架空輸電線路絕緣子檢測機器人的設計與研究

張林華，池艷東

（云南電網(wǎng)公司 楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

在高壓、超高壓輸電線路中，絕緣子性能對整個輸電線路的安全運行有著重要的影響。隨著高壓、超高壓輸電線路的鋪設，線路中的絕緣子數(shù)量也越來越大。長時間運行后，由于受到各種環(huán)境因素的影響，部分絕緣子出現(xiàn)老化或劣化現(xiàn)象。長期運行會出現(xiàn)絕緣電阻降低、表面污穢、開裂甚至擊穿等故障；當線路中有一定數(shù)量的劣化絕緣子存在，會引起閃絡現(xiàn)象，導致絕緣子掉串，嚴重影響輸電線路整體安全，作為架空輸電線路中重要的支撐部件，在保證電力系統(tǒng)的安全運行、供電安全方面具有非常重要的作用。為了保障輸電線路的安全運行，需要定期對線路的絕緣子進行檢測，確定絕緣子是否需要更換。超高壓輸電線路巡檢目前主要采用人工巡檢作業(yè)方式，勞動強度大、費用多且危險性高。隨著工業(yè)發(fā)展，電網(wǎng)容量的增大和額定電壓等級的提高，使電力系統(tǒng)輸電線路污閃事故日益突出，檢測超高壓輸電線路的不良絕緣子已成為國內(nèi)外電力部門十分關注的問題。

近年來，國內(nèi)外一直在探索絕緣子檢測的各種方式方法，目前國內(nèi)絕緣子檢測方法仍為人工檢測，人工檢測方式工作環(huán)境差，人員投入大，檢測效率低，而且易造成漏檢及誤檢。所以為線路絕緣子設計一款絕緣子檢測機器人來保證絕緣子的安全可靠運行具有重要意義。

1 概 況

絕緣子檢測機器人是由機器人本體結構、機器人控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及無線傳輸系統(tǒng)組成的一個復雜系統(tǒng)，機器人融合多項技術如電磁屏蔽技術、信息無線傳輸技術、多傳感器應用技術。絕緣子檢測機器人可以在實際的架空輸電線路中代替線路檢修人員完成對絕緣子串的檢測工作，當絕緣子檢測機器人檢測發(fā)現(xiàn)劣化絕緣子片時，機器人將向監(jiān)控后臺發(fā)送警示，預警絕緣子片的絕緣狀態(tài)。絕緣子檢測機器人能夠完成在絕緣子串上的上、下行運動，且能夠準確的在檢測位置定位，完成絕緣子片的檢測工作。

絕緣子檢測機器人本體可作為一個移動平臺，可以通過搭載不同的檢測儀器或設備完成以下的幾個功能：

1）自動檢測

將機器人放置于絕緣子串上，機器人可以沿著絕緣子串上、下自動行走，通過檢測儀完成對絕緣子片的絕緣特性檢測，檢測結果為分布電壓或者絕緣電阻，從而確定劣質(zhì)絕緣子，機器人將檢測結果實時傳輸至監(jiān)控設備，給予檢測人員警告。

2）外觀識別

通過搭載微型攝像機，絕緣子檢測機器人可以監(jiān)控絕緣子片的外觀，如鋼帽、瓷片裂紋等缺陷進行識別，檢測表面污穢，通過天線將機器人監(jiān)控的圖像實時傳送至顯示儀器。

3）智能操控

絕緣子檢測機器人可以按照預先設計的程序進行絕緣子串的檢測，也可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境更改機器人運動邏輯及運動速度，使機器人的控制更加機動靈活，更加符合現(xiàn)場的實際場合。

2 絕緣子檢測機器人系統(tǒng)設計

2.1 絕緣子檢測機器人本體系統(tǒng)設計

絕緣子串檢測機器人外觀見圖1，檢測機器人主要由爬行部分、伸縮部分組成，爬行部分的主要功能是實現(xiàn)機器人在絕緣子串上的前后爬行動作，爬行部分為兩組對稱安裝方式，此結構保證機器人的受力更加均衡，整機中心分配更加合理。伸縮部分保證了將機器人順暢的放入絕緣子的環(huán)抱中，通過伸縮兩個動作完成機器人在絕緣子串上的軸向限位，保證機器人的運動路徑的合理性。機器人在前后的爬行過程中，轉動件將深入兩片絕緣子形成的間隙中，轉動件通過在此間隙中旋轉完成機器人在絕緣子串上的前后位移。

圖1 絕緣子串檢測機器人產(chǎn)品圖Fig.1 The insulator strings detection robot product figure

機器人的轉動件應該盡量靠近絕緣子片的邊緣；可保證機器人可順利通過均壓環(huán)見圖2；從而保證了機器人能夠完成對整串絕緣子的檢測工作。

圖2 輸電線路均壓環(huán)Fig.2 The equalizing ring in the transmission lines

2.2 檢測機器人控制系統(tǒng)設計

絕緣子檢測機器人控制系統(tǒng)總體分為：機器人本體部分和無線監(jiān)控設備部分見圖3，本體部分完成機器人位置信息的采集及判定，輸出控制攀爬指令完成機器人智能前后爬行動作，機器人上運用多個位置傳感器，電路采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，向絕緣子電阻檢測模塊輸出控制命令完成檢測并讀取檢測信息，將絕緣子檢測信息通過無線模塊傳輸給無線監(jiān)控設備，完成機器人與地面操作人員的人機信息交互。

絕緣子檢測機器人本體系統(tǒng)軟件采用C語言編程，軟件平臺應用ICCAVR編譯平臺和KEIL MDK軟件編譯平臺，調(diào)試平臺應用ATMEL的AVR Studio 4.02。軟件采用模塊化設計，易于維護和擴充，可移植性強。監(jiān)控終端基于Windows操作系統(tǒng)，采用Visual C++進行終端軟件測編寫。

圖3 絕緣子機器人控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the insulator string robot control system

2.3 絕緣子片的樣機實驗及零值檢測

由于絕緣子與輸電線、桿塔之間存在雜散電容，導致絕緣子串上的電壓并非均勻分布，局部場強較高，從而容易產(chǎn)生電暈、劣化、閃絡甚至擊穿。絕緣子串的等值電路見圖4。為防止運行中的絕緣子被擊穿，必須要使絕緣子串上分壓最小的絕緣子其壓降小于擊穿電壓，并留有一定裕度。由于分布電壓能反映絕緣子的一些電氣特性[6]，如污穢分布狀況，絕緣子絕緣狀況等。因此，檢測絕緣子串的電壓分布情況具有很大意義。

圖4 絕緣子串的等值電路Fig.4 Equivalent circuit diagram of the insulator strings

對絕緣子檢測機器人在進行高壓帶電試驗，通過采用“絕緣子電壓分布測量儀”來判劣質(zhì)絕緣子片，其中的第5片絕緣子為在搭建試驗環(huán)境時人為放置的劣質(zhì)絕緣子，在線路端依次施加220 kV、330 kV、500 kV線路電壓，由機器人分別3次進行帶電檢測，現(xiàn)場高壓試驗見圖5。在220 kV線電壓測試時，試驗結果如圖6所示。

通過在高壓試驗室對絕緣子串的帶電測試，試驗結果如下：

1）絕緣子檢測機器人成功的完成第5片裂化絕緣子的檢出工作，檢測結果與實際結果相同，機器人的檢測精度可靠，絕緣子檢測機器人將檢測結果傳輸至監(jiān)控終端，結果直觀。

2）絕緣子檢測機器人的爬行速度在實際環(huán)境下可以按照需要設置，檢測時間短，移動速度快。

圖5 220 kV帶電試驗圖Fig.5 The 220 kV electric test

圖6 絕緣子檢測機器人檢測的電壓分布圖Fig.6 Inferior insulator string voltage detection maps

3 結束語

絕緣子檢測機器人基于輸電線路絕緣子串分布電壓的特點，結合線路的高場強環(huán)境特點，采用電磁屏蔽技術、數(shù)據(jù)采集及無線傳輸技術，完成了絕緣子檢測機器人在高壓試驗室的帶電試驗，成功的檢出其中的裂化絕緣子片。該機器人結構緊湊，移動速度快，提高了絕緣子片檢修工作的效率，為實際架空輸電線路大量的絕緣子片檢修工作提供了新的解決思路，為保證架空輸電線路的可靠、安全運行提供了新的技術保障。

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