吳志成

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一種代替等電位電工作業(yè)自動裝置的研制

吳志成

泉州電業(yè)局

在輸電線路中處理導線上纏繞異物、檢查損傷導線等電位帶電作業(yè)，人身安全難于防控，也存在極限性，往往受安全間隙的限制無法開展而迫使線路停電。針對這一難題，通過應用無線微波通訊、自動控制、光電隔離等技術，利用輕質(zhì)材料、高效動力能源進行巧妙機構組合和機電一體化設計，研制了一種能代替等電位作業(yè)人員進入導線進行帶電檢修的遙控自動裝置，實現(xiàn)對導、地線上的風箏、廣告布條等異物的帶電清除，并能自動巡查導、地線上缺陷。

輸電線路 代替等電位作業(yè) 自動裝置 異物帶電清除 缺陷巡查

0 引言

輸電線路導線上纏繞異物(如廣告布條、氣球等）、導線損傷是架空輸電線路運行維護工作中最常見的缺陷，這些缺陷一般得由帶電作業(yè)工人懸掛于導線等電位進行處理，作業(yè)人員存在很大的安全風險(如異物隨時可能發(fā)生短路放電、存在缺陷的導線可能斷落等)，且勞動強度極大，而對于導線垂直排列或有交叉跨越的情況，則需要停電作業(yè)，降低了供電可靠性，解決這一難題已成為輸電線路運檢作業(yè)的迫切需要，故研制一種能代替等電位作業(yè)人員進入導線進行帶電作業(yè)的裝置十分必要。

1 難點分析

帶電作業(yè)自動裝置是機電一體化系統(tǒng)，按功能劃分為移動模塊、檢修模塊、缺陷巡查定位模塊、控制及通訊模塊，涉及到機構、控制、通信、定位系統(tǒng)、移動平臺上傳感器的集成和信息融合、電源等。機械機構是整個系統(tǒng)的基礎，從機器的平穩(wěn)移動角度出發(fā)，要求機構具有一定的負載能力，且與導線構成等電位體；從應用角度出發(fā)，要求機構具有小巧緊湊、輕質(zhì)的機械結構，且便于攜帶和組裝等，起碼應達到以下要求：實現(xiàn)機器重量最小化（小于15kg），機器應能在一個檔距內(nèi)的導、地線上自由進退，并具有30度以上的爬坡能力，能控制上下坡速度，并能在線路不停電情況下越過壓接管、防震錘等障礙物；檢修裝置應能對導、地線上的風箏、廣告布條、帆布、薄膜等異物進行帶電清除；缺陷巡查定位模塊應能對導、地線進行近距離多方位監(jiān)視，巡查導線上缺陷；裝置實現(xiàn)地面實時監(jiān)測和操控；機器應有較強的抗電磁干擾能力。

2 技術方案

本裝置在硬件上分為地面工作站和自動裝置遠程機器兩部分。地面工作站由操控主機、無線數(shù)據(jù)通訊模塊和無線視頻模塊三個主要功能模塊及人機控制軟件平臺組成；遠程機器在功能上由移動模塊、檢修模塊、缺陷巡查定位模塊組成，具體組件主要有高容量鋰電池、機器主控制板、無線數(shù)據(jù)通訊模塊、無線監(jiān)控主機及監(jiān)控攝像頭、步進電機控制器及若干步進電機和傳感器等組成（見圖1），其外觀機械結構設計見圖2。

圖1 總體設計方案

1——控制機箱；2——后攝像頭；3——前攝像頭；4——導電輪； 5——機架；6——吊鉤；7——從動輪；8——電剪裝置； 9——行走電機；10——異物收納裝置；11——驅(qū)動輪

2.1 帶電作業(yè)自動裝置移動模塊機構設計

移動模塊采用輪式爬行機構(兩個驅(qū)動輪，一個從動輪)，使用大功率步進電機，以及同步帶雙輪驅(qū)動，實現(xiàn)爬坡、跨越障礙等較大驅(qū)動力的要求，特殊結構設計的導電輪（見圖3）實現(xiàn)行走裝置的行走、爬坡以及跨越障礙等功能，同時該導電輪實現(xiàn)了機器與導線的等電位功能。

圖3 移動模塊設計

2.2 機器檢修(清除異物裝置)模塊機構設計

輸電線路上的異物主要是纏繞的廣告布、繩索、塑料薄膜等輕薄的布狀物體，如何清除這些異物是檢修裝置的技術關鍵。本項目異物清除裝置采用了電機驅(qū)動的高速電剪及合理異物收納結構，電剪采用動靜兩組刀片相配合，應用八角形轉動式刀片和靜刀片組成巧妙的電動剪子（見圖4），可以輕松修剪清除輸電線路導、地線上異物，而八字形的異物收納裝置可以把散開的異物集中到刀口上來。高速電剪由專用軍工級電機驅(qū)動，轉速高，切削效率高，適合各種典型的導地線異物的去除。

圖4 檢修(清除異物)裝置

2.3 缺陷巡查定位裝置的設計

本項目采用前后雙向攝像頭技術，對前進、后退狀態(tài)中的各種狀態(tài)進行實時監(jiān)控，同時對導、地線上的缺陷進行巡查。另外還利用驅(qū)動輪的轉動，設計了里程計算功能，可對機器位置進行準確定位(見圖5)。

圖5 缺陷巡查裝置

2.4 控制系統(tǒng)及通訊技術

主要由監(jiān)控主機、無線數(shù)據(jù)通訊模塊和無線視頻模塊三個主要功能模塊及人機控制軟件平臺組成，實現(xiàn)機器的遙控操作與自動控制。通訊模塊完成基站和機器之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，包括來自機器上的實時視頻圖象，機器位姿狀態(tài)和由基站發(fā)出的各種遙控命令等。

在控制系統(tǒng)設計中，采用光電隔離、加入了看門狗電路以及超時系統(tǒng)自動復位等功能，大大加強了裝置的可靠性和環(huán)境適應性；采用多層屏蔽技術以及電路優(yōu)化設計，具有較強的抗電磁干擾能力；系統(tǒng)還能對機器鋰電池的電量進行實時無線監(jiān)測，并計算剩余電量，若剩余的電量接近已經(jīng)消耗的作業(yè)時間電量，系統(tǒng)會自動報警，可以通過遠程控制機器返回。

圖6 地面控制臺系統(tǒng)原理框圖

圖7 地面工作站

3 技術特點

3.1 機器能代替帶電作業(yè)人員進入導線進行等電位檢修，并巡查導地線上缺陷；

3.2 機器異物清除裝置采用動靜兩組刀片相配合，八角形轉動式刀片和靜刀片形成巧妙的電動剪子，可以高效剪除輸電線路導、地線上各種精細不一的條狀、厚薄不同的片狀異物(如長線、粗繩、薄膜、厚布)；

3.3 機器能進入未滿足常規(guī)等電位作業(yè)安全間隙要求的輸電線路（如導線垂直排列、緊湊型多回同塔架設或有交叉跨越的線路）的導、地線上進行檢修工作；

3.4 機器體形及重量很小，實用性強，驅(qū)動滑輪采用聚氨酯材料加鋁合金保護帽組裝而成，滑輪中心加有帶彈性金屬圈，便于機身與帶電體等電位；

3.5 機器由地面無線控制結合自動控制，運行可靠性、穩(wěn)定性較高。地面控制臺能無線接收檢修檢測視頻圖像等數(shù)據(jù)；地面人員可通過視頻監(jiān)控，實時對行進裝置和檢修裝置的動作進行控制；能對檢測圖像和數(shù)據(jù)進行儲存處理；

3.6 電子元件采用高性能元器件及合理設計，實現(xiàn)高壓、高磁環(huán)境下的穩(wěn)定運行，具有較強的抗電磁干擾能力；

3.7 機器檢測到異物或障礙，可實現(xiàn)自動停機，等待下一步動作指令；

3.8 機器具有過障礙物、爬坡、線路缺陷精確定位等功能。

4 應用情況

本項目研究的機器在停電線路上進行過多次模擬實踐操作，并在實際生產(chǎn)中得到廣泛應用，2011年以來已在福建省內(nèi)的220kV寶兜線、井南Ⅱ路、羅梅Ⅱ路、泉龍Ⅱ路、110kV城院Ⅰ回、赤曹Ⅱ回等線路進行帶電檢修幾十次，通過近1年的應用表明，整套系統(tǒng)功能運行穩(wěn)定，機器能順利通過防振錘等障礙物，高效率完成導地線上的風箏、廣告布條等各類纏繞異物的清除(不需人員進入導線等電位作業(yè))，并能巡查導地線上缺陷，地面可無線遙控監(jiān)視，機器里程計算功能準確，地面控制臺界面友好，操作方便。

圖8 現(xiàn)場帶電作業(yè)圖片

5 效益分析

應用本項目研制的機器每次作業(yè)平均約減少停電時間5小時，若按一條線路帶10萬千瓦負荷來算，可為電網(wǎng)多供電量不小于50萬千瓦時，按照每度電0.5元計算，一次作業(yè)約減少因停電帶來的直接經(jīng)濟損失約25萬元，而全省輸電線路每年均有數(shù)百次導、地線缺陷需處理，若全部實現(xiàn)帶電作業(yè)，全省每年可減少直接經(jīng)濟損失上千萬元。

6 結語

本項目研制的裝置實現(xiàn)代替電工進入帶電的輸電線路導、地線進行等電位檢修，能對導地線上的風箏、廣告布條等異物進行帶電清除，并能自動巡查線路缺陷。機器還具有過障礙物、爬坡、自動控制、無線操控、視頻監(jiān)視、線路缺陷精確定位等功能，實現(xiàn)地面實時無線監(jiān)測和操控。這是運用自動控制工具實施帶電作業(yè)的一種新探索，有效解決輸電線路導、地線異物纏繞因安全間隙不足無法進行帶電作業(yè)清除的難題，拓展了帶電作業(yè)新領域，減少線路停電，解放了高空作業(yè)人力，大大降低了帶電作業(yè)安全風險，具有廣闊應用前景和推廣價值。