谷凱凱，程 林，許曉路，蘇 磊，劉益岑，李德洋

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430000；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海200000；3.國網(wǎng)四川省電力公司，成都610000）

0 引言

絕緣子在架空輸電線路中主要起著支撐導(dǎo)線和防止電流回地兩個基本作用，絕緣子的運行安全會影響到整個輸電系統(tǒng)的安全可靠性[1]。然而，隨著時間積累，絕緣子長期暴露在復(fù)雜的外界環(huán)境下，受到機(jī)電負(fù)荷、雷擊、冰凍、強電場、溫濕度變化等的影響，導(dǎo)致其絕緣性能逐漸下降甚至引發(fā)輸電系統(tǒng)事故。有效檢測并及時更換劣化絕緣子，能夠大大降低輸電系統(tǒng)事故發(fā)生率，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[2-3]。

長期以來，絕緣子的檢測一直依靠人工完成。人工檢測絕緣子的工作量大，勞動時間長，檢測效率低，檢測精度欠缺，難以適應(yīng)當(dāng)前電力生產(chǎn)對安全的要求。相比直接觀測法，紫外成像法，紅外成像法，超聲波法，憎水性檢測方法，泄漏電流測量法等幾種用于絕緣子帶電檢測方法的實驗室及現(xiàn)場運行情況來看，電場法成本低廉，直接檢測，操作簡單，更加適用于國內(nèi)推廣使用，為高壓輸電線路絕緣子帶電檢測提供了一種行之有效的檢測手段[3-10]。

近年來，國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)對絕緣子檢測機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，利用移動機(jī)器人攜帶檢測裝置對絕緣子進(jìn)行檢測，取得了一些成績，但要實現(xiàn)全自主檢測，多種類型絕緣子通用等功能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大，技術(shù)不成熟，實際應(yīng)用效果不理想，總體上仍處于探索階段。目前絕緣子檢測機(jī)器人的研究主要有輪式、履帶式、手爪爬行式三種類型[11-14]。輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但路徑、姿態(tài)穩(wěn)定性不足，其應(yīng)用范圍受到限制。履帶式機(jī)器人適用于超高壓輸電線路耐張塔雙聯(lián)瓷質(zhì)耐張絕緣子串帶電檢測，且該類機(jī)器人體積較大，攜帶不便。手抓爬行式機(jī)器人采用手爪和多軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)，通過控制手爪的開合和手爪位置的移動來驅(qū)動機(jī)器人在絕緣子串上行走，該類機(jī)器人機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運動不便，成本高，受絕緣子串型號影響較大。

筆者提出了一種基于電場法的導(dǎo)軌式輸電線路劣化絕緣子檢測設(shè)備，其移動機(jī)構(gòu)具備遙控功能，可使電場檢測裝置在絕緣子上平滑、輕巧的移動，以提高檢測精度。設(shè)備利用電場傳感器實現(xiàn)對絕緣子串電場分布的檢測，判斷絕緣子劣化情況，具有操作簡便、準(zhǔn)確性高適應(yīng)多電壓等級、多種絕緣子類型等優(yōu)勢，能夠提高輸電線路劣化絕緣子的檢測效率，減少作業(yè)強度，對保證輸電線路安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。

1 絕緣子帶電檢測設(shè)備總體設(shè)計

根據(jù)功能需求本絕緣子檢測設(shè)備可分為裝置主體、后臺解析部分、手持遙控器終端等部分組成，整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主體部分

裝置主體部分包含運動執(zhí)行、檢測、控制三個模塊。

1.1.1 運動執(zhí)行模塊

運動執(zhí)行模塊通過固定輔助支架固定在桿塔上，調(diào)整支架角度后，將搭載有移動小車的絕緣導(dǎo)軌固定在支架之上，開啟電源之后，通過手持遙控器控制移動小車帶動電場檢測裝置沿導(dǎo)軌方向做前進(jìn)、后退，停止運動，完成絕緣子的檢測。

1.1.2 檢測模塊

檢測模塊主要采用電場傳感器檢測電場數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波放大電路后將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU進(jìn)行處理。

1.1.3 控制模塊

控制模塊主要是讓主控MCU接收手持遙控器的操作命令，按照檢測工作流程控制移動小車在導(dǎo)軌上精確運動，并將電場檢測數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、時間等一系列測量數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊傳輸給手持端軟件及遙控器。

1.2 后臺解析部分

手持端通過無線收發(fā)模塊接收到檢測數(shù)據(jù)包，交給劣化絕緣子分析軟件，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包，數(shù)據(jù)分類，結(jié)合電場法檢測模型繪制被測絕緣子串的電場分布曲線，再根據(jù)曲線曲率變化及與正常情況電場分布曲線作比較，輸出檢測結(jié)果。

1.3 手持遙控器及終端

遙控器具備檢測任務(wù)的開啟、結(jié)束。手動檢測模式下，控制移動小車前后運行、停止。

手持終端可錄入待檢測絕緣子、線路的基本信息資料，并具備實時檢測數(shù)據(jù)的接收顯示、存儲、曲線繪制，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 導(dǎo)軌式運動機(jī)構(gòu)設(shè)計

針對野外輸電線路桿塔上的絕緣子進(jìn)行帶電檢測，需要使用方便靈活，并且適應(yīng)電壓等級500 kV及以下和各種安裝角度的絕緣子的特點，需要檢測設(shè)備滿足操作簡便，輕量化、自動化、通用化程度高，性能穩(wěn)定，抗干擾性好等諸多條件。因此筆者設(shè)計了一種具備遙控功能的，在一定角度范圍內(nèi)可以多自由度動作的有軌移動機(jī)構(gòu)，作為電場檢測裝置的搭載平臺。導(dǎo)軌式絕緣子分布電場檢測設(shè)備運動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 絕緣子檢測設(shè)備運動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of motion mechanism of insulator testing equipment

2.1 移動小車與檢測裝置

移動小車通過連桿搭載檢測裝置，使用遙控器控制其運動，可使檢測裝置沿導(dǎo)軌平滑運動，平穩(wěn)檢測絕緣子串附近的電場強度分布，降低檢測數(shù)據(jù)的波動性，最大限度地減輕操作人員的勞動強度。

移動小車以齒輪齒條作為傳動方式，采用帶減速機(jī)的微型步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動動力，移動速度連續(xù)可調(diào)。導(dǎo)向滾輪采用MC尼龍材質(zhì)，密度小，重量輕，免潤滑，并安置了減震裝置，可適應(yīng)絕緣導(dǎo)軌伸長后的截面形狀變化，避免移動過程中出現(xiàn)的劇烈抖動，造成的分析誤判。見圖3。

圖3 移動小車示意圖Fig.3 Mobile car diagram

檢測裝置本體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由檢測儀（內(nèi)置電場傳感器、光電傳感器）、連桿接頭、導(dǎo)向罩（ABS工程塑料）等部分組成。電場傳感器為電容式電場傳感器，主要用于對絕緣子串縱向電場的測量；光電傳感器主要用于精確定位傘裙位置，便于檢測儀在絕緣子串上獲取有效一致的電場數(shù)據(jù)；導(dǎo)向罩，在滿足與絕緣子串表面緊密貼合的前提下，使移動人小車能帶動檢測儀順利在絕緣子串移動。為確保檢測裝置能在500 kV電壓等級以下常用復(fù)合及瓷質(zhì)絕緣子串上穩(wěn)定平滑移動，設(shè)計了三種大小的絕緣子導(dǎo)向罩，如圖5所示。

圖4 絕緣子檢測裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of insulator testing device

圖5 3種尺寸絕緣子導(dǎo)向罩Fig.5 Three sizes insulators guide cover

移動小車搭載分布電場檢測裝置，檢測模塊檢測絕緣子串電場數(shù)據(jù)并將信號傳至MCU進(jìn)行處理，利用藍(lán)牙實時回傳數(shù)據(jù)給塔上作業(yè)人員手持端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、存儲及曲線繪制，從而判斷出低零值絕緣子的位置。

2.2 絕緣導(dǎo)軌及輔助固定支架

絕緣運動導(dǎo)軌采用高強度絕緣材料加工，與傳動機(jī)構(gòu)能夠很好地固定，并能夠多節(jié)拼接，適用于多種長度的絕緣子串檢測需要，加上穩(wěn)定支撐作用的導(dǎo)向滾輪，使移動機(jī)小車在其上能平滑的直線運動。根據(jù)電壓等級的不同，能快速增減絕緣導(dǎo)軌的長度，以適應(yīng)現(xiàn)場操作的需要。

輔助固定支架可在0～90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，能方便導(dǎo)軌固定在桿塔上，確保軌道能夠盡可能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動角度保持與絕緣子的距離，以免產(chǎn)生較大波動，形成誤判。見圖6。

3 絕緣運動導(dǎo)軌仿真分析與校驗

由于絕緣子檢測設(shè)備需要進(jìn)行輕量化設(shè)計，筆者在材料選擇和受力狀態(tài)上進(jìn)行了仿真分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理提供參考依據(jù)。

3.1 計算方法與內(nèi)容

計算方法為有限元法[15-16]，所用計算軟件為有限元分析軟件ANSYS Workbench 14.5。首先導(dǎo)入Solid works建立的絕緣子檢測支架模型，做相應(yīng)簡化處理并進(jìn)行剖分，然后施加載荷并確定約束條件，最后對計算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖6 絕緣導(dǎo)軌與輔助固定支架Fig.6 Insulation guide rails and auxiliary fixed bracket

詳細(xì)計算內(nèi)容如下：

1）60 mm×30 mm×3 mmU型槽管、60 mm×30 mm×3 mm矩形管、50 mm×30 mm×4 mmU型槽管三種管型絕緣導(dǎo)軌在輔助固定支架上固定，且檢測設(shè)備拖曳小車在最遠(yuǎn)端時，支架的整體撓度分布情況、轉(zhuǎn)動套管的應(yīng)力分布情況。

2）更改設(shè)計為帶懸臂的簡支梁結(jié)構(gòu)，支架的整體撓度分布情況、轉(zhuǎn)動套管的應(yīng)力分布情況。

3）轉(zhuǎn)動管臂長度由300 mm減少到200 mm，轉(zhuǎn)動管臂的應(yīng)力分布情況。

4）輔助固定支架型材為30 mm，分析豎直固定的桿件形變能否滿足強度要求。

3.2 仿真模型設(shè)定

圖7至圖9分別為Solidworks絕緣子檢測支架模型的正視圖、俯視圖、側(cè)視圖和等軸側(cè)圖。

圖7 檢測支架正視圖、俯視圖Fig.7 Front view and top view of detecting bracket

圖8 檢測支架側(cè)視圖Fig.8 Side view of detecting bracket

整個模型大致可分為四個部分：

1）輔助固定支架：由桿件、鉸鏈扣、鉸接頭等部件組成，起支撐作用。

圖9 檢測支架等軸側(cè)圖Fig.9 Isometric view of detecting bracket

2）扣件：由導(dǎo)柱上下扣、吊桿凹扣、轉(zhuǎn)動套管等部件組成，作用是連接導(dǎo)軌和豎直管件。

3）導(dǎo)軌：通過插銷和塔扣連接固定五根絕緣導(dǎo)軌。

4）檢測儀。

支架模型圖如圖10、圖11所示，其相關(guān)結(jié)構(gòu)和材料設(shè)置如下：

1）絕緣導(dǎo)軌總長7.5m，截面分別為60mm×30mm×3 mm（U型）、60 mm×30 mm×3 mm（矩形）、50 mm×30 mm×4 mm（U型）；構(gòu)成輔助支架的桿件長度分別為1.3 m、0.8 m和0.4 m；拖動小車移動的連桿長度為0.8 m。所用材料為環(huán)氧酚醛層壓布棒3 240。彈性模量為24 GPa，泊松比為0.35，密度為1 800 kg/m3。

2）吊桿上扣板、鉸鏈扣、移動鎖緊扣、單耳鉸鏈頭、雙耳鉸鏈頭、堵頭等部件所用材料為鈦Ti-8AI-1Mo-1V。彈性模量為120 GPa，泊松比為0.32，密度為4 370 kg/m3。

3）轉(zhuǎn)軸、導(dǎo)體下扣、導(dǎo)體上扣、彈簧壓扣、轉(zhuǎn)動套管、聯(lián)接板、軸承套、端板、活動鉸鏈扣、活動鉸鏈軸管所用材料為Q235A。彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

4）定位銷、彈簧柱塞、滾針?biāo)貌牧蠟?5結(jié)構(gòu)鋼。彈性模量為190 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。

5）線盤、連接塊、滾針排固定環(huán)件所用材料為2A12（鋁合金）。彈性模量為74 GPa，泊松比為0.36，密度為2 850 kg/m3。

6）部分僅靠配合固定的區(qū)域增加連接件，并用布爾操作粘連。

圖10 檢測支架模型圖Fig.10 Model diagram of detecting bracket

圖11 檢測支架局部剖分圖Fig.11 Partially cutaway diagram of detecting bracket

3.3 加載與求解

本文中仿真的前提條件是假設(shè)檢測裝置（小車）一直擱置在絕緣子上，并考慮移動小車擱置在絕緣導(dǎo)軌最遠(yuǎn)端時的極端情況，前置約束條件如下：

1）輔助支架是固定的，底部應(yīng)施加一個固定約束。

2）移動滑環(huán)受到牽引力和反方向的摩擦力，因?qū)嶋H過程中為緩慢勻速運動，可視為二力平衡，可不另外施加力。

3）整個檢測裝置受重力作用，仿真過程對全局施加重力加速度進(jìn)行重力場模擬。

4）小車僅能在切向運動，并且受到一個向上的支持力，仿真過程通過對小車施加Frictionless Sup?port約束確保小車僅在切向運動。

3.4 仿真分析與結(jié)論

首先對導(dǎo)軌為60 mm×30 mm×3 mmU型管（轉(zhuǎn)動套管長度為300 mm）時的撓度以及轉(zhuǎn)動套管的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，其支架的總變形云圖如圖12所示。

圖12 導(dǎo)軌為60×30×3U型槽管時的總變形圖Fig.12 The total deformation of the guide rail as a 60×30×3 ushaped slot tube

絕緣導(dǎo)軌受到重力作用從而位移較大，最大位移出現(xiàn)在絕緣導(dǎo)軌的中間至右端處，約為21.2 mm。絕緣導(dǎo)軌受到重力下垂，而左側(cè)與轉(zhuǎn)動套管相接部分受到向上的支持力，右側(cè)因檢測小車擱置在絕緣子上而受到連桿傳遞的左上方向的支持力，因而最大位移處出現(xiàn)在絕緣導(dǎo)軌的中間位置，具體位置與導(dǎo)軌、轉(zhuǎn)動套管的長度、質(zhì)量等參數(shù)有關(guān)。

由局部變形圖13，可觀察豎直管的撓度分布。撓度最大值出現(xiàn)在豎直管的上方，約為2.8 mm，原因是重力對豎直管件產(chǎn)生力矩。輔助支架下方施加固定約束，因此支架部分撓度較小。桿件2的遠(yuǎn)端因豎直管的向右的彎矩微微上翹。

從轉(zhuǎn)動套管應(yīng)力分布云圖14可以看出，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在靠近轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)動套管與豎直管件連接部件）處，大小為20.97 MPa。

圖13 導(dǎo)軌為60×30×3U型槽管時的局部區(qū)域變形圖Fig.13 The local deformation of the guide rail as a 60×30×3 U-shaped slot tube

圖14 導(dǎo)軌為60×30×3U型槽管時的轉(zhuǎn)動套管等效應(yīng)力圖Fig.14 Equivalent stress diagram of rotating bushing of the guide rail as a 60×30×3 U-shaped slot tube

采用同樣的方法，分別對不同尺寸的導(dǎo)軌以及不同長度套管的組合進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同管型、套管長度的最大撓度、應(yīng)力結(jié)果Table 1 Maximum deflection and stress results of different tube type and bushing length

由表1可知：

1）轉(zhuǎn)動套管長度一致時，采用U型槽管后整個檢測支架的變形明顯小于矩形管，即U型槽管優(yōu)于同型矩形管，且節(jié)省材料。

2）當(dāng)轉(zhuǎn)動套管長度由200 mm增加到300 mm時，可減小絕緣導(dǎo)軌的撓度，改善轉(zhuǎn)動套管的等效應(yīng)力。

3）50×30×4U型槽管整個檢測支架的撓度及轉(zhuǎn)動套管的等效應(yīng)力優(yōu)于60×30×3U型槽管和矩形管。

在選擇50×30×4U型槽管的作為導(dǎo)軌后，本文進(jìn)一步分析計算了在導(dǎo)軌左端適當(dāng)增加向下拉力時的整體形變和套管應(yīng)力分布，圖15所示為總變形圖。

為方便對比分析，轉(zhuǎn)動套管長度仍選為200 mm，在導(dǎo)軌最左端施加200N豎直向下拉力，此時整個支架相當(dāng)于帶懸臂的簡支梁。絕緣導(dǎo)軌受到重力作用從而位移較大，最大位移出現(xiàn)在絕緣導(dǎo)軌的右端處，約為16.706 mm。絕緣導(dǎo)軌受到重力下垂，導(dǎo)軌最左端受到向下的力，大小為200N，此時導(dǎo)軌類似于杠桿，轉(zhuǎn)動套管充當(dāng)支點，豎直管件右側(cè)的絕緣導(dǎo)軌被頂起。

如圖16所示，豎直管件的撓度最大值出現(xiàn)在豎直管的上方，約為1.99 mm。桿件2的遠(yuǎn)端因豎直管的向右的彎矩微微上翹。

圖15 導(dǎo)軌為50×30×4U型槽管，導(dǎo)軌左端施加200 N拉力時的總變形圖Fig.15 The total deformation of，the guide rail as a 50×30×4 U-shaped slot tube，200 N tension force is applied at the end the left

圖16 導(dǎo)軌為50×30×4U型槽管，導(dǎo)軌左端施加200N拉力時的局部區(qū)域變形圖Fig.16 Local deformation of the guide rail as a 50*30*4 U-shaped slot tube，200 N tension force is applied at the end the left

圖17 導(dǎo)軌為50×30×4U型槽管，導(dǎo)軌左端施加200 N拉力時的轉(zhuǎn)動套管等效應(yīng)力圖Fig.17 Equivalent stress diagram of rotating bushing of the guide rail as a 50×30×4 U-shaped slot tube,200 N tension force is applied at the end the left

如圖17所示，等效應(yīng)力分布與之前略有不同，出現(xiàn)了兩個峰值區(qū)：一個是靠近轉(zhuǎn)軸的區(qū)域，一個是轉(zhuǎn)動套管左側(cè)區(qū)域。出現(xiàn)第二個峰值的原因是導(dǎo)軌最左端的力讓絕緣導(dǎo)軌產(chǎn)生一個彎矩，套管左側(cè)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力。最大的應(yīng)力值達(dá)到14.4 MPa。

由表2可知，在導(dǎo)軌左端適當(dāng)增加向下拉力可進(jìn)一步減小導(dǎo)軌的整體變形和套管應(yīng)力，保證安裝穩(wěn)定性，故可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇左端加力的方式改善導(dǎo)軌的形變，保證絕緣子電場檢測的精確性。

表2 左端施加200 N拉力后仿真結(jié)果對比Table 2 The simulation results comparison after 200 N tension force is applied at the end the left

根據(jù)以上仿真分析結(jié)論，筆者選用300 mm的轉(zhuǎn)動套管可有效改善其應(yīng)力分布，絕緣導(dǎo)軌采用高強度絕緣材料加工，分為五節(jié)，每節(jié)長1500 mm（不含公頭長度），橫截面長度50 mm，橫截面寬度30 mm，厚度4 mm，U型槽管。絕緣導(dǎo)軌由可拼接的絕緣桿體組成，各導(dǎo)軌均有編號，相鄰編號導(dǎo)軌能夠通過母頭公頭緊密牢靠地拼接固定，根據(jù)電壓等級的不同，可快速增減絕緣導(dǎo)軌的長度，以適應(yīng)現(xiàn)場操作的需要。固定后移動小車能在其上平滑穩(wěn)定的進(jìn)行直線運動，帶動電場檢測裝置進(jìn)行絕緣子檢測。

4 現(xiàn)場試用

根據(jù)仿真分析的最優(yōu)結(jié)果，試制了導(dǎo)軌式劣化絕緣子帶電自動檢測設(shè)備樣機(jī)，如圖18至圖20所示。

圖18 耐張串瓷質(zhì)絕緣子電場檢測Fig.18 tension string of porcelain insulator electric field detection

圖19 復(fù)合絕緣子電場檢測圖Fig.19 Electric field detection figure of composite insulator

為驗證樣機(jī)的實際檢測效果，2015年10月，在220 kV永陽Ⅱ回線路上進(jìn)行了現(xiàn)場試用。

現(xiàn)場試用結(jié)果表明，本方案設(shè)計的絕緣子檢測設(shè)備能在絕緣子上平滑、輕巧移動，從而提高了檢測精度，利用電場傳感器實現(xiàn)對絕緣子串電場分布的檢測，判斷低值絕緣子所在位置，提高輸電線路劣化絕緣子的檢測效率，為現(xiàn)有絕緣子檢測手段提供了重要補充。

圖20 耐張串瓷質(zhì)絕緣子電場檢測Fig.20 Electric field detection figure of tension string of porcelain insulator

5 結(jié)論

論述了一種新穎的劣化絕緣子分布電場帶電檢測設(shè)備總體設(shè)計方案，著重闡述了其運動機(jī)構(gòu)的工作原理及實現(xiàn)方式，針對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)采用有限元法進(jìn)行了仿真分析，在保證機(jī)構(gòu)運行穩(wěn)定的前提下為輕量化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

與現(xiàn)有的絕緣子檢測設(shè)備、檢測手段相比，本文提出的機(jī)構(gòu)具有運動平穩(wěn)、操作簡單、適應(yīng)性好等優(yōu)點，因而更具有實用價值。設(shè)備現(xiàn)場安裝便捷，減少作業(yè)人員高空作業(yè)時間，可用于檢測多電壓等級、多類型的輸電線路絕緣子，具備較強的拓展性，能有效檢測出劣化絕緣子并實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，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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