李 健，魯守銀，王振利，趙玉良

LI Jian，LU Shou-yin，WANG Zhen-li，ZHAO Yu-liang

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院 山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟南 250002)

0 引言

帶電作業(yè)是電力設(shè)備測試、檢修和改造的重要手段，它為提高供電可靠性、減少停電損失和保證電網(wǎng)安全做出了巨大貢獻。帶電作業(yè)對操作人員的技術(shù)水平和熟練程度、氣候條件及安全防護用具等要求非常嚴格。由于擔心安全隱患及缺乏合適的人身安全防護用具及帶電作業(yè)技術(shù)培訓不夠等，部分地區(qū)對變電站帶電作業(yè)內(nèi)容進行了限制，致使變電站停電作業(yè)頻繁，輸、配電可靠性指標不能完成，從而給電力企業(yè)帶來了很大的經(jīng)濟損失，給人民生活和生產(chǎn)帶來了很大的不便。

目前大型變電站現(xiàn)場作業(yè)任務(wù)均操作人員使用原始工具手動完成，其存在著如下缺陷：

1）變電站設(shè)備由于置身戶外，彌漫于空氣中的工業(yè)污穢和自然污穢易沉積在設(shè)備表面形成污穢層，這些污穢物受霧、小雨等侵害，極易引發(fā)污閃事故。

2）操作人員手工帶電完成設(shè)備套管清掃與清洗、設(shè)備RTV防污閃材料的噴涂等工作，勞動強度極大，效率低，自動化水平低。

3）人工帶電作業(yè)安全防護、遮蔽要求非常嚴格，稍不注意就會出現(xiàn)短路電流，造成重大的安全事故，引發(fā)人身傷亡事故[1]。

220kV變電站帶電作業(yè)機器人是山東電力科學研究院承擔的國家高技術(shù)發(fā)展計劃（863計劃2012AA041506）科技攻關(guān)重點項目,旨在結(jié)合我國變電站帶電作業(yè)需求，研制一臺能夠的滿足變電站作業(yè)環(huán)境需求的帶電作業(yè)智能機器人，能夠完全代替人工完成變電站帶電設(shè)備套管清掃與清洗、設(shè)備RTV防污閃材料的噴涂、帶電絕緣子零值檢測、隔離開關(guān)除銹防護帶電作業(yè)任務(wù)，提高作業(yè)人員的操作安全性能。

圖1 變電站帶電作業(yè)機器人結(jié)構(gòu)組成

1 高壓帶電作業(yè)機器人結(jié)構(gòu)組成

變電站作業(yè)機器人主要由工作機和遠程遙控指揮車兩部分組成。工作機部分按功能主要分為工作裝置、執(zhí)行機構(gòu)、平臺總成和行走機構(gòu)等組成。

整機主要性能參數(shù)：

1）整機質(zhì)量（不包括機械臂）：2000kg；

2）液壓機械臂質(zhì)量：60kg；

3）機器人平臺裝載質(zhì)量：120kg；

4）機器人作業(yè)平臺高度：4.5m；

5）整機作業(yè)幅度：3.5m；

6）行走速度：4km/h；

7）回轉(zhuǎn)平臺速度：8rpm；

8）最小轉(zhuǎn)彎半徑：750mm；

9）臂架最大角度：63°；

10）爬坡度：30%；

11）整機收起外廓狀態(tài) (長×寬×高)：2700×1300×1500mm。

1.1 工作裝置

工作裝置由回轉(zhuǎn)平臺、三節(jié)絕緣臂和機器人作業(yè)平臺組成。回轉(zhuǎn)平臺通過回轉(zhuǎn)支承與底盤連接，在回轉(zhuǎn)馬達驅(qū)動下，實現(xiàn)平臺及其附屬各部件360度連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。三節(jié)絕緣臂安裝于回轉(zhuǎn)平臺上，分為大臂、連接臂、前臂，其中大臂鉸接到回轉(zhuǎn)平臺上，連接臂鉸接于大臂上，前臂鉸接于連接臂上。機器人作業(yè)平臺鉸接到前臂上，能夠自動調(diào)平。在回轉(zhuǎn)平臺上還設(shè)有狀態(tài)顯示屏，用于伺服閥、關(guān)節(jié)限位、油位、油壓和電源等狀態(tài)指示。

1.2 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)主要由六自由度主從操作液壓機械臂夾持專用作業(yè)工具完成。主從操作液壓機械臂是高壓帶電作業(yè)機器人的核心?，F(xiàn)場作業(yè)時，操控主手與機械臂間僅通過光纖通訊，這樣操作人員操控主手控制機械臂接觸高壓設(shè)備，隔離高壓電場對作業(yè)人員造成的人身傷害，這也是高壓帶電搶修作業(yè)機器人最為突出的優(yōu)點。

液壓機械臂整個系統(tǒng)主要由機械臂、操控主手、液壓伺服控制單元、主手控制器、液壓供油單元和外部電源組成[2]，如圖2所示。

圖2 液壓機械臂系統(tǒng)組成

1.3 平臺總成

平臺總成主要由發(fā)動機、液壓泵、控制閥、回轉(zhuǎn)支承及接頭、液壓油箱、燃油箱、電器部件和配重等組成[3]。

設(shè)定工作機的行走速度為4km/h，履帶驅(qū)動輪半徑200mm，據(jù)選擇的減速馬達參數(shù)計算，需馬達轉(zhuǎn)速為55r/min。

行走馬達總流量為：

設(shè)定行走時系統(tǒng)壓力為12MPa時，泵的輸入功率（即驅(qū)動功率）為：

根據(jù)以上要求綜合考慮，選擇日本原裝洋馬4TNV88-SYY發(fā)動機。

1.4 行走機構(gòu)

行走機構(gòu)采用履帶式移動底盤結(jié)構(gòu)，主要由底盤、履帶架、左右行走馬達、驅(qū)動輪、承重輪、履帶、張緊緩沖裝置以及兩側(cè)的四個液壓支腿組成。左、右行走馬達、左側(cè)支腿液壓缸Ⅰ和Ⅱ、右側(cè)支腿液壓缸Ⅰ和Ⅱ均通過下部電磁換向閥A組與液壓泵連接?？刂剖直ㄟ^下部電磁換向閥A組驅(qū)動左、右行走馬達，當兩條履帶運行速度相同時，機器人實現(xiàn)前進或后退運動，當兩條履帶速度不同時，機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。

履帶式行走機構(gòu)牽引系數(shù)由滾動摩擦系數(shù)、爬坡度系數(shù)、滑移轉(zhuǎn)向系數(shù)、加速系數(shù)等因素決定，綜合考慮設(shè)定牽引系數(shù)i=0.8，則：

其中，r為履帶輪半徑，取200mm。

行走馬達排量為：

其中，Tg為單個馬達驅(qū)動扭矩，η為機械效率，取0.9, P為馬達壓差，取16MPa。

2 電氣控制系統(tǒng)

變電站帶電作業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)包括四部分：液壓機械臂、工作機移動及升降機構(gòu)、高空攝像機和帶電作業(yè)工具，其中液壓機械臂由液壓伺服控制器進行控制，工作機移動及升降機構(gòu)、高空攝像機、帶電作業(yè)工具由總線控制裝置進行控制，如圖3所示。該機器人控制系統(tǒng)全部通過無線進行信號傳遞，保證了作業(yè)人員與高壓電場完全隔離。

圖3 變電站帶電作業(yè)機器人電氣控制示意圖

變電站帶電作業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)由一臺工控機和一套PLC系統(tǒng)組成。工控機采用工業(yè)級計算機構(gòu)成功能強大的人機交互系統(tǒng)，通過操控主手遠程無線遙控機械臂夾持專用設(shè)備或工具完成變電站帶電作業(yè)任務(wù)。PLC選用歐姆龍CP1H，觸摸屏上有3位選擇開關(guān)，分別為手動控制、自動控制、遠程控制。選擇遠程控制時，伺服閥由主手控制。在自動控制時伺服閥受PLC邏輯程序控制，在手動控制時伺服閥由操作人員直接觸摸屏來控制，如圖4所示。

圖4 變電站帶電作業(yè)機器人硬件連接示意圖

3 液壓控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用五路進口節(jié)流換向閥+手動控制+遙控，操縱舉升機構(gòu)；兩路進口比例換向閥遙控前進后退轉(zhuǎn)彎；四路進口節(jié)流換向閥遙控支腿伸縮；七路液壓伺服閥控制液壓機械臂各關(guān)節(jié)運動。液壓鎖、單雙向平衡閥直接固定在油缸上，使其工作更安全可靠。

如圖5所示，液壓油從油箱通過吸油濾油器進入機械臂液壓控制油路，再經(jīng)回油濾油器流回油箱。下部電磁換向閥A組主要控制機器人前、后兩側(cè)支腿伸縮運動和工作機移動平臺行走運動，通過中央轉(zhuǎn)換接頭、分配閥與液壓泵連接；上裝電磁換向閥B組主要控制大臂、連接臂、前臂俯仰和機器人作業(yè)平臺調(diào)平以及回轉(zhuǎn)平臺運動，經(jīng)上裝控制切換器、分配閥與液壓泵連接；機械臂液壓伺服閥C組主要控制六自由度液壓機械臂的腰部回轉(zhuǎn)油缸、大臂俯仰油缸、小臂俯仰油缸、腕部俯仰油缸、腕部擺動油缸、手爪開合和腕部旋轉(zhuǎn)馬達等運動，通過上裝控制切換器、分配閥與液壓泵連接。中央轉(zhuǎn)換接頭是連接回轉(zhuǎn)平臺與底盤油路的液壓元件，它保證回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)任意角度后，行走馬達還能正常配油。

圖5 變電站帶電作業(yè)機器人液壓控制示意圖

4 絕緣防護系統(tǒng)

機器人進行作業(yè)對象是帶電的電力設(shè)備，動作稍有不慎有可能使機器人“機毀人亡”，還有可能給電網(wǎng)帶來災(zāi)難性的故障，所以采取有效的絕緣措施，保證機器人的絕緣強度是機器人能否進行作業(yè)的首要條件。

圖6 帶電作業(yè)機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

從操作人員作業(yè)安全角度考慮，采用多級立體組合絕緣策略實現(xiàn)系統(tǒng)的絕緣防護，主要包括主體絕緣和輔助絕緣兩部分。主體絕緣主要由變電站帶電作業(yè)機器人對地絕緣、操作人員的人身絕緣安全、設(shè)備及線路相間絕緣組成；輔助絕緣主要由遮蔽工具絕緣防護和系統(tǒng)配套設(shè)備布置絕緣組成。在抗電磁干擾上，采用有效的電磁兼容技術(shù)，增加機器人系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。

1）變電站帶電作業(yè)機器人對地絕緣裝置，主要借助三節(jié)絕緣臂作為升降機構(gòu)，確保機器人系統(tǒng)對地絕緣。各節(jié)絕緣臂對應(yīng)的驅(qū)動油缸均采用絕緣油缸。

2）操作人員的人身絕緣安全裝置，主要采用遠程遙控指揮車遠程遙控完成作業(yè)，與高壓設(shè)備電場完全隔離。操控主手安裝在遠程遙控指揮車控制工作臺上操作機械臂運動。操控主手與機械臂是同構(gòu)的，采用液壓伺服驅(qū)動，機械臂可以完全跟隨操控主手來運動。

3）設(shè)備及線路相間絕緣裝置，主要包括機械臂的絕緣護套和機器人絕緣作業(yè)平臺。機械臂通過支承絕緣子安裝于機器人絕緣作業(yè)平臺底架上面，采用專用橡膠絕緣護套，起到遮蔽或隔離的保護作用，防止發(fā)生相間短路；機器人絕緣作業(yè)平臺為硬鋁合金焊接而成，裸露型材表面均用環(huán)氧玻璃布纏繞，底架采用環(huán)氧絕緣板外包，防止平臺作業(yè)時接觸兩相高壓導(dǎo)線造成短路。

5 通訊及監(jiān)控系統(tǒng)

工作機和遠程遙控指揮車之間全部控制系統(tǒng)通過無線進行信號傳遞，保證了作業(yè)人員與高壓電場完全隔離。操作者借助攝像機回傳的視頻信息，通過監(jiān)控完成目標物的類型識別、姿態(tài)分析、操作決策。立體攝像機可以在圖像中獲取水平方向360度的環(huán)境信息，利用全方位視覺的這個特點，立體攝像機負責對作業(yè)平臺、機械臂、工具系統(tǒng)、高壓設(shè)備等全方位實時的監(jiān)控。當機器人作業(yè)平臺到達作業(yè)位置時，通過追蹤攝像機進行更精確的定位，如圖6所示。各個攝像機通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過光纖傳輸?shù)娇刂剖覂?nèi)，經(jīng)過工控機處理，獲取場景的視覺信息。在安全區(qū)域內(nèi)，操作者坐在駕駛室內(nèi)，通過圖像顯示屏實時觀察機械臂作業(yè)姿態(tài)，采用主從控制式操控主手遠程無線遙控機械臂夾持專用工具接觸高壓設(shè)備或線路帶電作業(yè)。

6 結(jié)論

根據(jù)變電站220kV帶電作業(yè)工藝和作業(yè)環(huán)境需要，設(shè)計一種新型變電站帶電作業(yè)機器人。該機器人裝置從操作人員作業(yè)安全角度考慮，從而利用機器人代替人工完成變電站帶電作業(yè)任務(wù)，操作人員位于安全區(qū)域內(nèi)，避免直接接觸高壓設(shè)備，極大提高了操作人員帶電作業(yè)安全性能，并對我國變電站作業(yè)方式產(chǎn)生積極變革作用。

[1]上海市電力公司組.10kV架空配電線路帶電作業(yè)指導(dǎo)書[M].北京：中國電力出版社,2007.

[2]GRIPS Manipulator System Manual 003-5005-00 Rev6.

[3]吳宗澤主編.機械設(shè)計實用手冊（第二版）[M].北京：化學工業(yè)出版社,2008.