，本文設(shè)計的GIS設(shè)備智能檢查機器人異物清掃模塊采用大吸力吸塵模塊來實現(xiàn)，主要組成部分如圖6所示。

圖6 異物清掃裝置結(jié)構(gòu)圖解

圖6中GIS異物清掃模塊由外殼、異物收納盒、吸塵電機、排氣、驅(qū)動板等零部件組成。其中吸塵電機選用大風(fēng)量涵道風(fēng)機，這種常用于航模驅(qū)動的電機擁有著極大的風(fēng)量，它有2個不同形狀的葉片和2個12 V獨立高轉(zhuǎn)速電機，分別負責進氣和排氣，配合其高達18 000 r/min的轉(zhuǎn)速，再加上涵道結(jié)構(gòu)，使得它得到了與其體積不成比例的風(fēng)量。異物收納盒吸塵口采用止口的設(shè)計方式，有效地防止了異物通過進氣口進入模塊外殼內(nèi)部的狀況。為了零部件裝配精度，異物收納盒采用3D打印的制作方式制作，并選用未來7 100尼龍作為材料。因考慮到異物收納盒使用時會頻繁拆裝，所以裝配方式設(shè)計為卡扣，使得拆裝方便，工作效率得到提高。吸塵電機前加裝了濾網(wǎng)，有效地防止了異物通過排風(fēng)口二次排出。

在真型363 kV GIS實驗腔體內(nèi)部對GIS檢查機器人異物清理模塊進行驗證實驗，驗證效果如圖7所示。圖7中，(a)、(b)為以1 mm，5 mm不同大小的異物顆粒作為實驗對象，圖中藍色小框為機器人自動識別判斷內(nèi)部存在的異物圖像，圖7(c)為機器人在設(shè)備內(nèi)部檢查清理的狀態(tài)，圖7(d)為機器人清理后異物清理模塊異物收集盒內(nèi)部情況，可以看出機器人異物清理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)腔體內(nèi)部異物的清理并自動收集，防止異物再次掉落進入設(shè)備內(nèi)部造成二次污染，保證異物徹底清理干凈。

(a)1 mm異物顆粒 (b)5 mm異物顆粒

4 環(huán)境監(jiān)測感知模塊設(shè)計實現(xiàn)

GIS設(shè)備內(nèi)部檢查機器人不僅僅可實現(xiàn)設(shè)備缺陷處理時進行內(nèi)部的檢查清理工作，對于GIS設(shè)備故障現(xiàn)場能夠提供輔助手段。當GIS設(shè)備內(nèi)部故障時，由于斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備特殊的結(jié)構(gòu)，并且故障時巨大的電弧能量在罐體內(nèi)部產(chǎn)生有毒的分解產(chǎn)物，人員無法第一時間進去設(shè)備內(nèi)部進行查看，需要機器人進入設(shè)備內(nèi)部查看，同時需配備氣體檢測模塊和環(huán)境感知模塊，并具備檢測O2、SO2和H2S氣體，通過VR模塊獲取第一視角影像的能力，實時感知設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，避免后續(xù)人員進去受到未擴散的有毒物質(zhì)的影響。

GIS設(shè)備機器人設(shè)計的環(huán)境檢測模塊是1個可拆卸替換的獨立功能模塊，當機器人需要對所處的環(huán)境進行環(huán)境檢測的時候只需要將此功能模塊安裝在機器人可替換模塊上即可，環(huán)境檢測模塊的內(nèi)部組成機構(gòu)如圖8所示。

圖8 環(huán)境檢測模塊的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)圖解

如圖8所示設(shè)計的環(huán)境檢測模塊封裝盒采用整塊的7075航空鋁合金銑削加工完成，封裝盒的前端具有VR攝像頭的安裝架，用于安裝VR攝像頭，在環(huán)境檢測模塊封裝盒前端靠近VR攝像頭安裝架的底部設(shè)計了用于VR模塊驅(qū)動板安裝的驅(qū)動板安裝位，在環(huán)境檢測模塊封裝盒內(nèi)部的兩側(cè)分別設(shè)置了1組用于氣體檢測模組安裝架。為了使所需檢測的各種氣體能夠進入環(huán)境檢測模塊封裝盒，在環(huán)境檢測模塊封裝盒的底部設(shè)計了1組網(wǎng)狀的底部進氣口，封裝盒的尾部設(shè)計了安裝位，用于安裝整個環(huán)境檢測模塊通訊供電的TYPE-C接頭。在環(huán)境檢測模塊封裝盒的頂蓋上設(shè)計了1個天線安裝位，使設(shè)計的環(huán)境檢測模塊具有無線通訊功能。

針對GIS設(shè)備內(nèi)部分解產(chǎn)物特點及檢修人員作業(yè)環(huán)境特點，環(huán)境監(jiān)測感知模塊具備O2、H2S、SO2的監(jiān)測功能，并能將數(shù)據(jù)實時傳輸至主機顯示。為驗證機器人搭載的環(huán)境監(jiān)測性能，進行機器人模擬試驗驗證。在實驗腔體分別采用不同的氣體環(huán)境進行模擬試驗，分別準備17%、19%、23%的O2實驗環(huán)境，15、25、35 μL/L的H2S實驗環(huán)境，及5、10、15 μL/L的SO2實驗環(huán)境。對上述3種氣體進行檢測測試，各進行15次測試，分為3組，每組5次，且每組測試之間將設(shè)備上下電置于通風(fēng)處，上下電時間間隔為15 min。將每組內(nèi)5次測試數(shù)據(jù)平均并進行繪圖，觀察數(shù)據(jù)的準確度，誤差范圍，測量時間等。測試結(jié)果如圖9-圖11所示，測量各成分誤差如表2-表3所示，測試結(jié)果可以看出3種氣體組分的測試誤差均在2%以內(nèi)，表明機器人搭載的環(huán)境感知模塊可以滿足現(xiàn)場GIS內(nèi)部測試需求。

圖9 O2測試數(shù)據(jù)

圖10 SO2測試數(shù)據(jù)

表2 環(huán)境監(jiān)測成分測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

GIS設(shè)備內(nèi)部智能檢查機器人基于模塊化技術(shù)設(shè)計了柔性機械臂模塊、異物清掃模塊及環(huán)境監(jiān)測感知模塊，各模塊機械結(jié)構(gòu)及接口相同，依據(jù)不同作業(yè)場所選擇對應(yīng)的功能模塊。柔性機械臂模塊采用雙柔性臂結(jié)合作業(yè)模式，具有聯(lián)合彎曲旋轉(zhuǎn)能力，實驗驗證了平面空間中柔性機械臂能夠進行靈活的彎曲運動，旋轉(zhuǎn)角、彎曲角等參數(shù)滿足GIS內(nèi)部復(fù)雜環(huán)境作業(yè)要求；異物清掃模塊采用大吸力吸塵模塊實現(xiàn)對GIS腔體內(nèi)異物的清理，通過上位機可實現(xiàn)異物的清掃參數(shù)設(shè)置，實驗驗證異物清理模塊能夠完全清理GIS腔體底部的不同類型微小異物；環(huán)境監(jiān)測感知模塊具備O2、H2S、SO2的監(jiān)測功能，并能將數(shù)據(jù)實時傳輸至主機顯示，機器人模擬實際環(huán)境試驗驗證模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)檢測成分的監(jiān)測顯示，并且各項檢測誤差均在2%以內(nèi)，確保機器人對GIS設(shè)備內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測準確性。