張 迪 張 珣 辛 巍 李龍云 吳嘉琪

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，武漢 430050）

在電力系統(tǒng)中，絕緣子是使用量龐大且有重要地位的電力元件。它是架空線路與桿塔之間的可靠粘合劑，不僅能夠在機械上可靠連接不同電位的架空線路與桿塔，而且能夠在電氣上將兩者絕緣。目前，國內(nèi)使用的絕緣子多樣化，主要可分為瓷質(zhì)絕緣子、玻璃絕緣子和復合絕緣子3大類。復合絕緣子是由于高分子材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的絕緣子，近幾年才開始普遍使用，具有重量輕、絕緣性能好等特點，但是使用壽命還有待提高。瓷質(zhì)絕緣子和玻璃絕緣子類似。玻璃絕緣子具有自爆的功能，但是造價偏高。瓷質(zhì)絕緣子使用時間最長且應用最廣泛，具有較好的絕緣性能、耐熱性能和耐腐蝕性能，制造工藝簡單，造價低，因此在輸電線路中暫時無法被完全取代。

由于絕緣子的特殊性質(zhì)，其絕緣性能容易受到各種因素的影響，如雷電、霧霾、揚塵、自然老化等，導致絕緣子劣化，從而引發(fā)事故。3·15晚會曝光了大量不合格的絕緣子流入電力行業(yè)，對于絕緣子的檢測顯得尤為重要。

目前，傳統(tǒng)的絕緣子檢測方法主要采用人工停電檢測，存在工作量大、危險性高等問題。特高壓絕緣子長度可達16 m，無法在運行狀態(tài)下進行高空檢測，也無法掌握其劣化規(guī)律，因此研究一種特高壓絕緣子檢測的機器人具有重要的意義。

1 絕緣子檢測技術(shù)現(xiàn)狀分析

特高壓輸電線路的絕緣子狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在電力系統(tǒng)運行安全與穩(wěn)定性中占據(jù)重要的地位。目前，絕緣子狀態(tài)監(jiān)測的主要技術(shù)手段包括視覺檢測、紅外熱成像檢測、電氣特性檢測、機械特性檢測以及超聲波檢測。

視覺檢測是依賴于圖像識別技術(shù)，利用高清相機或無人機對絕緣子進行拍攝，然后運用人工智能算法進行圖像分析，實現(xiàn)自動化的檢測技術(shù)。但此類方法易受環(huán)境光照、拍攝角度等因素影響，而且只能發(fā)現(xiàn)表面缺陷，對內(nèi)部問題的發(fā)現(xiàn)能力有限[1]。

紅外熱成像檢測通過探測絕緣子表面微小的溫度變化來識別潛在問題。這種技術(shù)對光照環(huán)境依賴度較低，可以在低光照甚至夜間進行檢測。然而，紅外熱成像檢測設(shè)備的價格相對較高，并且只能發(fā)現(xiàn)表面缺陷。

電氣特性檢測通過測量絕緣子的電阻、電流等電氣特性進行性能評估。這種方法具有一定的深度，能發(fā)現(xiàn)表面問題和部分內(nèi)部問題。但是電氣特性檢測需要專門的測試設(shè)備和復雜的操作，可能增加檢測成本。

機械特性檢測通過測量絕緣子的機械特性，如撓度、強度等進行評估。這種方法能發(fā)現(xiàn)表面問題和部分內(nèi)部問題，但操作復雜度高，需要專門的測試設(shè)備和專業(yè)技能。

超聲波檢測可以發(fā)現(xiàn)表面以下的缺陷，是其他檢測方法難以比擬的。超聲波在絕緣子中的傳播速度和反射特性可以幫助確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，但是這種方法也需要專門的設(shè)備和專業(yè)技能。

盡管現(xiàn)有的絕緣子檢測技術(shù)在一定程度上提高了特高壓輸電線路的運行效率和安全性，但每種技術(shù)都存在一定的限制和挑戰(zhàn)。首先，大部分的檢測技術(shù)仍然只能發(fā)現(xiàn)表面缺陷或部分內(nèi)部缺陷，對于深層次的缺陷檢測能力不足。其次，部分高級的檢測技術(shù)如紅外熱成像和超聲波檢測，盡管能夠提供更深入的檢測結(jié)果，但其設(shè)備成本高昂且操作復雜，增加了檢測的經(jīng)濟負擔和技術(shù)難度。再次，大部分檢測技術(shù)的結(jié)果需要專業(yè)人員進行解析和判斷，限制了檢測效率。因此，發(fā)展能夠自動化進行數(shù)據(jù)解析和判斷的算法是當前技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。最后，當前的檢測技術(shù)大多基于點對點的檢測方式，限制了檢測的范圍和效率。總的來說，特高壓輸電線路絕緣子的檢測技術(shù)是一個復雜而具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，需要電力行業(yè)、科研機構(gòu)和企業(yè)的共同努力和創(chuàng)新。為了提高絕緣子的檢測效率和精度，進一步的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新必不可少。

根據(jù)上述分析，該絕緣子檢測機器人需滿足以下技術(shù)要求。

（1）操作方便、安全可靠。機器人支持遠程控制和自主導航，同時具備較高的穩(wěn)定性和可靠性，以確保操作人員的安全和機器人的穩(wěn)定運行[2]。

（2）高精度檢測。機器人具備較高的檢測精度，能夠及時發(fā)現(xiàn)絕緣子的缺陷和劣化情況，以避免潛在的事故隱患。

（3）快速檢測。機器人能夠在較短時間內(nèi)完成對特高壓絕緣子的檢測，以縮短運行線路的停電時間，降低人工檢測的成本。

（4）適應不同工況。機器人能夠適應不同的工作環(huán)境和工況，如揚塵、雨雪天氣等，以確保機器人的穩(wěn)定運行和檢測精度。

基于以上技術(shù)要求，設(shè)計了一款基于機器視覺技術(shù)的絕緣子檢測機器人。

2 絕緣子檢測機器人的硬件組成

該機器人硬件組成主要包括機械手、絕緣連桿、旋轉(zhuǎn)電機和電壓檢測指針等部件。其中，機械手和絕緣連桿是機器人的核心部件，負責固定和移動機器人，完成絕緣子的檢測工作。旋轉(zhuǎn)電機和電壓檢測指針分別用于控制機械手的旋轉(zhuǎn)和檢測絕緣子的電壓數(shù)據(jù)。具體來說，兩個機械手分別設(shè)置在絕緣連桿的兩側(cè)，通過機械手的旋轉(zhuǎn)和絕緣連桿的伸縮來抓取和釋放絕緣子。旋轉(zhuǎn)電機通過控制機械手的旋轉(zhuǎn)方向來實現(xiàn)對絕緣子的正反面檢測。電壓檢測指針則用于檢測絕緣子表面和接地極之間的電壓情況，從而判斷絕緣子是否存在漏電的情況[3]。

該機器人配備了自主導航和避障系統(tǒng)，能夠自主尋找和定位絕緣子，并能夠根據(jù)實時檢測結(jié)果自主決策是否需要對絕緣子進行維修或更換。該機器人具有操作方便、安全可靠、檢測精度高、快速檢測以及適應不同工況等特點，能夠大幅提高特高壓輸電線路的安全性和運行效率。

此外，機器人配備有高清攝像頭、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定位系統(tǒng)和通信模塊等部件，以便實時監(jiān)測和傳輸機器人的位置、運動軌跡以及檢測數(shù)據(jù)等。整個硬件系統(tǒng)由一臺控制中心進行遠程操控和數(shù)據(jù)處理，以確保機器人的安全運行和數(shù)據(jù)的準確性。該機器人的整體結(jié)構(gòu)示意，如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 機器人的軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括機器人控制程序、數(shù)據(jù)采集與處理程序以及圖像識別與分析程序。這些程序的設(shè)計和實現(xiàn)是機器人能夠完成檢測任務的關(guān)鍵。

機器人控制程序主要用于控制機器人的移動和工作，通過與機器人硬件系統(tǒng)的協(xié)作實現(xiàn)機器人在輸電線路上的運動和姿態(tài)控制?？刂瞥绦蚩梢愿鶕?jù)用戶需求自動執(zhí)行預設(shè)任務，如在某一絕緣子上進行檢測，或者手動控制機器人進行運動和檢測。機器人控制程序可以根據(jù)需要集成不同的控制算法和傳感器數(shù)據(jù)融合算法，以提高機器人的控制精度和安全性[4]。

數(shù)據(jù)采集與處理程序主要負責采集機器人從輸電線路上獲取的電壓數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等信息，并進行處理、存儲和顯示。機器人采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理后才能被有效利用，處理程序可以根據(jù)用戶需求對數(shù)據(jù)進行濾波、歸一化等處理，以提高數(shù)據(jù)的可靠性和精度。此外，數(shù)據(jù)處理程序可以將數(shù)據(jù)存儲到本地或者上傳至云端，以便進行數(shù)據(jù)共享和分析。

圖像識別與分析程序主要用于分析和識別機器人采集的圖像數(shù)據(jù)，以提高機器人的智能化水平。機器人通過安裝攝像頭等圖像傳感器獲取絕緣子的圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理算法對圖像進行預處理和特征提取，然后通過圖像識別算法實現(xiàn)對絕緣子狀態(tài)的判斷和識別。圖像識別與分析程序可以實現(xiàn)對多種絕緣子類型的識別，以及對絕緣子表面缺陷、污染等狀態(tài)的檢測。

4 機器人的工作原理與作業(yè)流程

絕緣子檢測機器人的工作原理如下。首先，利用升壓電路模塊把直流電壓升至2 500 V。其次，檢測時2 500 V直流檢測電壓通過檢測臂直接加在待測絕緣子的鋼帽和鋼腳之間，作用在絕緣子上的電壓通過并聯(lián)在檢測儀內(nèi)部的旁路電路進行旁路，使整個檢測回路上只有直流分量。最后，檢測系統(tǒng)采集流過絕緣子的直流電流，通過中央處理器進行計算和判定，并將最后的檢測結(jié)果通過無線模塊發(fā)送到地面工作站。

作業(yè)流程主要分為5個步驟。

（1）機器人固定和啟動。在開始工作時，通過人工或無人機將機器人帶上桿塔，并用機械手1套住第1片絕緣子鋼帽，機械手2套住第3片絕緣子。安裝完成后，向地面遙控操作員發(fā)送啟動信號，機器人開始工作。

（2）機器人檢測。確認機械手已經(jīng)抓緊鋼帽后，程序控制機械手開始檢測工作。機器人的檢測方式主要通過檢測絕緣子上的電壓，判斷絕緣子是否存在故障或破損。具體來說，機器人會通過電壓檢測指針采集絕緣子表面的電壓數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在機器人的存儲器中。

（3）機器人移動。待檢測工作完成后，控制機械手張開，并通過啟動機器人升降和移動系統(tǒng)，使機械手臂下降或者伸縮，完成機器人的移動和攀爬運動。在移動過程中，機器人需要保持平衡，并且能夠自主調(diào)整姿態(tài)，以便于完成對各個絕緣子的檢測工作[5]。

（4）數(shù)據(jù)分析與處理。機器人完成絕緣子的檢測工作后，程序?qū)⒋鎯υ跈C器人內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲具M行分析和處理。地面站會根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果確定絕緣子的健康狀況，并及時處理絕緣子的故障或者更換絕緣子，以保障輸電線路的安全運行。

（5）機器人維護。機器人在完成任務后，需要進行維護和保養(yǎng)工作。具體來說，需要清洗機器人，檢查各個部件的磨損情況，并進行必要的維修和更換工作，以保證機器人的正常使用和長期運行。

5 結(jié)語

文章介紹了一種基于機器視覺技術(shù)絕緣子檢測機器人的設(shè)計方案。該機器人的硬件組成主要包括機械手、絕緣連桿、旋轉(zhuǎn)電機和電壓檢測指針等部件，具備操作方便、安全可靠、高精度檢測、快速檢測和適應不同工況的技術(shù)要求，能夠有效解決傳統(tǒng)人工停電檢測方法存在的問題。機器人通過機器視覺技術(shù)對特高壓絕緣子進行快速、準確地檢測，并且支持遠程控制和自主導航，具備較高的穩(wěn)定性和可靠性。