馮玉輝 高 超

浮游式電力變壓器內(nèi)部檢查機(jī)器人研制與應(yīng)用

馮玉輝 高 超

（中廣核集團(tuán)中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳 518124）

變壓器內(nèi)部檢查不僅工作量大，而且存在引入異物、使變壓器絕緣受潮的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此本文通過分析變壓器內(nèi)部環(huán)境，給出設(shè)計(jì)變壓器內(nèi)部檢查機(jī)器人的相關(guān)要求，并基于此進(jìn)行機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人內(nèi)部設(shè)備優(yōu)化布置及關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)開展機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與控制仿真研究，最后成功研制出一款帶柔性臂的浮游式變壓器內(nèi)部檢查機(jī)器人。應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，所研制的機(jī)器人能有效替代人工進(jìn)入變壓器內(nèi)部開展健康狀態(tài)預(yù)防性檢查或進(jìn)行故障點(diǎn)輔助判斷，具有較高的自動(dòng)化水平。

變壓器；浮游式；機(jī)器人；研究；應(yīng)用

0 引言

油浸式變壓器作為核電廠關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響核電廠的安全運(yùn)行，高效、及時(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估變壓器內(nèi)部健康狀態(tài)具有非常重要的實(shí)際意義。鑒于此，行業(yè)內(nèi)相關(guān)人員進(jìn)行了大量深入研究。文獻(xiàn)[1]提出一種基于氣體成分分析的變壓器過熱隱患預(yù)警方法，文獻(xiàn)[2]提出一種融合頻域介電譜及支持向量機(jī)的變壓器油浸紙絕緣老化狀態(tài)評(píng)估方法，文獻(xiàn)[3]提出一種利用模糊決策進(jìn)行電力變壓器故障診斷的方法，文獻(xiàn)[4]提出一種評(píng)估絕緣紙?jiān)诓煌趾肯碌娜O化電流曲線變化方法，文獻(xiàn)[5]提出一種基于多分類支持向量機(jī)的電力變壓器故障診斷模型，文獻(xiàn)[6]提出一種基于決策樹算法的電力變壓器故障診斷模型，文獻(xiàn)[7]提出一種基于模糊c均值算法的變壓器故障診斷模型。雖然上述方法都能取得一定效果，但變壓器內(nèi)部檢查才是盡早發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部元件早期松動(dòng)、形變位移等缺陷的最直接有效的手段，同時(shí)可為變壓器全壽命周期管理建圖存檔，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部隱患提供支撐。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 573—2021《電力變壓器檢修導(dǎo)則》對(duì)變壓器現(xiàn)場(chǎng)大修有明確要求，推薦變壓器大修（包括檢修繞組、引線裝置，檢修鐵心、鐵心緊固件等項(xiàng)目）周期一般應(yīng)在10年以上，不超過20年。運(yùn)行中的變壓器宜采用周期性檢修和狀態(tài)檢修相結(jié)合的檢修策略，可結(jié)合設(shè)備健康狀態(tài)和油樣趨勢(shì)分析結(jié)果對(duì)變壓器檢修項(xiàng)目進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[8]。

近些年，機(jī)器代人理念及技術(shù)受到廣泛關(guān)注，智能化裝置已廣泛應(yīng)用于變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)評(píng)估中。文獻(xiàn)[9]介紹了一種500kV換流變壓器無人機(jī)巡檢技術(shù)，為換流變壓器故障診斷與設(shè)備狀態(tài)評(píng)估提供了新的技術(shù)手段；文獻(xiàn)[10]介紹了變電所智能巡檢機(jī)器人，極大地改善了無人或少人值班變電所的監(jiān)控頻次和效果，同時(shí)有效減少了人員工作量、避免了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為變電所的運(yùn)維智能化提供有力支撐；文獻(xiàn)[11]介紹了一款大跨越輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，可有效降低輸電線路巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了大跨越輸電線路的高精度自動(dòng)化巡檢；文獻(xiàn)[12]介紹了一種不停電檢修10kV配電網(wǎng)線路的帶電作業(yè)機(jī)器人，可滿足各種復(fù)雜情況下的帶電作業(yè)需求。

變壓器內(nèi)檢工作較為復(fù)雜，耗時(shí)、費(fèi)力、環(huán)境適應(yīng)性較差，且有一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)及變壓器受潮風(fēng)險(xiǎn)，采用浮游式機(jī)器人代替檢修人員開展變壓器內(nèi)部檢測(cè)的需求日益迫切。因此，本文設(shè)計(jì)一種基于無線遙控的浮游式電力變壓器內(nèi)部檢查機(jī)器人，用于開展變壓器檢查與狀態(tài)評(píng)估工作，以期能夠避免放油作業(yè)，降低變壓器絕緣受潮風(fēng)險(xiǎn)，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率和質(zhì)量，降低工作風(fēng)險(xiǎn)及檢修成本。

1 總體方案

1.1 技術(shù)可行性分析

油浸式電力變壓器主要由油箱、鐵心、繞組、套管及引線、分接開關(guān)、儲(chǔ)油柜等附件和絕緣油組成[13]。為了降低變壓器制作成本和運(yùn)輸尺寸，通常變壓器內(nèi)部空間較為狹小，且不同變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式多樣，這對(duì)絕緣油中檢測(cè)機(jī)器人的外形尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。總體而言，機(jī)器人是在封閉式、充滿絕緣油介質(zhì)、空間狹窄、尺寸結(jié)構(gòu)受限、無照明、剩磁干擾等惡劣環(huán)境條件下運(yùn)行，需保證機(jī)器人在整個(gè)內(nèi)檢過程中不引入任何異物。

從機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境分析，需要解決機(jī)器人實(shí)時(shí)定位、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視化、高質(zhì)量影像傳輸、內(nèi)部缺陷識(shí)別等關(guān)鍵問題。從技術(shù)可行性分析，采用“面結(jié)構(gòu)光相機(jī)+姿態(tài)傳感器（inertial measurement unit, IMU）+超聲波”的綜合定位方式可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位，采用“2路2.4GHz移動(dòng)熱點(diǎn)（WiFi）和1路433MHz無線通信”的通信方案可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量影像傳輸并保證可靠性，采用深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)模型（YOLO- v3）算法可以實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部缺陷的有效識(shí)別。綜上所述，變壓器內(nèi)部檢查機(jī)器人具備技術(shù)可行性。

1.2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機(jī)器人的特殊要求，所設(shè)計(jì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)在保證內(nèi)部電控器件及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝空間的前提下，具有體積小、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，并應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的要求。根據(jù)機(jī)器人的使用環(huán)境、散熱、質(zhì)量、制作、電磁屏蔽等需求，選擇鎂鋁合金作為機(jī)器人機(jī)身材料。機(jī)器人在絕緣油中處于微上浮狀態(tài)，以確保機(jī)器人在檢查過程中出現(xiàn)故障或失聯(lián)時(shí)，能自動(dòng)返回油面。在完成機(jī)器人設(shè)計(jì)后，根據(jù)設(shè)計(jì)軟件測(cè)算可知機(jī)器人的整體質(zhì)量為2.65kg，機(jī)器人外形尺寸為198mm×198mm×150mm，體積為0.003 3m3，實(shí)際外形如圖1所示。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定礦物絕緣油在不同溫度下的密度范圍為870～895kg/m3，根據(jù)重力公式可知機(jī)器人所受重力為==2.65×9.8N=25.97N，根據(jù)浮力公式可知機(jī)器人所受最小浮力為f=yp=870×9.8×0.003 3N=28.13N，其中y為絕緣油密度，p為機(jī)器人排開絕緣油的體積。有f＞，因此可以確保機(jī)器人在絕緣油中處于微上浮狀態(tài)。

圖1 機(jī)器人外形

從外形結(jié)構(gòu)來看，圖1中機(jī)器人總體分為上下兩層，上層布置柔性觸角、電源開關(guān)、充電口等，下層布置機(jī)器人推進(jìn)裝置、超聲波傳感器、相機(jī)、光源等。在機(jī)器人左右側(cè)布置有超聲傳感器和相機(jī)，用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)避障和觀察四周情況，在機(jī)器人腹部布置有俯視相機(jī)、光源和超聲傳感器，用于機(jī)器人觀察底部情況。機(jī)器人搭載的傳感器和相機(jī)都安裝在機(jī)身內(nèi)部，通過防爆玻璃鏡片從機(jī)器人內(nèi)部采用螺栓緊固的形式進(jìn)行密封保護(hù)，盡可能降低產(chǎn)生異物的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)機(jī)器人下層無外露螺栓，最大限度地降低機(jī)器人因螺栓松動(dòng)而產(chǎn)生異物的風(fēng)險(xiǎn)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多自由度運(yùn)動(dòng)，水平面布置2組螺旋槳式推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)/后退、左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；垂直面布置3組螺旋槳式推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上浮和下潛運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人內(nèi)部主要布置嵌入式板卡、高能量密度的鋰離子電池、慣性導(dǎo)航傳感器、攝像頭及光源、激光測(cè)距傳感器等設(shè)備，其中前視相機(jī)和光源安裝在同一安裝架上，以便于安裝及調(diào)試；主要電控板安裝在同一導(dǎo)熱架上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部板卡的散熱；通過安裝架將電池固定在機(jī)器人中部，便于更換。

1.3 機(jī)器人關(guān)鍵部件

為實(shí)現(xiàn)單一推進(jìn)器故障機(jī)器人原路返回的冗余設(shè)計(jì)，推進(jìn)裝置采用雙推進(jìn)器設(shè)計(jì)，即每個(gè)推進(jìn)裝置由2個(gè)獨(dú)立控制結(jié)構(gòu)的推進(jìn)器組成，每個(gè)推進(jìn)器互不干涉。當(dāng)單個(gè)推進(jìn)器損壞時(shí)，另一個(gè)推進(jìn)器可支持機(jī)器人返回初始位置，在油中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可開啟單推進(jìn)器也可開啟雙推進(jìn)器。所設(shè)計(jì)的推進(jìn)裝置可以提高機(jī)器人的可靠性、降低推進(jìn)器的能耗，推進(jìn)裝置上的緊固螺栓采用高強(qiáng)度螺紋鎖固劑+環(huán)氧樹脂灌封的方式防松，推進(jìn)裝置組成如圖2所示。根據(jù)機(jī)器人的尺寸及工作環(huán)境，推進(jìn)裝置的電動(dòng)機(jī)選擇無刷減速電動(dòng)機(jī)，無刷減速電動(dòng)機(jī)具有無電刷、低干擾、噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)順暢、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 推進(jìn)裝置組成

此外，機(jī)器人還配置有一對(duì)柔性觸角，柔性觸角的初始狀態(tài)為水平放置在機(jī)器人上，方便機(jī)器人通過狹窄位置；柔性觸角采用線驅(qū)柔性觸角，通過多個(gè)電動(dòng)機(jī)控制多對(duì)對(duì)稱合金絲的同步收放，實(shí)現(xiàn)柔性觸角的運(yùn)動(dòng)，在柔性觸角末端安裝有軟天線，可增強(qiáng)機(jī)器人的無線通信能力，同時(shí)還可輔助機(jī)器人開展狹窄位置或油面上方區(qū)域的視覺檢查，大大提升了機(jī)器人檢查的環(huán)境適應(yīng)性、擴(kuò)大了檢查范圍，機(jī)器人柔性觸角如圖3所示。每段柔性臂由多個(gè)直段和雙方向正交萬向節(jié)組成，萬向節(jié)間設(shè)計(jì)了阻尼相位擋塊，通過多個(gè)萬向節(jié)的交聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)多方向自由度的柔性觸角運(yùn)動(dòng)，得益于本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)及內(nèi)部合金絲牽引，柔性觸角結(jié)構(gòu)件整體呈現(xiàn)較高的機(jī)械強(qiáng)度及較高的冗余度。在電動(dòng)機(jī)的控制下，柔性觸角能模擬出如蛇類生物般柔軟的身體，這樣的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有向任意方向彎曲的能力，通過運(yùn)動(dòng)控制算法調(diào)節(jié)柔性臂的形狀，可使柔性臂末端到達(dá)變壓器內(nèi)部機(jī)器人本體無法進(jìn)入的狹窄位置進(jìn)行檢查。

圖3 機(jī)器人柔性觸角

機(jī)器人攜帶7臺(tái)拍攝裝置和1臺(tái)深度相機(jī)。其中，1臺(tái)前視拍攝相機(jī)的分辨率達(dá)到1 080P，可實(shí)現(xiàn)高清畫質(zhì)拍攝且具備自動(dòng)調(diào)焦功能；1臺(tái)俯視相機(jī)的分辨率為1 080P；本體2個(gè)側(cè)邊和2個(gè)柔性觸角上分別裝有1臺(tái)尺寸較小的拍攝相機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)本體側(cè)邊及變壓器內(nèi)部狹窄處的視頻檢查；1臺(tái)仰視相機(jī)，用于觀察機(jī)器人上方。安裝在機(jī)器人外殼上的5臺(tái)相機(jī)視野范圍可覆蓋前方180°，左右60°，柔性觸角相機(jī)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人360°范圍內(nèi)全方位視頻檢查。同時(shí)，每個(gè)拍攝裝置均配置有功耗低、亮度高的照明裝置，其中側(cè)面和柔性觸角的照明集成在微型相機(jī)上，滿足機(jī)器人視覺檢查的需要。

WiFi是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。WiFi信號(hào)的頻段通常為2.4GHz和5GHz，其中2.4GHz頻段支持802.11b/g/n/ax標(biāo)準(zhǔn)，5GHz頻段支持802.11a/n/ac/ax標(biāo)準(zhǔn)。無線通信系統(tǒng)采用微型高清晰無線傳輸系統(tǒng)，采用編碼正交頻分復(fù)用（coded orthogonal frequency division multiplexing, COFDM）多載波調(diào)制技術(shù)，可同時(shí)傳輸高清多媒體接口（high definition multimedia interface, HDMI）視頻與2路串口數(shù)據(jù)，該機(jī)器人通過移動(dòng)熱點(diǎn)WiFi信號(hào)建立高速無線數(shù)據(jù)連接，通信頻段為2.4GHz電磁信號(hào)。機(jī)器人在變壓器內(nèi)執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)時(shí)，其電磁信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)為絕緣油。通過對(duì)絕緣油的參數(shù)及低損耗介質(zhì)的特性進(jìn)行計(jì)算，可以得出其衰減常數(shù)及相移常數(shù)，可知絕緣油媒質(zhì)具有理想介質(zhì)的特性。通過分析可知，在特定的2.4GHz頻率下，絕緣油可傳輸無線信號(hào)，驗(yàn)證了機(jī)器人采用2.4GHz無線通信方案進(jìn)行變壓器內(nèi)部檢查具備可行性。

機(jī)器人攜帶7個(gè)相機(jī)，分別為前（主視）、左、右、俯、仰相機(jī)和2個(gè)柔性觸角相機(jī)。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境下，測(cè)得機(jī)器人內(nèi)部2.4GHz模塊WiFi的最大帶寬為50Mbit/s。機(jī)器人7路視頻流中有兩路1 080P視頻，其余為720P視頻。根據(jù)最新的高效率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（H.265），機(jī)器人視頻傳輸所需的帶寬為2Mbit/s×5+5Mbit/s×2=20Mbit/s＜50Mbit/s，采用2.4GHz模塊WiFi可完全滿足拍攝裝置的上行帶寬要求。同時(shí)，機(jī)器人無線通信由3路無線通信組成，分別為2路2.4GHz WiFi信號(hào)和1路433MHz無線通信，滿足冗余設(shè)計(jì)要求。2路2.4GHz WiFi信號(hào)均可作為機(jī)器人本體和遙控操作盒的主要通信通道，用于傳輸實(shí)時(shí)視頻信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng)其中1路2.4GHz WiFi無線通信出現(xiàn)異常時(shí)，遙控操作盒會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，并自動(dòng)切換為另一路無線通信，確保視頻不中斷，機(jī)器人繼續(xù)巡檢或者返航。當(dāng)出現(xiàn)2路無線通信均斷開的極端情況時(shí)，遙控操作盒會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，并自動(dòng)切換至433MHz無線通信，確保機(jī)器人能持續(xù)接收控制指令并返回投放口。控制信號(hào)冗余設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 控制信號(hào)冗余設(shè)計(jì)

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)與控制

2.1 機(jī)器人流體動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)器人在水平方向的運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向、垂直方向的升降運(yùn)動(dòng)是通過安裝在機(jī)器人本體上的螺旋槳推進(jìn)裝置的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，由于影響機(jī)器人內(nèi)部檢查性能的主要因素是其水平面內(nèi)的動(dòng)力學(xué)性能，而檢查狀態(tài)下，對(duì)機(jī)器人垂直面內(nèi)的機(jī)動(dòng)性要求不高，因此重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力分析。

為了更好地驗(yàn)證該檢查機(jī)器人在絕緣油中的控制能力，在機(jī)器人樣機(jī)開發(fā)前對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行流體仿真及推阻力計(jì)算，設(shè)定機(jī)器人在1.5m/s的速度下運(yùn)行，搭建機(jī)器人仿真域并對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。機(jī)器人本體網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 機(jī)器人本體網(wǎng)格劃分

進(jìn)行機(jī)器人本體在變壓器油中的仿真，以驗(yàn)證機(jī)器人在水平前進(jìn)方向上施加計(jì)算推力后能夠以設(shè)定速度正常巡航。其中，油液密度設(shè)置為895kg/m3，機(jī)器人本體鎂鋁合金密度設(shè)置為1 320kg/m3。仿真分析表明，運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人本體承受的平均壓強(qiáng)約為336Pa，出現(xiàn)在機(jī)器人前端的最大壓強(qiáng)約為1 238Pa。由于運(yùn)動(dòng)過程中阻力的影響，機(jī)器人本體所受的應(yīng)力主要分布在機(jī)器人正面，機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力情況如圖6所示。

圖6 機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力情況（主視圖）

機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)速度為1.5m/s時(shí)受到的阻力約為2.28N，機(jī)器人在油中運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際推力約為10.11N，表明機(jī)器人能夠在此推力下正常運(yùn)動(dòng)，證明了機(jī)器人設(shè)計(jì)的有效性。

2.2 機(jī)器人推進(jìn)器推力計(jì)算

機(jī)器人螺旋槳的輸入是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出是推力和力矩。油中機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)通過螺旋槳旋轉(zhuǎn)推力完成，同時(shí)進(jìn)速比及推力系數(shù)受油中機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)速度的影響，最終反映為對(duì)推力和力矩大小的影響。螺旋槳推力的數(shù)學(xué)模型為

式中：T為螺旋槳推力系數(shù)；為螺旋槳直徑；為推力減額；為油體密度；為螺旋槳轉(zhuǎn)速。其中，推力系數(shù)T為進(jìn)速比的函數(shù)，進(jìn)速比可通過式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：f為伴流分?jǐn)?shù)；為油下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度。

通過測(cè)量，螺旋槳實(shí)際直徑為65.78mm，結(jié)合油下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)工況運(yùn)行速度0.5m/s及伴流分?jǐn)?shù)f=0.9，螺旋槳電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 800r/min，由此可計(jì)算出進(jìn)速比=0.68，根據(jù)螺旋槳敞水性能曲線可得，推力系數(shù)T=0.12，進(jìn)而通過式（1）求得單個(gè)螺旋槳推進(jìn)器的推力=11.52N。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證螺旋槳設(shè)計(jì)的有效性，應(yīng)用工程仿真軟件Ansys進(jìn)一步對(duì)螺旋槳推力進(jìn)行仿真分析[14]。設(shè)定螺旋槳轉(zhuǎn)速為4 800r/min，入油口流速設(shè)置為1.5m/s；采用湍流模型對(duì)螺旋槳進(jìn)行推力計(jì)算，在不考慮動(dòng)能損耗的前提下，螺旋槳在轉(zhuǎn)速為4 800r/min的工況下產(chǎn)生的平均推力為12.52N，與上述利用公式計(jì)算出的推力11.52N基本一致，表明螺旋槳在額定轉(zhuǎn)速下能產(chǎn)生足以推動(dòng)機(jī)器人本體的推力。同時(shí)，為了進(jìn)一步模擬雙發(fā)螺旋槳同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生推力的情況，在Ansys中進(jìn)行推力模擬及計(jì)算。雖然在雙發(fā)螺旋槳同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的工況下存在一些干擾，但整體仍能產(chǎn)生19.73N左右的推力；同時(shí)雙發(fā)螺旋槳滿足冗余設(shè)計(jì)要求，可以根據(jù)不同的工況及運(yùn)行速度要求變換不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方式。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

機(jī)器人在變壓器中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于無法準(zhǔn)確定位初始位置而引入起始偏差，或經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后運(yùn)動(dòng)軌跡與期望軌跡之間存在偏差，控制系統(tǒng)應(yīng)糾正這些偏差，使受絕緣油波動(dòng)干擾等影響的機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)能夠跟蹤期望軌跡。文獻(xiàn)[15]提出一種基于模型預(yù)測(cè)控制的水下機(jī)器人軌跡跟蹤優(yōu)化方法。本文的絕緣油中檢查機(jī)器人采用深度閉環(huán)控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的定向控制，機(jī)器人獲得上位機(jī)發(fā)出的定向指令后，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)至預(yù)定方向，利用傳感器反饋計(jì)算航向差并輸入定向控制器，定向控制器輸出控制電壓，控制各推進(jìn)器轉(zhuǎn)速，完成對(duì)機(jī)器人航向的調(diào)整。該機(jī)器人的航向控制采用模糊自適應(yīng)比例-積分-微分（proportional integral differential, PID）控制，將航向偏差量和偏差的變化率作為控制器的輸入，應(yīng)用模糊控制規(guī)則對(duì)PID控制器的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定，運(yùn)動(dòng)控制框圖如圖7所示；持續(xù)通過PID控制器輸出控制量，使機(jī)器人控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制框圖

3 應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)

文獻(xiàn)[16]分析了大容量單相發(fā)電機(jī)主變壓器的結(jié)構(gòu)，為了更好地為變壓器內(nèi)檢機(jī)器人樣機(jī)的開發(fā)研制提供良好的參考試驗(yàn)條件，結(jié)合上述結(jié)構(gòu)分析，定制一款小尺寸試驗(yàn)油池進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)油池對(duì)機(jī)器人進(jìn)行多次調(diào)試、操控優(yōu)化、技術(shù)改進(jìn)迭代后，最終進(jìn)入某500kV備用變壓器內(nèi)部開展應(yīng)用調(diào)試及控制優(yōu)化。機(jī)器人通過變壓器頂部的手孔進(jìn)入變壓器內(nèi)部，機(jī)器人操控終端顯示接收到有載分接開關(guān)引線視頻圖像如圖8所示，通過視頻圖像可判斷變壓器內(nèi)部是否存在故障。

圖8 有載分接開關(guān)引線視頻圖像

所設(shè)計(jì)的變壓器內(nèi)檢機(jī)器人還具備專家支持功能，專家可遠(yuǎn)程獲得近實(shí)時(shí)高質(zhì)量圖像，以解決內(nèi)檢機(jī)器人識(shí)別出的問題。同時(shí)，利用所設(shè)計(jì)的內(nèi)檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器內(nèi)部檢查工作的快速部署，一旦變壓器停電，就可部署內(nèi)檢機(jī)器人完成對(duì)變壓器的內(nèi)部檢查，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估變壓器健康狀態(tài)，應(yīng)用機(jī)器人完成變壓器內(nèi)部檢查將成為變壓器常規(guī)定期試驗(yàn)項(xiàng)目的重要組成部分。變壓器檢修工期與核電廠大修工期密切關(guān)聯(lián)，變壓器內(nèi)檢機(jī)器人的應(yīng)用可大幅降低檢修資源投入，縮短檢修工期，同時(shí)由于整個(gè)檢修過程中只需變壓器少量排油至鐘罩油箱頂部（鐵心上夾件附近），變壓器高低壓線圈均未暴露于空氣中，無潮氣進(jìn)入的風(fēng)險(xiǎn)，因此無需開展局部放電耐壓試驗(yàn)即可恢復(fù)送電。傳統(tǒng)變壓器內(nèi)部檢查與機(jī)器人內(nèi)部檢查對(duì)比如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)變壓器內(nèi)部檢查與機(jī)器人內(nèi)部檢查對(duì)比

4 結(jié)論

本文研究的變壓器內(nèi)檢機(jī)器人具備無線遠(yuǎn)程多終端操控、自主巡航及準(zhǔn)確定位功能，通過操控端實(shí)時(shí)接收和發(fā)送控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度的多參量控制，同時(shí)可接收和反饋機(jī)器人檢測(cè)照片、視頻、機(jī)器自檢信息及實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)等相關(guān)信息。根據(jù)遠(yuǎn)程端接收到的檢測(cè)照片、視頻，可準(zhǔn)確判斷變壓器發(fā)生的故障類型。本文對(duì)所設(shè)計(jì)研制的機(jī)器人樣機(jī)在試驗(yàn)油池和變壓器內(nèi)部開展了功能性測(cè)試及控制優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果表明，浮游式變壓器內(nèi)檢機(jī)器人具有良好的密封性、耐腐蝕性和運(yùn)動(dòng)靈活性，可獲得清晰的變壓器內(nèi)部圖像，可有效替代人工開展變壓器內(nèi)部檢查工作，為后續(xù)示范性應(yīng)用與推廣奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文研制的基于無線遙控帶柔性臂的浮游式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了代替人工開展油浸式變壓器內(nèi)部檢查工作的目標(biāo)，減輕了維護(hù)人員的工作量，其應(yīng)用可大大降低檢修資源投入，并縮短檢修工期，對(duì)實(shí)現(xiàn)變壓器內(nèi)部檢查無人化和自動(dòng)化具有重要意義。

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Development and application of a floating internal inspection robot for power transformers

FENG Yuhui GAO Chao

(China General Nuclear Power Group China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518124)

The internal inspection for transformers not only requires a large amount of work, but also poses potential risks of introducing foreign objects and insulation moisture. Through the analysis of the internal environment of transformers, requirements have been put forward for the design of the transformer internal inspection robot. Based on this, the overall structure design of the robot, the optimization layout of internal equipment, and the design of key component structures are carried out. At the same time, simulation research on robot motion and control is carried out, and a floating internal inspection robot with flexible arms for transformers is successfully developed. The application test results indicate that the robot can effectively replace manual entry into the transformer to carry out preventive health checks or assist in identifying internal fault points, which has a high level of automation.

transformer; floating type; robots; research; application

2023-11-13

2023-12-11

馮玉輝（1983—），男，遼寧省沈陽市人，本科，高級(jí)工程師、高級(jí)技師，主要從事核電廠大型電力變壓器全壽期運(yùn)維管理工作。