汪曉，陳垚，單軍，余祥勇，丁勇，劉志林

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修分公司，合肥市230061；2.北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責任公司，北京市100070)

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新型高壓輸電線路絕緣子檢測機器人研發(fā)方案

汪曉1，陳垚2，單軍1，余祥勇1，丁勇1，劉志林1

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司檢修分公司，合肥市230061；2.北京國網(wǎng)富達科技發(fā)展有限責任公司，北京市100070)

提出了一種針對超、特高壓交流輸電線路絕緣子的檢測機器人研發(fā)方案，所研制的機器人具有高效的行走和檢測方式，其體積小巧、輕便易用、可檢測絕緣子串零值。檢修人員只需配合機器人檢測程序操作，將機器人放置在需要檢修的絕緣子上即可。機器人會自動逐片移動檢測，每越過一片絕緣子，立即觸發(fā)智能絕緣子檢測單元，完成阻值檢測。軟件仿真與硬件測試表明，該絕緣子檢測機器人能夠?qū)崿F(xiàn)智能化安全檢測，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

高壓輸電線路；絕緣子檢測；檢測機器人；自動控制系統(tǒng)

0 引 言

超、特高壓輸電線路上的絕緣子是用來固定導體，使其保持電氣性能的重要部件。在電力系統(tǒng)運行中，其長期工作于由強電場、機械應力、污穢等共同構(gòu)成的錯綜復雜的惡劣環(huán)境中，容易發(fā)生故障，對電力系統(tǒng)的安全運行造成嚴重威脅[1-3]。因此，有必要對絕緣子的絕緣性能進行定期檢測。目前，絕緣子檢測主要采用人工檢測方式。由于人工的檢測方式和技術(shù)難以適應當前電力生產(chǎn)對安全的要求，研發(fā)先進的智能檢測工具對減短巡檢周期、及時發(fā)現(xiàn)存在的缺陷、有效消除事故隱患，從而確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有至關重要的意義[4-6]。

絕緣子串檢測機器人的應用范圍主要是停電或帶電的架空輸電線路的絕緣子[7-10]。用機器人進行巡檢作業(yè)，不僅可以減少因人員疏忽漏檢等帶來的損失，提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量，而且可以減少供電系統(tǒng)的人員投入，降低人員成本，尤其在惡劣環(huán)境中人工檢測工作十分艱辛，勞動強度大，費用多且危險性高，存在高空墜落、人員觸電等隱患。

目前，絕緣子檢測機器人的研究主要分為三大類別：輪式、履帶式、手爪爬行式[11-17]。輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但路徑、姿態(tài)穩(wěn)定性不足，導致其應用范圍受到限制，并且不易升級為具有作業(yè)能力的新一代巡檢和維護機器人。履帶式機器人適用于超高壓輸電線路耐張塔雙聯(lián)瓷制水平絕緣子串的帶電檢測，具有主動驅(qū)動功能，能夠適應絕緣子距離變化，可沿串自動爬行。作業(yè)人員只需將機器人放置在被測試絕緣子上，啟動檢測程序，機器人將自動逐片移動，每越過一片絕緣子即觸發(fā)智能絕緣子檢測儀，實現(xiàn)該片絕緣子的阻值測試。但該類機器人只能檢測水平放置的絕緣子串。手爪爬行式機器人采用手爪和多軸聯(lián)動機構(gòu)，通過控制手爪的開合和手爪位置的移動來驅(qū)動機器人在絕緣子串上行走，該類型機器人機構(gòu)較為復雜，運動不便。此外還有以行星輪為驅(qū)動機構(gòu)的絕緣子檢測機器人，但該類機器人可靠性較差、不能適應多種型號的絕緣子串。除此之外，上述機器人一般只能適應特定絕緣子類型，重量較大，并且都缺乏可靠的防護措施和高可靠性的環(huán)境適應能力。由于絕緣子串檢測機器人在工作過程中，會受到大風、沙塵、潮氣等環(huán)境因素的影響，因此必須提高機器人的防護等級，以適應各種影響機器人性能的常見氣象環(huán)境。

本文提出一種新型的絕緣子檢測機器人的研發(fā)方案。該方案包括機器人的本體機構(gòu)設計方案，機器人本體控制系統(tǒng)搭建方案，絕緣子檢測模塊設計方案。有別于現(xiàn)有的絕緣子檢測機器人，本文提出的機器人具有高效的行走和檢測方式，結(jié)構(gòu)小巧，輕便易用，可用于檢測多種類型的絕緣子，具備高效智能的檢測功能。

1 絕緣子檢測機器人總體設計

絕緣子串機器人主要包括機器人本體、絕緣子阻值檢測模塊、地面操控端三大部分。機器人本體負責運載絕緣子阻值檢測模塊，在絕緣子串上逐片行走，并觸發(fā)檢測模塊工作。同時，檢測模塊記錄每次測量結(jié)果至儲存卡中。地面操控端負責實時監(jiān)控絕緣子檢測機器人工作狀態(tài)，在啟動、停止或一些特殊情況需要人為操作時對機器人發(fā)出遙操作指令，控制機器人動作。圖1為機器人總體設計示意圖。

機器人本體機構(gòu)由絕緣子攀爬機構(gòu)、保護導向桿、控制箱體和絕緣子檢測模塊構(gòu)成。機構(gòu)接觸絕緣子部分均采用PVC塑料材質(zhì)，以防損傷絕緣子。攀爬機構(gòu)采用輪式或懸臂式結(jié)構(gòu)，在絕緣子串上可以逐個越過絕緣子片。保護導向桿采用輕型材質(zhì)，通過彈性機構(gòu)連接，依附于絕緣子串上，保證攀爬機構(gòu)對絕緣子串有足夠的壓力以避免打滑。同時，機器人通過保護導向桿環(huán)抱絕緣子串，使機器人能夠在絕緣子串上運動而不脫落，保證了機器人的安全性。機器人本體機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。絕緣子狀態(tài)檢測模塊主要部件包含本體、測量探針2個部分。通過線路絕緣子零值檢測，即測量絕緣子的絕緣電阻數(shù)值，判斷其絕緣電阻值是否能達到運行要求，從而判斷絕緣子的絕緣性能。儀器相當于一個“電阻箱”，瞬時給絕緣子一個激勵，通過電路的測量及轉(zhuǎn)換計算，得出絕緣電阻值，通過微控制器與給定限值進行比較判斷，并給出數(shù)字顯示及相關報警燈光顯示(如圖3)。測量探針能夠方便地卡在絕緣子的球頭和碗頭之間。圖4為絕緣子測量原理圖，圖5為機器人在絕緣子串上運動的仿真圖。

圖1 絕緣子檢測機器人總體設計Fig.1 Overall design of insulator detecting robot

圖2 絕緣子檢測機器人本體機械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of main body of insulator detecting robot

圖3 絕緣子阻值檢測模塊原理Fig.3 Detection module principle for insulator resistance

圖4 絕緣子檢測方法Fig.4 Insulator detecting method

圖5 機器人在絕緣子串上運動仿真Fig.5 Motion simulation of robot on insulator string

2 絕緣子檢測機器人研發(fā)方案

2.1 機器人本體機構(gòu)設計方案

機器人本體結(jié)構(gòu)設計需要滿足穩(wěn)定性、便攜性和易用性，其主要組成部分有攀爬機構(gòu)、保護導向桿、控制箱體、絕緣子檢測模塊。

2.1.1 運動機構(gòu)

機器人攀爬機構(gòu)初步設計采用雙齒輪結(jié)構(gòu)，在絕緣子串上行走時齒狀結(jié)構(gòu)有效利用了絕緣子的片狀結(jié)構(gòu)，能夠高效快速地在絕緣子串上運動，避免了打滑情況的發(fā)生[13]。結(jié)構(gòu)采用PVC塑料材質(zhì)，具有質(zhì)量輕，不損傷絕緣子的優(yōu)點。運動過程中，兩輪先后作用于相鄰的兩個絕緣子上，此種方式可有效減短機器人的長度，避免過多的絕緣子檢測失效，提高了安全性。機器人在工作時將逐個跨越絕緣子，機體安裝有紅外反射式傳感器，用于定位絕緣子位置，在每次到達位置時觸發(fā)探針進行測量。

2.1.2 防護機構(gòu)

高空作業(yè)對機器人的安全性，防墜落性能有較高的要求。由于絕緣子串為片狀疊加結(jié)構(gòu)，所以機器人在絕緣子串上運動時難免會出現(xiàn)顛簸。保護導向桿與機身采用彈性連接，在機器人運動過程中提供持續(xù)穩(wěn)定的抱緊力，使機器人行走機構(gòu)在顛簸狀態(tài)下對絕緣子隨時都有足夠的壓力，保證機器人在絕緣子串上可靠行走。同時，連接彈性機構(gòu)設置有保護極限位置，保證機器人在極限位置時環(huán)抱絕緣子串角度大于230°，保證機器人不會在外界干擾(如大風，震動等)情況下脫開絕緣子串，發(fā)生意外墜落。

2.1.3 控制箱體和檢測模塊結(jié)構(gòu)

控制箱體和檢測模塊考慮輕量化和小型化設計，與機身穩(wěn)定連接?？刂葡潴w內(nèi)安裝有主控制板、電機驅(qū)動器、數(shù)傳模塊、電源模塊以及電池。采用小型航空插頭與絕緣子檢測模塊以及電機、傳感器等外圍器件連接。絕緣子檢測模塊與探針執(zhí)行運動機構(gòu)采用一體化設計，保證探針穩(wěn)定可靠地接觸絕緣子上下觸點。

2.1.4 多種絕緣子串適應能力

絕緣子串分為懸垂串(I串)、V串和水平串，串分為單串、雙串、四串。按照絕緣子串的型號不同，其傘裙有所差異。故機器人在設計過程中應該盡可能多地滿足不同類型絕緣子串的要求。由于機器人本體高度橫跨2至3個絕緣子，故在設計過程中需要保證探針能夠檢測到絕緣子串首個絕緣子和最后一個絕緣子。

2.1.5 機器人本體輔助放置結(jié)構(gòu)

機器人在執(zhí)行檢測任務前，需要通過人工方式安放至絕緣子串上。為了能夠高效可靠地完成這一過程，研究過程中擬設計一個輕便的機器人輔助安放機構(gòu)，能夠便于操作人員攜帶上桿塔，將機器人安放至絕緣子串初始位置。

2.1.6 過電壓與過電流保護措施

機器人外殼和走線采用全屏蔽設計，電氣部分通過金屬層包裹，保證機器人在電場環(huán)境下不受干擾。在帶電作業(yè)中，機器人的外側(cè)安裝有4個小型均壓環(huán)，有效降低了電暈現(xiàn)象，從而確保機器人在檢測絕緣子過程中本體機構(gòu)的安全。

2.2 機器人本體控制系統(tǒng)搭建方案

機器人本體有較為嚴格的尺寸和質(zhì)量限制，為減小機器人控制箱體積和質(zhì)量，控制板為全自主設計，這樣能夠更加合理分配電路板上的引腳資源，減小控制板大小，同時更易于在電磁兼容等特性上進行把關。電路板為4層板設計，由于機器人上有較多的感測器、驅(qū)動器等設備，所有的端口在滿足電氣特性的前提下選用最小接插，并合理設計安排走線。系統(tǒng)電源采用24 V鋰電池供電，通過穩(wěn)壓模塊滿足系統(tǒng)內(nèi)部不同設備供電需要。以ARM STM32系列芯片為核心，主控制器以總線或獨立控制方式連接電機驅(qū)動器，驅(qū)動機器人執(zhí)行機構(gòu)電機?？刂葡到y(tǒng)配有小型數(shù)傳電臺，用來和地面操控端通信，滿足數(shù)據(jù)交換傳輸和遙控操作指令發(fā)送需要。機器人還可以選配傾角傳感器、GPS、超聲波等傳感器以實現(xiàn)高性能升級需要。

2.2.1 機器人主控制器

主控器件選用STM32F103VE。該系列芯片結(jié)合了高性能、實時、低功耗、低電壓等特性，內(nèi)部集成整合了非常豐富的資源，涵蓋了機器人控制所需的所有外部設備和結(jié)構(gòu)。

2.2.2 電機及驅(qū)動器

電機和電機驅(qū)動器是機器人的關鍵部件，直接關系到機器人的性能和操作安全。方案采用伺服系統(tǒng)驅(qū)動Pluto Digital Servo Drive，電機采用Maxon電機。系統(tǒng)24 V供電，額定功率為90 W，電機前端配備GP32C型行星齒輪減速器。

2.2.3 電源模塊

采用鋰聚合物電池。由于動平衡、電池組安裝空間、希望工作時間等因素，機器人鋰電池組需要根據(jù)機器人整體設計和空間單獨制作。電池可更換，單塊電池可連續(xù)測量600片絕緣子以上。

2.2.4 紅外傳感器

紅外傳感器用于機器人運動關節(jié)的位置檢測以及障礙物的碰撞檢測。方案中選用的超微型傳感器型號為Q12AB6FF15。

2.2.5 操控手柄

地面控制端部分主要由上位機、遙控操作手柄、無線電臺模塊組成，操作人員可通過人機交互界面實時控制機器人。

2.2.6 通信模塊

數(shù)傳電臺采用微型工業(yè)級跳頻數(shù)傳電臺SageDATA900i。SageDATA900i的靈敏度高達-116 dBm，具有出色的遠距離通訊能力。電臺的端口數(shù)據(jù)速率高達230.4 kbps，性能卓越。支持中繼、漫游、點對多點等多種組網(wǎng)方式?？梢岳@過建筑群通訊，可在各種惡劣環(huán)境中提供健壯的無線鏈路，穩(wěn)定可靠地長期運行。此外，該數(shù)傳電臺體積小，質(zhì)量輕，易與各種設備集成。

2.3 絕緣子檢測模塊設計方案

2.3.1 高壓電源發(fā)生器(5 000 V)

絕緣子串檢測模塊開關電源的供電電壓為12 V，采用推挽電路，其開關管的柵極在激勵方波信號控制下交替導通與截止，12 V直流電壓變換成高頻方波后，交替加在升壓變壓器的兩個原邊，相當于一個半峰值12 V的交變方波加在變壓器的原邊上，之后在次邊按匝數(shù)比變換為高壓方波。為了得到穩(wěn)定的高壓，系統(tǒng)設計了帶有過流保護的穩(wěn)壓電路。先將輸出電壓采樣反饋到“運放”的正輸入端，再與負輸入端的基準電壓比較后，來控制后級電路的狀態(tài)，從而達到系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電壓的目的。該高壓電源發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓電路采用了負反饋，具有自動調(diào)節(jié)電壓的功能，同時帶有過電流保護功能，因此可作為絕緣電阻測試儀的高壓電源。

2.3.2 檢測模塊控制系統(tǒng)設計

檢測系統(tǒng)主要由微控制器、存儲系統(tǒng)組成，完成對測量的絕緣子絕緣電阻的采集、處理、顯示和存儲。檢測結(jié)果可通過USB接口導入計算機。檢測模塊系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 絕緣子檢測模塊系統(tǒng)框

Fig.6 Block diagram for insulator detecting unit

2.3.3 存儲系統(tǒng)設計

存儲系統(tǒng)能夠?qū)崟r記錄并存儲每一片絕緣子的檢測時間和結(jié)果，并能自動鎖定零值絕緣子。絕緣子零值測量前可人工設定線路桿塔號、絕緣子相位等信息，并按設定信息逐相、逐片測量。

2.3.4 防護設計

由于高值電阻測量對象的電阻值同其絕緣電阻具有相近的量級，因此高阻測量電路泄漏的防護成為高阻測量的關鍵問題之一。防護要點如下。

(1)絕緣：是抑制和減少泄漏的最直接和有效的方法，電路各部分間的絕緣主要取決于儀器的結(jié)構(gòu)和采用的材料，環(huán)境是影響絕緣的外部因素。

(2)隔離與匯流：泄漏是空間電場作用的結(jié)果，是電路各部分間不希望存在的“沒有”電路的電流通路，泄漏是一種宏觀的分布電量。由于這些特性，給泄漏的防護帶來一系列困難。用金屬殼體制成的屏蔽包圍被防護電路，是改變被防護電路泄漏狀況的最有效手段，其作用是對內(nèi)切斷被防護電路同其他電路間的“一切”泄漏通路，“一切”的含義在直流測量電路中的含義是除空氣和電路本身外，被防護部分只能同屏蔽相接。亦即被防護電路僅泄漏于屏蔽。因此，屏蔽是隔離與匯集泄漏使其變?yōu)榧须娏康墓ぞ?，是對外泄漏的集中和出發(fā)點。屏蔽的第二作用是避免空間電磁場對測量的干擾。

(3)定位與引流：在屏蔽基礎上的防護是對屏蔽進行的，通常是將屏蔽接向電路的某一點。給屏蔽以電位來確定屏蔽對電路各部分的電位關系。所接的電位點取決于防護的目的。通常有與被屏蔽電路保持固定電位以固定泄漏；與對稱的被屏蔽電路中點等電位以使總泄漏等于0；與電路某點等電位以防止對某點的泄漏；對某一部分電路或被屏蔽電路保持低電位以減小對其泄漏；保持對某點的高電位以使泄漏集中于該點等。給屏蔽以電位時，必須兼顧屏蔽對內(nèi)及對外的電位關系給泄漏以通路。該點即被屏蔽電路集中于屏蔽的泄漏的輸出點，所接的點同樣取決于防護的目的：使泄漏不流經(jīng)測量電路；引導泄漏于低阻電路或輔助電路；分配泄漏使其作用抵消。浮空的屏蔽通常是不可取的。

3 實驗驗證

3.1 絕緣子測試平臺搭建

按照220 kV輸電線路常規(guī)用絕緣子片數(shù)，將14片XWP-160雙傘型瓷絕緣子安裝在模擬橫擔的下方，模擬導線與橫擔成90°角。模擬導線上施加高壓，模擬橫擔接地。14片絕緣子的編號自導線側(cè)開始排序，靠近導線側(cè)為1號，靠近橫擔側(cè)為14號。為驗證絕緣子機器人能否準確檢測出運行中絕緣子串的零值絕緣子，兩片在陡波沖擊試驗中擊穿的該型絕緣子被安裝在2號和8號位置。

3.2 絕緣子串的檢測結(jié)果

由于該機器人在檢測絕緣子時，顯示的是絕緣子的絕緣電阻，并設定阻值上限為2.5×109Ω。因此，從表1可以看出，無論對絕緣子串是否施加電壓，使用該絕緣子檢測機器人測量出的絕緣電阻都能基本反映絕緣子的狀態(tài)。通過設置對照組，有效地判斷絕緣子的好壞。由表1可見，已經(jīng)擊穿的絕緣子(2號和8號)的絕緣電阻阻值相對很低，僅有幾十MΩ。此外，為了驗證該絕緣子檢測機器人能否有效檢測出絕緣子，3號與7號絕緣子上分別并聯(lián)了2×108Ω和3×108Ω的電阻。在不加電壓的情況下，使用檢測裝置測出的絕緣電阻分別為1.84×108Ω和3.16×108Ω。這表明，檢測機器人也能夠有效地檢測出低值絕緣子。

表1 14片絕緣子的檢測結(jié)果

Table 1 Detecting results for 14 insulators

3.3 地面操控端軟件設計

為了更加安全、高效、便捷地控制絕緣子檢測機器人，工程師開發(fā)了一套地面操控端軟件平臺。該軟件功能包括控制機器人主體上下左右運動，暫停運動，機械主體復位，測試絕緣子狀態(tài)，獲取并顯示測量數(shù)據(jù)，遠程設置搖桿電機速度與舵機位置，顯示左右機械臂的位置信息、傳感器狀態(tài)等，如圖7所示。機器人主體實物照片如圖8所示，機器人運動實驗錄像截圖如圖9所示，帶電實驗如圖10所示。機器人尺寸(長×寬×高)為0.7 m×0.7 m×0.45 m；機器人質(zhì)量為9.3 kg；機器人行走并檢測1片絕緣子平均用時為7 s；機器人連續(xù)行走并檢測6片絕緣子用時為33 s。

圖7 地面操控端軟件Fig.7 Software for ground terminal operation

圖8 絕緣子檢測機器人實物圖Fig.8 Photos of insulator detecting robot

圖9 檢測6片絕緣子的實驗錄像截圖Fig.9 Experimental video snapshots of 6 detected insulators

圖10 機器人在線高壓帶電實驗Fig.10 Robot experiment on EHV transmission line

4 結(jié) 論

本文提出了一種實用新穎的超、特高壓輸電線路絕緣子檢測機器人的研發(fā)方案。首先，給出了檢測機器人的總體設計方案。并將整體方案劃分為3個具體實施方案：檢測機器人的本體機構(gòu)設計方案，機器人本體控制系統(tǒng)搭建方案，絕緣子檢測模塊設計方案。實驗驗證表明，采用向被測絕緣子上施加脈沖電壓的方法，可以測出被測絕緣子的絕緣電阻值，實現(xiàn)高壓懸式絕緣子絕緣電阻的帶電和不帶電定量檢測。結(jié)合目前該研究領域的功能需求，所研制的絕緣子檢測機器人可以方便攜帶至塔上，具有高效的行走和檢測方式，進而減少操作人員在高空作業(yè)的時間，確保人身安全。該方案可用于檢測多種不同類型的輸電線路絕緣子，具備可拓展性，可以面向用戶定制開發(fā)，對確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

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汪曉 (1972)，男，工程碩士，高級工程師，主要從事輸電運檢管理方面的研究工作；

陳垚(1987)，男，碩士，電氣工程師，主要從事電網(wǎng)監(jiān)測設備和電網(wǎng)用機器人方面的研究工作；

單軍(1960)，男，大專，高級工程師，主要從事輸電線路專業(yè)技術(shù)方面的研究工作；

余祥勇(1966)，男，高中，帶電檢修高級技師，主要從事輸電線路檢修方面工作；

丁勇 (1974)，男，大專，帶電檢修高級技師，主要從事輸電帶電作業(yè)方面的工作；

劉志林 (1986)，男，本科，電氣工程師，主要從事輸電運檢帶電檢修方面的工作。

(編輯：張小飛 )

A Novel Design of Insulator Detecting Robot for HV Transmission Lines

WANG Xiao1， CHEN Yao2， SHAN Jun1， YU Xiangyong1， DING Yong1， LIU Zhilin1

(1. State Grid Anhui Electric Power Maintenance Branch, Hefei 230061, China;2. Beijing Guowang Fuda Science & Technology Development Co., Ltd., Beijing 100070, China)

This paper presented a novel design of insulator detecting robot for EHV/UHV transmission line. With the features of compact in size, easy operation and applicability for the zero value detecting of insulator string, the proposed robot had efficient walking and detection methods. Maintenance personnel only needed to cooperate with the detection procedures of the robot, and placed the robot on the insulator that needed to be overhauled. Then the robot would automatically detect one by one, and immediately triggered intelligent insulator detection unit, calculated the resistance value of each insulator. Software simulation and hardware experiment show that this insulator detecting robot can achieve intelligent security detection, which has important social and economic benefits for ensuring the safe and stable operation of power system.

high voltage transmission line; insulator detection; detecting robot; automatic control system

TM 755

A

1000-7229(2015)06-0077-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.013

2015-02-20

2015-04-15