含機(jī)械臂作業(yè)的變電設(shè)備帶電水沖洗裝備

劉洪良 林杰江 梁湛原 何盛全 金向朝

（1.廣東威恒電力技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 佛山 528000；2.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東 佛山 528000）

電氣設(shè)備因污穢而發(fā)生的絕緣閃絡(luò)有時(shí)會(huì)造成重大設(shè)備的損壞和大面積停電事故，進(jìn)而帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。而對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行帶電水沖洗，簡(jiǎn)單易行，工作效率高，清洗效果好，既減少了停電，又達(dá)到了防污閃的目的，經(jīng)濟(jì)效益顯著[2]。

就目前國(guó)內(nèi)的帶電水沖洗設(shè)備而言，主要靠人來(lái)靠近帶電設(shè)備（或線路）操持噴槍進(jìn)行沖洗，靠人的主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行距離、位置、角度等相關(guān)參數(shù)的判斷，其沖洗效果嚴(yán)重依賴于沖洗人員的經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣、身體狀態(tài)、情緒等個(gè)人因素，缺乏穩(wěn)定性，作業(yè)時(shí)存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，水路系統(tǒng)主要采用人工腳踏油門控制水泵的轉(zhuǎn)速或遙控高壓水泵的起停[3]，且無(wú)法準(zhǔn)確了解水路工況的實(shí)時(shí)信息，自動(dòng)化程度低。隨著電力設(shè)備數(shù)量的增加，電壓等級(jí)的升高，加上污染日趨嚴(yán)重，對(duì)帶電水沖洗裝備的自動(dòng)化要求越來(lái)越高。

本課題組在充分研究國(guó)內(nèi)外移動(dòng)式高壓帶電水沖洗裝備的基礎(chǔ)上將機(jī)器人元素引入其中，研制了一種含機(jī)械臂的變電設(shè)備帶電水沖洗車，該裝備包括移動(dòng)式平臺(tái)、機(jī)械臂、電控系統(tǒng)等。本文主要介紹功能結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、性能測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況[4]。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 移動(dòng)車載平臺(tái)

改裝消防車作為帶電水沖洗作業(yè)平臺(tái)，包括承載車、高壓水泵、水箱、管路系統(tǒng)、機(jī)械臂室等。如圖1所示通過(guò)將取力器與承載車的發(fā)動(dòng)機(jī)連接，可以直接驅(qū)動(dòng)高壓水泵進(jìn)行工作，不需要再外接電源，適合于移動(dòng)式作業(yè)。

圖1 帶電水沖洗車結(jié)構(gòu)圖

所用高壓水泵為雙級(jí)串并聯(lián)式，具有高水壓、高流量等特點(diǎn)。它的進(jìn)水口與車廂中部水箱連接，四個(gè)出水口可為至少四路高壓水管供水，能滿足多支高壓水槍對(duì)高電壓等級(jí)的大直徑變電設(shè)備同時(shí)工作。其中，兩個(gè)出水口分別為兩個(gè)機(jī)械臂上水槍供水；另兩個(gè)出水口為備用手動(dòng)沖洗槍供水，在需要采用手動(dòng)配合沖洗時(shí)可以將水管引到較遠(yuǎn)的距離。

在車廂前部上半部和車廂后部上半部均留有機(jī)械臂室，其正上方預(yù)留空間安裝有手動(dòng)車頂門，車頂門作了防水處理，內(nèi)部加裝有電動(dòng)驅(qū)潮加熱裝置。

1.3 機(jī)械臂

如圖2所示，機(jī)械臂共包括三個(gè)軸：①最下面與底座相接的第一軸（J1）用于控制機(jī)械臂的水平旋轉(zhuǎn)；②中間的第二軸（J2）用于控制機(jī)械臂的升高和降低；③最上面的第三軸（J3）用于控制水槍的俯仰角度，水槍平行安裝于J3 軸的卡座上，其長(zhǎng)度不超過(guò)臂長(zhǎng)。三個(gè)軸均采用交流伺服電機(jī)并經(jīng)減速機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，具有低轉(zhuǎn)速大扭矩的特點(diǎn)，使得機(jī)械臂具有較好的控制精度和承載能力，能穩(wěn)定可靠地完成水沖洗作業(yè)。J3 軸集成安裝激光測(cè)距儀和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，并與水槍平行。

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及動(dòng)作范圍示意圖

機(jī)械臂的動(dòng)作范圍主要如下：J1 可以實(shí)現(xiàn)330°旋轉(zhuǎn)，J2 在機(jī)械臂收縮時(shí)可以達(dá)到0°，在機(jī)械臂伸展時(shí)可以達(dá)到90°，J3 向下最大可以達(dá)到-30°，向上最大可以達(dá)到90°。

2 控制系統(tǒng)

帶電水沖洗車的控制系統(tǒng)根據(jù)功能需要可分為作業(yè)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、水射流控制三部分，如圖3所示。

圖3 帶電水沖洗車的控制系統(tǒng)框圖

作業(yè)規(guī)劃部分由工控機(jī)、控制面板組成。工控機(jī)的CPU模塊可以運(yùn)行機(jī)械臂的控制程序，通過(guò)系統(tǒng)總線和運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換以及指令的傳遞，并通過(guò)串行通信方式與PLC控制系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)信息交換并對(duì)其實(shí)施監(jiān)控?？刂泼姘灏ㄓ|摸屏、顯示器和控制桿。操作人員通過(guò)觸摸屏可以準(zhǔn)確設(shè)置機(jī)械臂的升降和轉(zhuǎn)動(dòng)、水量、水壓等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精確沖洗；顯示器可實(shí)時(shí)顯示沖洗部位的現(xiàn)場(chǎng)情況，便于進(jìn)行監(jiān)控、定位和測(cè)距。通過(guò)將控制桿向左右和上下方向擺動(dòng)來(lái)分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)和俯仰，從而可以靈活地進(jìn)行帶電水沖洗作業(yè)。

運(yùn)動(dòng)控制部分直接面向被控對(duì)象，完成對(duì)其各自由度運(yùn)動(dòng)的控制。它主要由運(yùn)動(dòng)控制板卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、碼盤和限位開關(guān)組成。它接收來(lái)自作業(yè)規(guī)劃部分的指令，完成規(guī)劃路徑的運(yùn)動(dòng)控制，收集各關(guān)節(jié)位置的傳感器信息進(jìn)行原始處理，供決策部分實(shí)現(xiàn)后繼運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。

水射流控制部分由PLC、開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)單元、多路電磁閥單元、信號(hào)檢測(cè)傳感器單元、觸摸屏組成。PLC 是整個(gè)控制部分的核心，其輸入輸出控制模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)單元中各個(gè)開關(guān)動(dòng)作狀態(tài)信號(hào)和控制電磁閥單元中各個(gè)開關(guān)的準(zhǔn)確動(dòng)作；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)采集信號(hào)檢測(cè)傳感器單元中水泵轉(zhuǎn)速、水泵壓力信號(hào)，水箱液位、水電導(dǎo)率信號(hào)；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)穩(wěn)定的輸出相應(yīng)0～5V 直流模擬量控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使水泵達(dá)到理想的轉(zhuǎn)速和壓力狀態(tài)。觸摸屏人機(jī)操作界面與PLC 控制單元之間通過(guò)串口232 線進(jìn)行連接通信，可實(shí)時(shí)顯示水泵轉(zhuǎn)速、水泵壓力信號(hào)，水箱液位、水電導(dǎo)率信號(hào)等各種狀態(tài)信息；可選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式對(duì)各個(gè)開關(guān)進(jìn)行開閉操作。針對(duì)直徑大小的不同的設(shè)備，還提供了單槍沖洗、雙槍沖洗和多槍沖洗等多種作業(yè)方式。

3 關(guān)鍵問(wèn)題分析

3.1 機(jī)械臂的工作狀態(tài)

綜合考慮機(jī)械臂出倉(cāng)時(shí)的動(dòng)作空間及消防車的載荷分布，機(jī)械臂出倉(cāng)前兩個(gè)機(jī)械臂均處于收縮狀態(tài)，呈對(duì)角線布局。機(jī)械臂出倉(cāng)后處于伸展?fàn)顟B(tài)，此時(shí)機(jī)械臂的水槍出水口離地垂直距離遠(yuǎn)高于人工持槍高度。

對(duì)于高電壓等級(jí)的變電站，由于設(shè)備比較高，人工持槍沖洗角度小，所需水柱長(zhǎng)，沖洗過(guò)程中出現(xiàn)水柱發(fā)散幾率相應(yīng)增大，可能無(wú)法對(duì)沖洗設(shè)備形成有效的打擊力，增大了污閃風(fēng)險(xiǎn)和人身安全風(fēng)險(xiǎn)。相比而言，出倉(cāng)后的機(jī)械臂抬高了水槍高度，增大了水槍的沖洗角度，可有效提高水柱打擊力。因而機(jī)械臂代替人工持槍沖洗，在降低作業(yè)強(qiáng)度和確保人身安全的同時(shí)，也可以提高沖洗效果。

3.2 機(jī)械臂的安全控制

作業(yè)人員可根據(jù)感知的控制桿操控速度對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行靈活設(shè)定。然而，僅憑經(jīng)驗(yàn)感知操控機(jī)械臂控制水槍動(dòng)作可能出現(xiàn)誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)械臂動(dòng)作從軟件和硬件上實(shí)現(xiàn)雙重閉鎖，為其安全動(dòng)作提供了保障。當(dāng)作業(yè)人員操控控制桿起動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)或在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)連續(xù)動(dòng)作時(shí)，由于上位機(jī)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)軟件閉鎖，機(jī)械臂無(wú)法直接動(dòng)作，需配合控制面板底部的解鎖按鈕使用；由于碼盤無(wú)法直接反饋的電機(jī)的絕對(duì)位置，當(dāng)機(jī)械臂超出規(guī)定的安全動(dòng)作范圍動(dòng)作時(shí)，此時(shí)利用限位開關(guān)對(duì)其進(jìn)行硬件閉鎖。

3.3 水槍測(cè)距瞄準(zhǔn)

沖洗作業(yè)前，為提高工作效率和保證相鄰設(shè)備的安全，需要使水槍與絕緣子實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)械臂出倉(cāng)后，操作人員首先通過(guò)肉眼察看前方絕緣設(shè)備的大概位置，然后利用控制桿對(duì)水槍位置進(jìn)行粗調(diào)，同時(shí)觀察顯示器中圖像，當(dāng)待沖洗絕緣子進(jìn)入監(jiān)控范圍內(nèi)后，可通過(guò)激光測(cè)距儀所反饋的實(shí)時(shí)距離和照射在絕緣子底部上的紅色激光點(diǎn)進(jìn)行初步對(duì)準(zhǔn)判定。

由于水槍沖洗過(guò)程中的水霧會(huì)對(duì)基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)照射的激光產(chǎn)生干擾，可能無(wú)法準(zhǔn)確判別水槍是否瞄準(zhǔn)。而水槍與J3 軸中的攝像機(jī)和激光測(cè)距儀并排垂直布置，三者間距很小，因此通過(guò)在顯示器中心位置設(shè)置十字標(biāo)志，可對(duì)紅色激光點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。正式?jīng)_洗過(guò)程中，將設(shè)備沖洗位置微調(diào)至與十字重合，即使無(wú)法看到紅色激光點(diǎn)，也可以進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)判定。

4 性能測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)

4.1 電氣試驗(yàn)

帶電水沖洗的顯著特點(diǎn)是依靠水柱的絕緣性能使流經(jīng)人體的電流不超過(guò)安全值，并依靠水柱的耐受強(qiáng)度來(lái)保證帶電體不對(duì)人體放電。從保證人身安全的角度出發(fā)，要求水柱的絕緣性能需要滿足兩個(gè)條件：①在系統(tǒng)最大工作電壓下，流經(jīng)作業(yè)人員人體的泄漏電流不超過(guò)1～2mA；②當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)操作過(guò)電壓時(shí)，水柱不發(fā)生閃絡(luò)[7]。

參照文獻(xiàn)[6]的相關(guān)要求，對(duì)機(jī)械臂水槍噴口處進(jìn)行了水柱泄漏電流試驗(yàn)和15 次操作沖擊耐壓試驗(yàn)，結(jié)果如表1、表2所示，可以滿足500kV 及以下電壓等級(jí)變電設(shè)備帶電水沖洗時(shí)的水柱絕緣安全要求。

表1 帶電水沖洗設(shè)備水槍噴口處泄漏電流試驗(yàn)

表2 帶電水沖洗設(shè)備水槍噴口處15 次操作沖擊耐壓試驗(yàn)

4.2 500kV 變電設(shè)備全真模擬試驗(yàn)

2013年1月，在某試驗(yàn)基地通過(guò)變頻串諧升壓系統(tǒng)對(duì)人工涂覆c 級(jí)污穢的某相支柱絕緣子加壓至500kV 后開展帶電水沖洗試驗(yàn)，驗(yàn)證該設(shè)備是否滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際帶電水沖洗要求。

該次作業(yè)采用人機(jī)配合沖洗模式，其中兩支槍人工手持，另外兩支槍通過(guò)操控機(jī)械臂作業(yè)。沖洗方式為四槍組合、一沖三回。在沖洗過(guò)程中通過(guò)泄漏電流傳感器和采集系統(tǒng)對(duì)支柱絕緣子的泄漏電流情況進(jìn)行了采集，并選取泄漏電流基波幅值為特征量，結(jié)果見表3。其中，泄漏電流基波最大幅值為10.5mA，沖洗結(jié)束時(shí)泄漏電流基波幅值2.8mA；泄漏電流的最大幅值出現(xiàn)在高壓水柱接近支柱絕緣子的頂部時(shí)，由于此時(shí)所加電壓主要集中在此位置，涂覆人工污穢的外絕緣表面被逐漸上升的水霧打濕，因而流過(guò)的泄漏電流相應(yīng)急劇增大，至頂部沖洗后，泄漏電流明顯降低。

整個(gè)沖洗過(guò)程中泄漏電流無(wú)明顯太大變化，沖洗結(jié)束后泄漏電流基波幅值很小，基本可以忽略，說(shuō)明沖洗效果明顯。

表3 被沖洗設(shè)備的泄漏電流情況

4.3 500kV 變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)

2013年 2月，使用該裝備在佛山供電局某500kV 變電站進(jìn)行帶電水沖洗作業(yè)，沖洗對(duì)象為#1主變壓器變高500kV A 相電容式電壓互感器，該設(shè)備支柱高度為4.5m，頂部距地面垂直高度為10.6m。對(duì)于三節(jié)式的電容式電壓互感器外絕緣采用人機(jī)配合、一沖三回、四槍組合的方式?jīng)_洗。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)況如圖4所示。

圖4 帶電水沖洗實(shí)況

作業(yè)開始前，操作人員首先通過(guò)控制面板調(diào)整機(jī)械臂的位置，使兩兩相鄰的四支槍呈90°對(duì)準(zhǔn)設(shè)備外絕緣底部，然后通過(guò)水射流控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速至相應(yīng)水泵出口水壓并實(shí)時(shí)監(jiān)控電磁閥狀態(tài)、水箱液位等狀態(tài)信息進(jìn)行輔助決策。沖洗過(guò)程中，通過(guò)操作桿垂直方向?qū)C(jī)械臂第三軸的俯仰動(dòng)作進(jìn)行靈活控制，上升緩慢、回掃迅速。沖洗前的電容式電壓互感器外絕緣表面較臟污，經(jīng)沖洗作業(yè)后，其表面沒有出現(xiàn)污水滴落，局部起弧現(xiàn)象，沖洗效果明顯。

5 結(jié)論

1）本文介紹的帶電水沖洗裝置，將智能機(jī)械臂嵌入其中，使用它完成了500kV 電壓等級(jí)變電站中電容式電壓互感器設(shè)備的帶電水沖洗作業(yè)，作業(yè)效果明顯。

2）該裝置能夠?qū)Ω唠妷旱燃?jí)的大直徑變電設(shè)備的外絕緣表面進(jìn)行清洗作業(yè)，操作靈活、安全，適用于變電站內(nèi)移動(dòng)式作業(yè)的開展。

3）通過(guò)使用機(jī)械臂作業(yè)代替人工持槍作業(yè)，解決了勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。結(jié)合水射流控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水射流的智能化控制，提高了帶電水沖洗的作業(yè)效率和自動(dòng)化程度。

[1] 陳曉國(guó),楊楚明,饒章權(quán).變電設(shè)備帶電水沖洗技術(shù)探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2007(S2):59-61.

[2] 文屹,孫建江.變電設(shè)備帶電水沖洗的應(yīng)用[J].貴州電力技術(shù),2008(6):35-36.

[3] 魏增福.帶電清洗技術(shù)在廣東電網(wǎng)的應(yīng)用[J].清洗世界,2010,26(10):13-16.

[4] 陳曉倫,彭夕嵐,楊汝清,等.330kV 變電設(shè)備帶電清掃機(jī)器人研究[J].2007,31(19):56-59.

[5] 趙援朝,蔣建湘,高培慶.電氣化鐵路帶電水沖洗工程車的開發(fā)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2001(6): 13-16.

[6] GB/T 13395-1992,電力設(shè)備帶電水沖洗導(dǎo)則[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[7] IEEE Guide for cleaning insulators,IEEE Std. 957- 2005,2005.