地下電纜巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

何軍，梁彥

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

地下電纜巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

何軍，梁彥

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，四川遂寧629000）

針對目前地下電纜實(shí)時監(jiān)測所存在的各種問題，國內(nèi)外一直致力于利用機(jī)器人技術(shù)來解決.為了完成對地下電纜絕緣老化狀態(tài)、早期故障的實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警、可靠性分析與壽命管理等，需要結(jié)合多學(xué)科的最新技術(shù)，包括檢測技術(shù)、信號處理與數(shù)據(jù)融合、控制技術(shù)、通信技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等學(xué)科.面向這一新的方向，本文探討了研究和開發(fā)地下電纜巡檢機(jī)器人應(yīng)關(guān)注的一些關(guān)鍵技術(shù).

地下電纜；巡檢機(jī)器人；絕緣老化；實(shí)時監(jiān)控；傳感器陣列

地下電纜是電力系統(tǒng)的重要組成部分，是保證供電可靠性的基礎(chǔ).統(tǒng)計歷年來地下電纜的故障發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致輸電電纜故障的主要原因是導(dǎo)線絕緣材料長期工作在高壓、高溫下，引起物理、化學(xué)變化，發(fā)展到一定程度或在外部條件（雷電、短路等）激發(fā)下，造成絕緣性能下降［1-2］.20世紀(jì)70年代以來，隨著世界上裝機(jī)容量的迅速增長，原有的預(yù)防性維修體系已不能滿足越來越高的供電可靠性要求，為降低停電和維修費(fèi)用，國內(nèi)外開始研究狀態(tài)檢修這一新方向，即對運(yùn)行中電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的在線監(jiān)測，隨時獲得能反映絕緣狀況變化的相關(guān)信息，進(jìn)行分析處理后，根據(jù)診斷結(jié)論安排必要的維修.從國內(nèi)外已取得的研究成果可以看出，將移動機(jī)器人用于輸電線路的實(shí)時監(jiān)測是一個必然的趨勢.目前國外無越障功能的架空輸電線路巡線機(jī)器人技術(shù)較為成熟，已進(jìn)入實(shí)用階段，國內(nèi)對具有自主越障功能的機(jī)器人研究投入力量大，取得了多項研究成果，但是都沒有解決地下電纜的實(shí)時監(jiān)測問題.

1 地下電纜巡檢機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動

1.1.1 隧道電纜機(jī)器人

陸地機(jī)器人按照其移動機(jī)構(gòu)可分為輪式、履帶式、足式、蛇形等［3］，而移動機(jī)構(gòu)的選取又取決于機(jī)器人的移動環(huán)境.110k V及其以上高壓電纜常集中鋪設(shè)在電纜隧道中，以方便布線、維護(hù).隧道中間有人行通道，高壓電纜被固定在通道兩側(cè)的墻壁上，因此人行通道和電纜都可以作為隧道電纜機(jī)器人的移動環(huán)境.目前國內(nèi)外研發(fā)的隧道機(jī)器人一般在人行通道上移動，常采用履帶式的移動機(jī)構(gòu)以確保機(jī)器人行駛過程中的平穩(wěn)性.但機(jī)器人離兩側(cè)的電纜尚有一段距離，因此主要檢測的是隧道內(nèi)環(huán)境而不是電纜故障.華盛頓大學(xué)的地下電纜移動監(jiān)測平臺首次以電纜表面作為機(jī)器人的移動環(huán)境，采用多段輪式結(jié)構(gòu)，在沙漏型車輪和平衡桿的輔助下能夠緊貼電纜表面平穩(wěn)地移動，但其越障能力十分有限，難以順利地執(zhí)行巡線任務(wù).因此，為了完成對地下輸電線路故障的檢測，并且達(dá)到足夠的精度，機(jī)器人不但應(yīng)該以電纜表面作為移動環(huán)境，還應(yīng)具有左右轉(zhuǎn)彎和跨越一些典型障礙（如電纜中間接頭、固定夾等）的能力.一方面對巡線機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了很多限制，比如空間約束，大小和重量的限制；另一方面對機(jī)器人的驅(qū)動能力提出了更高的要求.驅(qū)動機(jī)構(gòu)既要具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服摩擦；又要具有較寬的調(diào)速范圍和快速響應(yīng)能力，可適應(yīng)復(fù)雜的速度變化.因此，一種靈活穩(wěn)定并能應(yīng)對各種不利巡線因素的機(jī)器人系統(tǒng)是完成隧道電纜巡線任務(wù)的基礎(chǔ).

1.1.2 管內(nèi)機(jī)器人

在城市電纜輸配電系統(tǒng)中，約30%的地下輸電線路采用電纜管道敷設(shè)［4］.這就要求巡檢機(jī)器人能在排管內(nèi)沿電纜表面行進(jìn)（包括前進(jìn)、停止和后退）.此時機(jī)器人的移動環(huán)境更為狹小，例如10k V三芯電纜，其排管管徑為150～200mm.并且排管內(nèi)環(huán)境相對潮濕，多塵土.因此從機(jī)械機(jī)構(gòu)上來說，要求巡檢機(jī)器人小巧靈活，并且在不會對排管造成物理破壞的前提下具備一定的涉水能力、爬坡能力和跨越管內(nèi)障礙的能力.

1.2 遠(yuǎn)程控制和通信

機(jī)器人控制系統(tǒng)分為兩部分：機(jī)器人自主控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程計算機(jī)控制系統(tǒng).機(jī)器人自主控制系統(tǒng)可采用分布式多處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位姿控制、導(dǎo)航以及數(shù)據(jù)采集和處理.遠(yuǎn)程計算機(jī)控制系統(tǒng)是操作人員與機(jī)器人之間聯(lián)系的紐帶.操作人員通過地面移動基站的用戶界面查看機(jī)器人的巡檢狀況，隨時發(fā)出各種驅(qū)動行為指令，指揮機(jī)器人跨越障礙、處理意外故障等.同時機(jī)器人借由通信模塊將檢測到視頻信息、電纜故障信息等傳回遠(yuǎn)程計算機(jī)控制系統(tǒng)，并接受操作人員發(fā)出的實(shí)時或非實(shí)時數(shù)據(jù)類型的命令.鑒于現(xiàn)場安全性考慮，通信模塊可以考慮采用不受布線限制的無線通信網(wǎng)絡(luò).無線傳輸對遠(yuǎn)程計算機(jī)和機(jī)器人之間距離限制的問題可以通過機(jī)器人的自治功能加以彌補(bǔ)，但需要解決的是它們之間多路傳輸能力問題以及來自不同通信線路的優(yōu)先級問題［5］.

1.3 傳感與檢測

無論是隧道電纜機(jī)器人還是管內(nèi)機(jī)器人，要完成巡檢工作，都必須在沿電纜行走的同時通過攜帶的傳感器收集盡可能多的有用信息，包括電纜絕緣狀態(tài)信息和圖像信息.

1.3.1 絕緣狀態(tài)檢測

輸電線路絕緣老化的本質(zhì)是材料性能在熱、電、機(jī)械與環(huán)境等因素下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變.對其進(jìn)行狀態(tài)檢測需要涉及過熱點(diǎn)、局部放電、水樹老化等較為全面的故障信息.

（1）過熱點(diǎn)檢測

過熱點(diǎn)檢測是目前被國內(nèi)外普遍認(rèn)可的一項電纜監(jiān)測手段，因?yàn)闊o論是電纜的老化或是負(fù)荷的增加，都會通過溫度方面的信息反映出來.引起電纜絕緣層出現(xiàn)過熱點(diǎn)的原因十分普遍，包括物理損傷、特殊環(huán)境（十字路口、停車場下），電纜交叉等［6］.而當(dāng)其連續(xù)處于過熱狀態(tài)時，使用壽命將大大減少，并且可能引起接口破損，產(chǎn)生局部放電，導(dǎo)致絕緣故障.

傳統(tǒng)的電纜溫度監(jiān)測方式是將點(diǎn)式感溫裝置如熱電偶裝在電纜重要部位進(jìn)行測溫.此方法只能對電纜局部而不是整條線路實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測.國外目前應(yīng)用得較為廣泛的是分布式光纖測溫技術(shù)［24］.但需要將光纖安裝在電纜表面，不滿足移動檢測的要求.因此選取一種體積小、靈敏度高、能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量的溫度傳感器是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)過熱點(diǎn)在線檢測的關(guān)鍵.華盛頓大學(xué)用泰雷公司的M ID紅外測溫儀對14k V電纜上一個人造的過熱點(diǎn)進(jìn)行了檢測［7］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明紅外測溫儀可捕捉從物體輻射出的紅外能量，越靠近被測點(diǎn)，檢測結(jié)果越準(zhǔn)確.并且紅外測溫儀的探頭部分體積小，質(zhì)量輕，適合機(jī)器人攜帶，因此可隨機(jī)器人沿電纜移動讀取溫度，實(shí)現(xiàn)在線移動測溫.

（2）局部放電檢測

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和電壓等級的提高，局部放電（P D）已成為輸電線路絕緣老化的主要原因之一.研究表明［8］：輸電線路絕緣層中P D的長期存在會導(dǎo)致絕緣老化，嚴(yán)重時會引發(fā)停電事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失.目前應(yīng)用得較為廣泛的地下輸電線路P D檢測法諸如脈沖電流法、超高頻法等都需要對電纜作某些“加工”，比如將外屏蔽層截斷，在電纜與接地線間固定傳感器等，不適合用來進(jìn)行移動檢測和無損檢測.

聲發(fā)射檢測作為無損檢測的一種手段，目前在開關(guān)柜和變壓器上的應(yīng)用比較普遍［9］，在輸電線路上的應(yīng)用還只是作為一種輔助方法.主要由于聲發(fā)射信號（AE信號）在傳播過程中會衰減，需要近距離檢測.而巡檢機(jī)器人能夠在移動過程中盡可能地接近放電源，正好可以解決這一難題.并且聲發(fā)射傳感器不受電磁干擾，體積小，適合機(jī)器人攜帶.已有研究表明［28］，電纜局部放電產(chǎn)生的AE信號與視在放電量在一定范圍內(nèi)成正比.因此可以根據(jù)檢測到的AE信號來判斷局部放電的情況.

聲發(fā)射法與其他P D檢測方法相比，還有一個突出的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)“預(yù)防性”檢測，即檢測局部放電之前的絕緣層受損狀態(tài).因?yàn)樵谶\(yùn)行電壓下，P D與絕緣層的受損狀態(tài)是相輔相成的.絕緣層的缺陷會引發(fā)P D，P D的發(fā)生又加劇絕緣層缺陷的擴(kuò)展.因此，聲發(fā)射傳感器對P D進(jìn)行檢測不僅可以檢測放電過程中產(chǎn)生的超聲波信號，還可以檢測放電前后絕緣層缺陷擴(kuò)展時對外發(fā)出的AE信號.從而機(jī)器人就可以根據(jù)收集到的相關(guān)信息判斷輸電線路的受損程度，以便及時有效地采取措施進(jìn)行處理.

（3）水樹老化檢測

雖然采用聲發(fā)射傳感器對P D進(jìn)行檢測可以有效判斷輸電線路絕緣層的受損狀態(tài)，但是由于電纜老化過程中，P D是間歇性產(chǎn)生的，只有在準(zhǔn)確的時間和位置，機(jī)器人才能由攜帶的聲發(fā)射傳感器檢測到局部放電的存在.因此，為了保證巡線機(jī)器人對絕緣狀態(tài)所有過程的檢測，還要借助于其他檢測方式——水樹老化檢測.

當(dāng)電纜絕緣層中產(chǎn)生水樹時，其介電特性會發(fā)生改變，因此利用介電測量技術(shù)可以對絕緣層進(jìn)行間接無損的水樹老化檢測.即通過邊緣電場傳感器（F E F）測得的電纜絕緣材料復(fù)介電常數(shù)的變化判斷絕緣層是否存在水樹.F E F的原理和普通平板電容相同，不同之處在于前者的兩個電極（驅(qū)動電極和感應(yīng)電極）在同一平面內(nèi).進(jìn)行檢測時，將傳感器緊貼電纜表面，對驅(qū)動電極施加電壓，感應(yīng)電極接地.從而可以根據(jù)穿透絕緣層的兩個電極間的電場線檢測絕緣材料的復(fù)介電常數(shù).有文獻(xiàn)已經(jīng)提出利用三波長叉指式介電傳感器來進(jìn)行微水分檢測［10］，這可以作為地下輸電線路水樹老化檢測的有效依據(jù).將叉指式邊緣電場傳感器安裝在機(jī)器人上，對電纜表面測量，即使在空隙中沒有水分，并且信號變得很微弱的情況下，也可以檢測絕緣層表面的異常情況.即檢測的是絕緣材料的實(shí)際狀態(tài)，而不是局部放電的結(jié)果.

1.3.2 圖像采集

為了及時了解電纜隧道或管道內(nèi)這種極限環(huán)境內(nèi)的情況，比較直觀有效的方法是采用以攝像頭為基礎(chǔ)的圖像采集模塊對機(jī)器人周圍環(huán)境進(jìn)行檢測.由于巡檢現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣，特別是管內(nèi)機(jī)器人，移動環(huán)境空間狹小，因此安裝在機(jī)器人上的攝像頭模塊應(yīng)考慮以下幾個方面：

（1）體積小，功耗低，可拆卸；

（2）有較強(qiáng)的圖像處理及壓縮能力；

（3）具有實(shí)時傳輸圖像及接受外部控制命令的通信能力；

（4）采用防水廣角鏡頭，能夠監(jiān)視機(jī)器人周圍較廣范圍內(nèi)的圖像.

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件

對地下輸電線路巡線機(jī)器人而言，地面移動基站的主要任務(wù)是對其進(jìn)行遙操作以及分析處理機(jī)器人發(fā)回的圖像及各種檢測信息.因此其軟件系統(tǒng)必須具備以下功能：

（1）地面移動基站的監(jiān)控部分必須提供良好的人機(jī)接口界面，完成攝取圖像的顯示，數(shù)據(jù)綜合處理以及控制命令的發(fā)送等工作.

（2）監(jiān)控軟件能夠?qū)Σ杉降膱D像和數(shù)據(jù)信息做好記錄，便于以后的分析和處理.

2 結(jié)論

由于地下電纜故障的復(fù)雜性和所處環(huán)境的復(fù)雜性，將移動機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)時監(jiān)測還存在一定的困難，本文綜合比較了國內(nèi)外巡線機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，探討了研究地下電纜巡檢機(jī)器人需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù).盡管我國對地下電纜巡檢機(jī)器人的研究還處于探索階段，但是，隨著科技的不斷發(fā)展，以及在不斷積累監(jiān)測數(shù)據(jù)和總結(jié)診斷經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對地下電纜巡檢機(jī)器人的研究具有廣闊的前景.

［1］陳麗娟，李霞.2011年全國輸變電設(shè)施可靠性分析［J］.中國電力，2012，45（7）：89-93.

［2］陳麗娟，胡小正.2010年全國輸變電設(shè)施可靠性分析［J］.電力經(jīng)濟(jì)，2011，44（6）：71-77.

［3］李團(tuán)結(jié).機(jī)器人技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［4］史濟(jì)康，朱海鋼，徐永銘.35 k V及以下X L PE絕緣電力電纜品質(zhì)分析［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（11）：48-51.

［5］B erger M O，K ubit z O，P i ls C.M odel ingmobi le robot wirelessreal-time communication［C］//I EEE 47th Vehicular Technology C onference.A ri z ona，U S A：I EEE P ress，1997：2060-2064.

［6］李煜.分布式光纖測溫系統(tǒng)在220 k V電纜溫度在線監(jiān)測方面的應(yīng)用［J］.供用電，2005年增刊：7-10.

［7］J iang B，S ample AP，M amishev A V.M obi le M onitoring for D ist ributed I nf rastructures［C］//I EEE I nterna tional C onference on M echat ronics and A utomation. O ntario，C anada：I EEEP ress，2005：138-143.

［8］S teven A.P artial D ischarge Testingof G as insulated S ubstations［J］.I EEE Trans on P ower D el ivery，1992，7（2）：499-506.

［9］L u Y，Tan X，H u X.P D detection and local i z ation by a coustic measurements in an oi l-f il led t ransformer［C］//I EEEP roceedings on S cience M easurement and Technology.S tevenage，United K ingdom：I EEEP ress，2000：81-85.

［10］M amishev A V，D u Y，L esieut re B C.D evelopment and A p plications of F ringing E lect ric F ield S ensors and P a rameter E stimation A lgorithms［J］.J ournal of E lec t rostatic，1999，4（46）：109-123.

責(zé)任編輯：張隆輝

TP242

A

1672-2094（2015）03-0154-03

2015-04-27

何軍（1963-），男，重慶萬州人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授.研究方向：電氣自動化技術(shù).