馬飛越，佃松宜，游 洪，劉威峰，田 祿，周 秀，蔡建輝

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.四川大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610000）

GIS罐體內(nèi)部異物清理機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用

馬飛越1，佃松宜2，游 洪2，劉威峰1，田 祿1，周 秀1，蔡建輝1

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.四川大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610000）

針對(duì)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear,GIS）內(nèi)部異物顆粒引起設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)畸變,從而造成設(shè)備閃絡(luò)故障問題，通過對(duì)異物顆粒的產(chǎn)生原因及影響因素進(jìn)行分析，研制了一種GIS罐體內(nèi)部異物顆粒清理機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了GIS設(shè)備內(nèi)部可視化異物清理功能。應(yīng)用結(jié)果表明：機(jī)器人檢測(cè)不僅提高了750 kVGIS內(nèi)部缺陷檢查的效率，而且保證了檢測(cè)人員的安全，為GIS狀態(tài)檢修提供了有效技術(shù)支持。

GIS；異物顆粒；腔體清理；機(jī)器人

據(jù)國網(wǎng)公司2006年-2015年設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）故障占比越來越大，并且故障原因多樣，故障類型［1］大概可分為10種，如圖1所示。

圖1近10年GIS設(shè)備故障類型統(tǒng)計(jì)

其中，異物導(dǎo)致放電故障次數(shù)最多，占29%。GIS內(nèi)部異物大多為異物自由顆粒。

2015年11月，某330 kV變電站內(nèi)110 kVGIS設(shè)備超聲波局部放電檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)母線內(nèi)部存在異物顆粒放電信號(hào)，廠家打開手孔蓋板對(duì)設(shè)備內(nèi)部目視檢查并通過吸塵方式進(jìn)行清理，清理后再次進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)超聲局放檢測(cè)仍存在異物缺陷，經(jīng)歷3次開蓋檢查才徹底處理完成，不僅耗費(fèi)了大量的人力、物力及時(shí)間，同時(shí)經(jīng)歷多次交流耐壓試驗(yàn)也給設(shè)備造成了累積絕緣疲勞。

1 GIS GIS罐體內(nèi)部異物

1.1異物產(chǎn)生的原因

GIS設(shè)備主要由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器等電氣元件組成，利用SF6氣體絕緣性能各元件均封裝在充滿SF6氣體的GIS殼體內(nèi)部［2］。在生產(chǎn)制造階段，設(shè)備內(nèi)部各元件已被打磨光滑并經(jīng)沖洗除去雜質(zhì)，但設(shè)備各部件組裝產(chǎn)生的部件間摩擦、運(yùn)輸過程中的機(jī)械振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作時(shí)引起的碰撞沖擊以及放電引起的碎片脫落都會(huì)在GIS罐體產(chǎn)生金屬異物顆粒；在設(shè)備安裝過程中抽真空或充SF6氣體時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的漂浮異物也易進(jìn)入GIS殼體內(nèi)部形成異物顆粒；運(yùn)行過程中由于設(shè)備吸附劑罩缺陷，密封硅脂及潤滑脂使用不當(dāng)，金屬件表面油漆等工藝處理不良也會(huì)產(chǎn)生異物缺陷［3］，這些異物顆粒有細(xì)長的線形、螺旋線形、球形、粉末狀等不同形狀，它們?cè)陔妶?chǎng)中帶電后受靜電作用會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重影響GIS設(shè)備的絕緣性能。

1.2內(nèi)部異物的危害

GIS內(nèi)部存在異物顆粒時(shí)，由于GIS運(yùn)行過程中，內(nèi)部異物顆粒處于交變的電場(chǎng)環(huán)境中，在高壓電場(chǎng)作用下，異物顆粒因攜帶電荷會(huì)受到電動(dòng)力作用［4］，當(dāng)受到的庫侖力大于顆粒自身的重力時(shí)，異物顆粒會(huì)從罐體底部浮起，并在其表面上跳動(dòng)，造成GIS內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生畸變，易引起設(shè)備內(nèi)部盆式絕緣子、支柱絕緣子或絕緣拉桿等部件表面閃絡(luò)，造成設(shè)備故障。

2 GIS GIS異物清理機(jī)器人的研發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)GIS、罐式斷路器等設(shè)備內(nèi)部的可視化及異物清理功能，確定GIS罐體內(nèi)部異物清理機(jī)器人研發(fā)技術(shù)方案為：控制部分采用Inter Edison控制平臺(tái)，并在其上運(yùn)行Linux系統(tǒng)；人機(jī)交互部分采用帶藍(lán)牙手柄的Android操作平臺(tái)；異物清掃功能通過機(jī)器人底部可調(diào)功率的吸塵模塊實(shí)現(xiàn)。

2.1整體架構(gòu)組成

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）檢測(cè)清理機(jī)器人系統(tǒng)，主要由檢測(cè)設(shè)備、人機(jī)交互系統(tǒng)、移動(dòng)小車以及電源等部分構(gòu)成，其整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2機(jī)器人整體架構(gòu)

圖2中，移動(dòng)小車為機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其功能為：控制機(jī)器人在GIS管道內(nèi)行走、協(xié)助機(jī)器人完成預(yù)定的操作指令。在小車的移動(dòng)機(jī)構(gòu)中，分布有運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)器人的掃地裝置以及電源系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)GIS機(jī)器人的動(dòng)作操控。檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)為機(jī)器人的監(jiān)控部分，該部分為一個(gè)6自由度的可調(diào)節(jié)的云臺(tái)結(jié)構(gòu)，由具有4自由度的機(jī)械臂和具有2自由度的旋轉(zhuǎn)云臺(tái)共同組成。用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)GIS罐體內(nèi)的可視化檢測(cè)。人機(jī)交互系統(tǒng)通過Android操作平臺(tái)與藍(lán)牙手柄，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互。操作平臺(tái)與機(jī)器人系統(tǒng)之間，通過藍(lán)牙傳輸控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互功能。

2.2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GIS罐體內(nèi)部異物清理機(jī)器人硬件部份是整個(gè)設(shè)備運(yùn)行的保障，需充分考慮機(jī)器人可擴(kuò)展性。硬件電路部分主要由電源、主控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器采集模塊等部分組成，如圖3所示。

圖3硬件電路

電源部分采用防浪涌、防正負(fù)反接的措施，加上充分的電源濾波，給系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源環(huán)境。

主控電路包括高速高性能的Inter Edison控制芯片及stm32協(xié)處理器，在Inter Edison上運(yùn)行的Linux系統(tǒng)，在stm32協(xié)處理器上運(yùn)行的電機(jī)及傳感器驅(qū)動(dòng)程序，從而保證機(jī)器人系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確可靠的工作。

機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)主要由移動(dòng)小車、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、6自由度云臺(tái)攝像頭、補(bǔ)光設(shè)備、傳感器等部分組成（如圖3所示）。機(jī)器人設(shè)計(jì)尺寸358mm×300 mm×155.6mm(長×寬×高)，重量為3.5 kg，機(jī)器臂整體舉升為437mm，機(jī)器人左右移動(dòng)角度20°，能夠充分滿足無死角檢測(cè)GIS罐體的要求，同時(shí)滿足清掃罐體底部異物的要求。

GIS檢測(cè)清理機(jī)器人工作于GIS罐體內(nèi)部，其移動(dòng)小車外形采用了弧形結(jié)構(gòu)，以便更好地適應(yīng)GIS罐體內(nèi)部，同時(shí)為機(jī)器人提供足夠的工作空間。在移動(dòng)小車系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中，采用配重的方式設(shè)計(jì)其每部分需要裝置的機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制板、電源系統(tǒng)，清掃裝置等，以便機(jī)器人的整體重心位于其幾何中心上。在移動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式上，為保障其全向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右各20°的偏移，同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)過程中各驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間不存在干擾，選擇了帶麥克納姆輪的獨(dú)立懸掛驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

考慮到現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)能力較差，且其發(fā)熱量大的特點(diǎn)，在本項(xiàng)目中，采用MOS管搭建了H橋，通過UART來接收485總線的轉(zhuǎn)速指令，然后經(jīng)MCU處理后形成不同脈寬的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)，編碼器的值還能實(shí)時(shí)反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，隔離芯片的加入有效地隔離了功率級(jí)和控制級(jí)，其驅(qū)動(dòng)控制如圖4所示。

圖4電機(jī)驅(qū)動(dòng)

GIS檢測(cè)清理機(jī)器人的云臺(tái)機(jī)構(gòu)由4自由度機(jī)械臂和2自由度拍攝云臺(tái)組成。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂舉伸的要求，機(jī)械臂選用質(zhì)量較輕，承重較大的材料，其中，機(jī)械臂的舉升總長度達(dá)437mm，滿足在GIS腔體內(nèi)監(jiān)控舉升300mm的要求；而2自由度的拍攝云臺(tái)可在機(jī)械臂上360°旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)在腔體內(nèi)的無死角拍攝；同時(shí)，為保障攝像機(jī)的拍攝質(zhì)量，在攝像機(jī)的拍攝過程中，增加了對(duì)應(yīng)的補(bǔ)光方案，以彌補(bǔ)攝像機(jī)在拍攝過程中光線不足的問題。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5機(jī)器人整體實(shí)物結(jié)構(gòu)

2.3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式軟件是該設(shè)備的重要組成部分，也是與Android操作平臺(tái)上下溝通的橋梁。系統(tǒng)軟件采用搶占式調(diào)度實(shí)時(shí)多任務(wù)處理，該處理方式能在系統(tǒng)運(yùn)行的任何時(shí)候都先執(zhí)行就緒了的最高的優(yōu)先級(jí)任務(wù)，以確保關(guān)鍵任務(wù)被及時(shí)處理。在整個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)中，硬件電路處于從機(jī)地位，因此，串口處理處于最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，以確保Android操作平臺(tái)所發(fā)送的指令能及時(shí)執(zhí)行和反饋。采用多個(gè)任務(wù)功能處理信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、事件標(biāo)志之間的信息交換以及對(duì)臨界資源的訪問。

依照硬件電路的劃分，嵌入式軟件按照功能相應(yīng)劃分為：通信處理，輸入接口處理，輸出處理，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息采集等部分。整體的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6系統(tǒng)軟件架構(gòu)流程

為更好實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS管道罐體內(nèi)部的可視化檢測(cè)及罐體底部的異物清掃，機(jī)器人系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)采用基于藍(lán)牙手柄的Android操作平臺(tái)，從而可以通過調(diào)節(jié)手柄的按鈕來實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作指令輸入。具體的人機(jī)交互平臺(tái)控制如圖7所示。

圖7人機(jī)交互平臺(tái)控制

從圖7可以看出，機(jī)器人系統(tǒng)通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人硬件系統(tǒng)與人機(jī)交互平臺(tái)之間的信號(hào)交流。在人機(jī)交互平臺(tái)中，其主體為基于Android系統(tǒng)的平板控制臺(tái)，并將其集成到藍(lán)牙手柄控制終端，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視頻模塊的實(shí)時(shí)信息顯示、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)、機(jī)器人系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)以及運(yùn)動(dòng)控制模塊的監(jiān)測(cè)。

3 效果評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證研發(fā)的GIS罐體內(nèi)部異物清理機(jī)器人的功能及性能是否滿足要求，結(jié)合寧夏電網(wǎng)某750 kV變電站750 kV斷路器內(nèi)部缺陷檢查處理現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用。該斷路器設(shè)備在投運(yùn)前交流耐壓同時(shí)超聲波局放檢測(cè)發(fā)現(xiàn)罐體內(nèi)部存在自由顆粒缺陷。由于罐體內(nèi)部較大，操作人員在斷路器手孔部位從外部無法有效檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，操作人員如進(jìn)入罐體內(nèi)部，殘流的SF6氣體會(huì)造成人員缺氧窒息，罐體內(nèi)部濕冷的環(huán)境也易造成人員手腳凍傷。使用機(jī)器人對(duì)罐體內(nèi)部異物進(jìn)行清理，很好地解決了這一難題。機(jī)器人通過斷路器手孔部位進(jìn)入罐體內(nèi)部，操作人員在罐體外部通過可視化功能進(jìn)行檢查操作，機(jī)器人在罐體內(nèi)部行走檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部存在異物顆粒時(shí)，通過高清攝像頭將影像傳遞給操作人員，操作人員使用異物清掃功能指揮機(jī)器人進(jìn)行清理，異物清理工作全部完成后，機(jī)器人退出罐體。機(jī)器人在罐體內(nèi)部檢查狀態(tài)如圖8所示，檢查發(fā)現(xiàn)的罐體內(nèi)部異物顆粒如圖9所示。

圖8 機(jī)器人在罐體內(nèi)部檢查狀態(tài)

圖9檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在異物顆粒

4 結(jié)論

（1）GIS罐體內(nèi)部異物清理機(jī)器人的研發(fā)，使操作人員可以通過機(jī)器人的可視化功能有效檢查設(shè)備內(nèi)部缺陷，避免設(shè)備內(nèi)部異物缺陷的漏檢。

（2）機(jī)器人通過弧形結(jié)構(gòu)、麥克納姆輪的構(gòu)架，與GIS設(shè)備及罐式斷路器內(nèi)部弧形的筒體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，不僅可以靈活前進(jìn)及后退，還能實(shí)現(xiàn)橫向位移，為可視化提供廣闊的視野。

（3）機(jī)器人采用大功率的吸塵模塊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異物的時(shí)候可以通過控制平臺(tái)的吸力水平，適用于不同大小的異物顆粒收集。

（4）機(jī)器人采用基于Android操作平臺(tái)與藍(lán)牙手柄的人機(jī)交互模式，不僅為設(shè)備投運(yùn)前內(nèi)部檢查提供新的手段，更避免了設(shè)備故障時(shí)解體檢查接觸有毒分解物對(duì)操作人員的安全危害，提升了GIS設(shè)備狀態(tài)檢修的效率及安全性。

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［2］ 劉洪正.高壓組合電器[M].北京：中國電力出版社，2014.

［3］ 國家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.提升GIS運(yùn)行可靠性108項(xiàng)措施建議[Z].北京：國家電網(wǎng)公司，2015，12.

［4］ 胡泉偉，張亮，吳磊，等.GIS中自由金屬顆粒缺陷局部放電特性的研究[J].陜西電力，2012（01）：1-4.

Developmentand app lication of robotw ith foreignmatters cleaning function inside the GIS cavity

MA Feiyue1,DIAN Songyi2,YOU Hong1,LIUW eifeng1,TIAN Lu1,ZHOU Xiu1,CAIJianhui1
(1.PowerResearch Institute of State Grid Ningxia PowerCo.,Yinchuan Ningxia 750011,China; 2.Schoolof Electric&Information Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610000,China)

Aiming at the problem of the foreign particles inside gas insulated switchgear(GIS)easily causing electric field distortion inside the equipment and resulting in the arcing fault of GIS,By the analysis the producing reason and the influence of factors of the foreign particles,develops and manufactures a robot to clean the foreign particles inside the GIS cavity,realizes the function of foreign particles cleaning visualization inside the GIS.The application result shows that the robotnot only promotes the inside defection examination efficiency of 750 kV GIS,but also guarantees the safety of the examination staff.It provides effective technique support for GIS condition-based maintenance.

GIS;foreign particles;cavity cleaning;robot

TM83

B

1672-3643（2017）02-0043-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.009

2017-01-18

馬飛越（1986），男，工學(xué)碩士，從事高電壓絕緣及試驗(yàn)研究工作。

有效訪問地址：http：//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.009