鄭云龍,羅日成，鄒 明

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410018)

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展以及物質(zhì)水平的急劇提升，整個經(jīng)濟(jì)社會都對電力的需求變得愈發(fā)倚重[1]。近半個世紀(jì)以來，中國的電力工業(yè)進(jìn)入了快車道，得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不僅是輸電容量逐漸增大，輸送距離不斷增加，而且輸電等級也在迅速提升，現(xiàn)如今中國的交流輸電實際運行電壓最高已達(dá)到了1 000 kV，并且直流方面±800 kV直流輸電線路已有多條實際投入運行[2]。與此同時，伴隨著輸電容量逐漸增大，輸送距離不斷增加以及輸電等級的迅速提升，使得電網(wǎng)輸電范圍不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)的安全可靠運行的要求也會越來越高。一旦電網(wǎng)發(fā)生運行故障，其所造成的影響范圍會更廣，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及民眾的社會生產(chǎn)生活造成的影響也隨之?dāng)U大[3-4]。特高壓電網(wǎng)作為中國能源互聯(lián)網(wǎng)輸電線路的主干網(wǎng)架，其運行故障大都是由于輸電線路的絕緣不良所引起的。絕緣子是特高壓輸電線路絕緣的薄弱環(huán)節(jié)，同時又是特高壓輸電線路中使用量最大的部件，雖然其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但重要性不遜于其他任何設(shè)備和器件。文獻(xiàn)[1]通過對實際線路運行中的絕緣子進(jìn)行調(diào)查分析，得出在自然環(huán)境中長期運行的絕緣子，因受到各種外力以及自然環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)低、零值絕緣子(包括內(nèi)部裂隙、傘裙表面破損、絕緣材質(zhì)性能下降等)，造成輸電線路的桿塔某側(cè)的絕緣子串的整體絕緣性能急劇下降，導(dǎo)致運行電壓作用下發(fā)生輸電線路絕緣閃絡(luò)。若經(jīng)常因此故障造成電網(wǎng)的非計劃停運，這會對大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成極大的隱患并帶來不可預(yù)估的社會經(jīng)濟(jì)損失。因此，在當(dāng)前形勢下，開展特高壓輸電線路絕緣子的檢測工作刻不容緩。

目前，國內(nèi)外對低零值絕緣子的技術(shù)檢測手段主要分間接與直接檢測2種。間接檢測主要有觀察法、超聲波檢測法、紫外成像法以及紅外測溫法等，直接檢測法主要包括火花叉法、泄露電流檢測法以及絕緣電阻測定法等。文獻(xiàn)[2]指出，觀察法只能發(fā)現(xiàn)絕緣子表面明顯的缺陷，地面觀察不可靠，不登塔難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)絕緣故障；文獻(xiàn)[3]通過對超聲波檢測技術(shù)的說明，指出其存在環(huán)境聲波耦合，聲波衰減以及超聲換能器本身的性能等問題，與此同時，嘈雜的環(huán)境會對絕緣子缺陷所發(fā)出的聲波產(chǎn)生干擾，不適用于現(xiàn)場檢測作業(yè)；文獻(xiàn)[4]提出紫外成像技術(shù)適合檢測絕緣子表面局部放電，具有較好的效果但設(shè)備價格卻過于昂貴，而紅外成像法不僅材料設(shè)備費用高昂，而且容易受到外部自然環(huán)境的影響，對陽光、溫度、濕度以及風(fēng)速都有一定的要求，難以發(fā)現(xiàn)絕緣子早期的界面缺陷，無法保證檢測的精度；文獻(xiàn)[5]指出，由于受許多其他因素的干擾，測量泄漏電流不能準(zhǔn)確地判斷絕緣子的裂化程度且泄漏電流法的設(shè)備造價過高，不具有實際可行性。

本文通過研究特高壓直流輸電線路低零值絕緣子形成機(jī)理，結(jié)合目前已有研究技術(shù)的優(yōu)劣[4-6]，提出一種新的在線帶電檢測絕緣子的方法，設(shè)計制造一款低零值絕緣子帶電檢測機(jī)器人，能夠準(zhǔn)確檢測絕緣子阻值，精準(zhǔn)識別輸電線路絕緣子串中的零低值絕緣子，其不但可以大大地節(jié)約成本且能大幅度減少勞動力[7-9]，打破傳統(tǒng)的人工測量難題，對后續(xù)帶電作業(yè)的研究也具有一定的參考價值。

1 絕緣子劣化機(jī)理

瓷質(zhì)懸式絕緣子主要由瓷件、鐵帽、鋼腳以及鋅套等部件組成[10]。其中的膠合劑主要包括水泥、石英石和瓷砂等主要成分，而瓷件的絕緣電阻率最大，是絕緣子中起電氣絕緣的主要物質(zhì)部件，它的電路等效圖可看成是大電容，體電阻與表面電阻并聯(lián)組成的，其電阻阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于500 MΩ[11-13]。而對于直流輸電線路而言，大部分電流主要流經(jīng)阻性支路，僅小部分雜散電流流經(jīng)容性支路。

研究表明，低零值絕緣子主要由制造工藝、工作環(huán)境和物理與化學(xué)反應(yīng)等因素造成[14-16]。實際運行中輸電線路中的絕緣子會受到各種因素的影響(自然環(huán)境、線路的機(jī)械應(yīng)力等)，導(dǎo)致整個絕緣子串中易產(chǎn)生絕緣劣化的絕緣子，這將進(jìn)一步降低絕緣子串的預(yù)留裕度甚至導(dǎo)致整條線路的絕緣性能大大降低，從而導(dǎo)致低零值絕緣子形成的速率進(jìn)一步加快，對線路產(chǎn)生嚴(yán)重危害。在直流輸電線路中，絕緣子等效電路以阻性阻抗為主，其體電阻流過的泄露電流隨絕緣子串總電阻值變化而改變[17-18]。特高壓輸電線路的絕緣子串電壓降一般呈U型曲線，如圖1所示。絕緣子串中存在零值絕緣子時每片絕緣子上的電壓分布發(fā)生變化，導(dǎo)致每片的承受電壓加大。零值絕緣子體電阻為零則表面電壓降落也為零，其等同于導(dǎo)體，直接影響絕緣子串中的泄露電流[19-20]。

圖1 絕緣子電壓降落Figure 1 Voltage drop of insulators

2 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與運動分解

2.1 整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)

低零值絕緣子帶電檢測機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為機(jī)械手臂、絕緣連桿、本體機(jī)身以及檢測指針?biāo)牟糠?，如圖2所示。機(jī)械手臂采用齒輪齒桿式雙手柄設(shè)計，通過驅(qū)動電機(jī)帶動絲桿螺母的旋轉(zhuǎn)(圖3(a))，完成抓緊與松開絕緣子鋼帽的動作(圖3(b))；其中機(jī)械手臂的夾爪部分采用的內(nèi)弧形的凹槽設(shè)計(圖3(c))，通過與曲柄滑塊的配合(圖3(d))，保證了機(jī)械手臂能夠穩(wěn)固可靠的夾持絕緣子鋼帽凸槽，確保攀爬運動的安全；絕緣連桿與機(jī)械手臂的連接處，利用套桿與活動關(guān)節(jié)設(shè)計出一種柔性結(jié)構(gòu)，可確保機(jī)器人在翻越運動中適用度更高；本體機(jī)身采用EGPC204環(huán)氧樹脂材料制作而成，外表面均涂上導(dǎo)電漆，使整個機(jī)器人形成等電位，從而抑制外部強(qiáng)電場的干擾，并對各檢測與驅(qū)動部件起承載作用。檢測指針部件包括檢測探針和工具座兩部分，檢測探針與絕緣子鋼帽形成觸點，可為測量電源提供輸出支路，并將絕緣子與低零值絕緣子帶電檢測機(jī)器人構(gòu)成的回路分為2個獨立回路。

圖2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)Figure 2 Mechanical structure diagram of robot

圖3 機(jī)械手臂Figure 3 Robotic arm

2.2 動作分解

當(dāng)開始檢測時(圖4(a))，操控機(jī)器人的機(jī)械手臂1的夾爪閉合抓緊在待檢測絕緣子串的第1片絕緣子鋼帽上，然后再操控機(jī)械手臂2旋轉(zhuǎn)(圖4(b))，讓機(jī)械手臂2的夾爪閉合抓緊第3片絕緣子的鋼帽(圖4(c))，同時機(jī)身本體電機(jī)開始工作帶動機(jī)械連桿夾緊絕緣子鋼帽(圖4(d))，然后機(jī)器人中間的檢測指針開始啟動，轉(zhuǎn)動電壓檢測指針頂住中間絕緣子的鋼帽處(圖4(e))，實現(xiàn)對地1、2片絕緣子的電阻測量(圖4(f))，同時完成絕緣子阻值以及位置的信息的儲存?zhèn)魉停瑒幼鬟^程如圖4所示。

圖4 運動過程Figure 4 Motion process

具體的動作分解如圖5所示。機(jī)械手臂1緊抓第1片絕緣子鋼帽首端，機(jī)械手臂2松開并與機(jī)身一起保持鉛錘狀態(tài)；絕緣連桿以環(huán)氧樹脂板為中心，機(jī)械手2向外側(cè)翻轉(zhuǎn)135°，使其保持在手臂的夾取狀態(tài)；再啟動機(jī)械手臂1的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使其帶動環(huán)氧樹脂板向外側(cè)翻轉(zhuǎn)90°，讓機(jī)械手臂2保持在第2片絕緣子的鋼帽處；緊接著再次啟動機(jī)械手臂1使其反向翻轉(zhuǎn)45°，使機(jī)械夾爪2正對第2片絕緣子鋼帽的凸起處同時夾緊。然后電壓檢測指針開始動作，電機(jī)驅(qū)動使其緊緊頂住中間絕緣子鋼帽，完成對第1、2片絕緣子的檢測作業(yè)。然后手臂1開始松開，機(jī)械手臂2的旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動環(huán)氧樹脂板向外側(cè)翻轉(zhuǎn)90°，使機(jī)械手臂1保持在夾取位置；接著機(jī)械手臂1向外翻轉(zhuǎn)90°，回到5(a)的起始位置。機(jī)器人開始往復(fù)運動，完成對第3、4片絕緣子的檢測工作，如此往復(fù)完成對整個絕緣子串的的檢測作業(yè)。同時，為了保證能監(jiān)測機(jī)器人的作業(yè)狀況，機(jī)身左右兩側(cè)嵌入針孔攝像頭，將畫面進(jìn)行實時傳輸，保證機(jī)器人能夠完全正常作業(yè)。

圖5 裝置動作分解Figure 5 Decomposition of device movement

3 檢測與控制系統(tǒng)

為滿足特高壓輸電線路復(fù)雜環(huán)境，低零值絕緣子檢測機(jī)器人需重量輕、省電且能在強(qiáng)電場和強(qiáng)干擾現(xiàn)場在線使用。根據(jù)以上所需要求，實現(xiàn)檢測電流的采集以及絕緣子阻值大小的測量，并通過無線傳輸?shù)姆绞綄y量數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)酵ㄐ艡C(jī)上，且可通過遙控器智能控制檢測機(jī)器人的運動步態(tài)，系統(tǒng)主控制板如圖6所示。同時，采用無線監(jiān)控技術(shù)，在線觀察現(xiàn)場環(huán)境和運動狀態(tài)，杜絕測量中存在的隱患。

圖6 控制板Figure 6 Main control panel

3.1 檢測原理

檢測電路如圖7所示，低零值絕緣子檢測機(jī)器人2個機(jī)械手臂與本體機(jī)身將2片絕緣子短接，故絕緣子兩端形成了等電壓。由于絕緣子的絕緣阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采樣電阻，則泄露電流主要從機(jī)械手臂流過而不會通過待檢測的絕緣子。測量步驟如下：

1)2 500 V電源未接入獨立回路，單片機(jī)采集的信號為絕緣子串上的泄露電流，絕緣子串上的電流I0=IA1=-IB1，其中IA1、IB1分別可由采樣電阻R4、R5兩端上的電壓與對應(yīng)電阻的比值求得；

2)閉合開關(guān)K，將2 500 V電源接入獨立回路，設(shè)流過絕緣子R1上的電流為Ia，流過絕緣子R2上的電流為Ib。此時流過采樣電阻R4上的電流IA2=I0+Ia，流過采樣電阻R5上的電流IB2=Ib-I0。

圖7 檢測電路原理示意Figure 7 Detection circuit schematic diagram

根據(jù)步驟中測量的數(shù)值，經(jīng)過單片機(jī)的程序算法可計算得出Ia和Ib。同時利用基爾霍夫第二定律可知：

V=IaR1+(Ia+Ib)R3+IA2R4

(1)

V=IbR2+(Ia+Ib)R3+IB2R5

(2)

其中，V為內(nèi)部電路檢測電壓，其余參數(shù)如圖7標(biāo)示，結(jié)合式(1)、(2)，可求得電阻R1、R2值。依據(jù)檢測原理圖可知，低零值絕緣子檢測機(jī)器人的支撐架必須采用絕緣性能良好材料，才能防止I0、Ia和Ib電流經(jīng)另一對稱機(jī)械手臂流出檢測機(jī)器人，以此來保證檢測電路的正確性。

3.2 電源設(shè)計電路

檢測機(jī)器人采用單一24 V鋰電池供電，滿電能情況下可持續(xù)供電6 h。電源模塊主要分為三部分：①電機(jī)驅(qū)動電壓，輸出24 V；②經(jīng)過降壓、穩(wěn)壓芯片MCT7805CT、HT7130，輸出電壓3.3 V作為單片機(jī)的工作電源，其中MCT7805CT輸出的5 V電壓還可為其他芯片供電；③給直流升壓模塊供電，采用LD7535進(jìn)行電壓的監(jiān)測，采用EEL19變壓器作為升壓模塊，最終可輸出50 V的電壓，再次通過多級運放電路，將輸出電位抬升至2 500 V，此電壓作為測量絕緣子阻值時的檢測電壓。同時第三部分高壓加上光電隔離，防止外部相互干擾，電源模塊如圖8所示。

圖8 電源模塊Figure 8 Power-supply module

3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

機(jī)器人使用的是瑞士MaxonRE40型號的直流石墨電刷電機(jī)，額定功率為150 W，分別安裝在兩邊機(jī)械手臂對稱的驅(qū)動軸位置。同時為了提高裝置攀爬時的平穩(wěn)性，保證機(jī)器人翻轉(zhuǎn)時的連貫性，驅(qū)動模塊部分選取的是L298N芯片，其中包括了H橋的高電壓大電流的2個全橋式驅(qū)動器。IRF大功率的場效應(yīng)管能夠保證輸出的電壓質(zhì)量，增大信號的轉(zhuǎn)化效率。采取的標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制有2個可控端口，能保證電路模塊在一個端口工作的情況下，另一個端口不受輸入輸出的信號干擾，同時還可以高精度的調(diào)制PWM脈沖信號，通過它保證電機(jī)平穩(wěn)過度完成正反轉(zhuǎn)操作。

3.4 采集模塊

圖9 采集電路模塊Figure 9 Acquisition circuit module

3.5 通信模塊

通信模塊包括機(jī)器人本體的測控系統(tǒng)與地面基站之間的Wi-Fi通信和檢測模塊存儲的數(shù)據(jù)傳輸。測控系統(tǒng)與地面遙控器之間使用無線傳輸，為避免電暈現(xiàn)象對無線電波的干擾，故控制器應(yīng)該選用RF收發(fā)一體芯片CC1010，其不僅功耗低，且搭載頻率可調(diào)的ISM頻段可有效抑制外界干擾。同時采用RFX2401C射端前置放大電路，其實際收發(fā)距離可達(dá)300 m，可高效便捷的發(fā)送，接收信號。

信號傳輸方式為CAN總線結(jié)構(gòu)(如圖10所示)，并且采用手持終端Android操作系統(tǒng)(如圖11所示)進(jìn)行機(jī)器人的操控。運動過程中可通過操作系統(tǒng)切換運動模式(自動或手動模式)，配置運動參數(shù)以及采集數(shù)據(jù)的查看，實時測量出絕緣子的絕緣阻值與相關(guān)的參數(shù)，便于進(jìn)一步的操作與控制。

圖10 CAN總線結(jié)構(gòu)Figure 10 Controller area network

圖11 操作系統(tǒng)界面Figure 11 Operating system interface

3.6 絕緣防護(hù)設(shè)計

特高壓輸電線路的電場環(huán)境復(fù)雜，將可能影響檢測裝置的絕緣性能，需將檢測裝置采取絕緣防護(hù)措施。由于本裝置主要采取等電位屏蔽的方法，屏蔽箱的導(dǎo)線均用航天插頭引出，導(dǎo)線均采用鋁箔紙包裹，屏蔽外部強(qiáng)電場。同時主控模塊與CPU采取電場屏蔽盒的方式，進(jìn)一步加強(qiáng)對核心部件的防護(hù)，保持在零電場的環(huán)境中從而保證測量數(shù)據(jù)的精度。屏蔽箱的菱角均需設(shè)計成圓弧形，抑制尖端處的場強(qiáng)畸變，改善其周圍電場分布。

4 檢測數(shù)據(jù)處理

為保證檢測機(jī)器人測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，測量算法采用離散函數(shù)的擬合算法，從算法內(nèi)部對檢測結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化修正，以保證檢測的精準(zhǔn)度。該方法通過對同一片絕緣子進(jìn)行20次數(shù)據(jù)采集，采用比對算法去掉最大值與最小值，而后再利用最小二乘法將剩余的18個數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，同時運用Matlab軟件，描繪出大致函數(shù)曲線，最后從函數(shù)曲線中選取100個樣點，通過誤差分析得出優(yōu)化函數(shù)，對結(jié)果保留3位小數(shù)。

根據(jù)DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》中的要求，在常溫常壓下，每片懸式絕緣子的絕緣電阻不應(yīng)低于300 MΩ，低于300 MΩ水平的懸式絕緣子一般就認(rèn)為是低值或零值絕緣子[19-20]。根據(jù)檢測需要，實驗室選取200、300、400 MΩ作為樣本值，用以修正提高檢測低零值絕緣子的精準(zhǔn)度。

實驗室設(shè)定x為測量值，y為真實值，{(xi,yi)}(i=0,1,…,m)是函數(shù)f(x)上一組離散點集，S(x)為擬合函數(shù)，記誤差δ=(δ0,δ1,…,δm)，其中

δi=S(Xi)-f(Xi)

(3)

設(shè)Φ0(x)，Φ1(x)，…，Φm(x)是線性無關(guān)的函數(shù)組，在Φ中找一函數(shù)S*(x)，使得誤差的平方和最小。其中

Φ=span{Φ0(x),Φ1(x),…，Φm(x)}

(4)

(5)

S*(X)=a0Φ0(X)+

a1Φ1(X)+…+anΦn(X)，n

(6)

這樣就可將問題轉(zhuǎn)化為求多元函數(shù)I(x0,x1,…,xm)的極小值所在的點(a0,a1,…,an)的問題。

I(a0,a1,…,an)=

(7)

其中ω(xj)為加權(quán)系數(shù)。設(shè)300 MΩ是判別低零值絕緣子的臨界點，求取解時令權(quán)系數(shù)：ω(x1)=ω(x2)=ω(x3)=ω(x4)=2，同時，令其他權(quán)系數(shù)ω(x0)=ω(x5)=ω(x6)=ω(x7)=…=ω(xm)=1，經(jīng)計算求得擬合方程為S(X)=0.956x+4.0。因此,存儲器存儲的數(shù)據(jù)需帶入擬合方程改善化，并將數(shù)據(jù)求平均值取得最精確的測量值[1]。

5 實驗分析

本試驗選用9個已運行過的懸式瓷質(zhì)絕緣子，將其依次編號，其中1、3、5、7、8為劣化絕緣子，2、4、6、9為正常絕緣。如圖12所示，絕緣子串的分布情況模擬實際運行的狀態(tài)，并用鋼腳架固定在地面上，先通過數(shù)字式兆歐表依次檢測各絕緣子的阻值，再將檢測機(jī)器人安裝上線，進(jìn)行正常的攀爬檢測，記錄數(shù)值。檢測結(jié)果如表1所示，可以得出結(jié)論：在不帶電檢測的情況下，機(jī)器人可以準(zhǔn)確地檢測出低零值絕緣子并實現(xiàn)報警。

為進(jìn)一步驗證機(jī)器人的精準(zhǔn)度與實用性，作業(yè)人員也在某省賓金線特高壓直流輸電線路上進(jìn)行了試驗，如圖13所示。通過對比分析第1到10號的絕緣子阻值可知，在帶電作業(yè)的情況下，機(jī)器人仍能準(zhǔn)確地測量出絕緣子阻值且誤差范圍不超過±5%，試驗結(jié)果如圖14所示。

圖12 檢測裝置試驗Figure 12 Testing device experiment

表1 機(jī)器人不帶電檢測絕緣子阻值Table 1 Insulator resistances of robot off-line test

圖13 現(xiàn)場試驗Figure 13 Field test

圖14 對比結(jié)果Figure 14 Contrast result

6 結(jié)語

現(xiàn)場試驗證明：低零值絕緣子帶電檢測機(jī)器人完成一個檢測周期的時間為40 s，能夠高效解決絕緣子在線檢測耗時耗力的難題；在帶電或不帶電的情況下，阻值范圍200～400 MΩ的絕緣子測量誤差均在5%以內(nèi)，能夠完成對絕緣子阻值的檢測，進(jìn)而判斷出低零值絕緣子同時完成對絕緣子串?dāng)?shù)據(jù)分析，評估整串絕緣子的絕緣性能優(yōu)劣。

根據(jù)特高壓直流輸電線路絕緣子串引起電氣參數(shù)的變化，采用低零值絕緣子帶電檢測機(jī)器人的檢測方法，該方法滿足以下功能：①能測量出特高壓直流輸電線路絕緣子串的泄露電流大小；②能帶電檢測出每片絕緣子的阻值；③能確保不受泄漏電流的干擾。低零值絕緣子帶電檢測機(jī)器人利用等電位的理念，排除泄漏電流對檢測結(jié)果的影響，通過機(jī)器人自身軟硬件的配合，計算出絕緣子的阻值并進(jìn)行位置預(yù)警，同時記錄其阻值與位置的信息，為現(xiàn)場操作人員提供有價值運維信息。此裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量準(zhǔn)確，具有很強(qiáng)的實用性和很大的工程使用價值。