基于無(wú)人機(jī)的絕緣子清掃測(cè)零裝置研究

文/龔金棟，國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司常德供電公司

1 引言

電力架空線路使用的絕緣子表面積污很常見(jiàn)，運(yùn)行一段時(shí)間就要清掃。清掃方法一般采用人工清掃、機(jī)械清掃或帶電水沖洗，人工清掃、機(jī)械清掃費(fèi)時(shí)費(fèi)力，帶電水沖洗成本高。無(wú)論采用以上哪種方法，對(duì)于絕緣子上的灰塵或污垢都要及時(shí)進(jìn)行清掃，如果清掃不及時(shí)，就可能發(fā)生污閃事故。輸電線路絕緣子的清掃一直是供電部門(mén)的老、大、難問(wèn)題 。

另外，絕緣子串隨著戶外風(fēng)吹日曬和長(zhǎng)期電壓作用，可能會(huì)有個(gè)別瓷瓶不絕緣。這個(gè)瓷瓶絕緣被破壞，絕緣電阻接近0，在瓷瓶串上承擔(dān)的電壓值也接近于0，故被稱為“零值絕緣子”， “零值絕緣子”不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更換就可能會(huì)發(fā)生導(dǎo)線電壓擊穿所有好的絕緣子而導(dǎo)致單相接地的情況，影響正常供電。傳統(tǒng)的火花間隙測(cè)試設(shè)備需要人工上塔，帶電作業(yè)，既不安全又測(cè)量效率低，漏檢錯(cuò)檢問(wèn)題較多。

因此現(xiàn)場(chǎng)迫切需要利用最新科技開(kāi)發(fā)自動(dòng)絕緣子清掃測(cè)零設(shè)備，用來(lái)解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾電力系統(tǒng)架空線路污閃的技術(shù)難題。本項(xiàng)目應(yīng)用最新的無(wú)人機(jī)技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)，開(kāi)發(fā)研制一種絕緣子帶電清掃測(cè)零機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路絕緣子的遠(yuǎn)程無(wú)線清掃測(cè)零，大大降低了勞動(dòng)成本，提高了工作的安全性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

應(yīng)用最新的機(jī)器人技術(shù)和無(wú)線通訊技術(shù)，開(kāi)發(fā)研制一種絕緣子帶電清掃測(cè)零機(jī)器人，主要由無(wú)人飛機(jī)、清掃攝像機(jī)、伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動(dòng)桿、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃頭和測(cè)量叉組成。

使用時(shí)，遙控器操作無(wú)人機(jī)起飛到待清掃絕緣子外側(cè)懸停。無(wú)人機(jī)攜帶專用絕緣的刷頭，以高能電池配合微型電機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)絕緣傳動(dòng)桿帶動(dòng)清掃刷頭實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子的清掃。特別難清的沾上少量蒸餾水或電力清潔劑通過(guò)電動(dòng)絕緣桿使刷頭摩擦絕緣子表面將污穢清除。電機(jī)驅(qū)動(dòng)伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動(dòng)桿則驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)使清掃頭在絕緣子上作推磨式擺動(dòng)而將塵埃擦去，經(jīng)逐層擦試后再?gòu)念i部撤離而完成清掃，不斷地刷去絕緣子表面上的污垢，從而保證絕緣子表面清潔，防止污閃事故發(fā)生。還可增設(shè)噴吹裝置，用風(fēng)將擦掃的污垢和灰塵吹掉而更潔凈。

測(cè)量零值由無(wú)人機(jī)攜帶無(wú)線測(cè)零叉飛到絕緣子附近懸停，測(cè)量叉將測(cè)得的絕緣子電場(chǎng)值傳送到地面顯示器判斷是否零值絕緣子。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

主要由無(wú)人飛機(jī)、清掃攝像機(jī)、伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動(dòng)桿、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃頭和測(cè)量叉以及地面站組成。

2.2.1 無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)采用最新小型無(wú)人機(jī)，由飛行控制系統(tǒng)自主控制的一鍵式自動(dòng)垂直起飛，可使飛機(jī)在甚至有風(fēng)雨的情況下自動(dòng)垂直爬升之指定高度后，自動(dòng)轉(zhuǎn)為定點(diǎn)懸停模式，交由人為操縱飛機(jī)飛行，在任何情況下，可一鍵式控制飛機(jī)自動(dòng)返航，命令飛機(jī)以最短路徑返回起飛點(diǎn)，并垂直下降至指定高度懸停，可一鍵指令飛機(jī)降落，飛機(jī)空中下降至10米第一次剎車，并緩慢降落至地面，在接近地面至5cm時(shí)進(jìn)行最后一次剎車，輕盈的降至地面，并關(guān)閉油門(mén)和鎖定保險(xiǎn)。該機(jī)實(shí)現(xiàn)了 精確指點(diǎn)：飛機(jī)在高于30米的空中飛行時(shí)，在地圖上單擊目的地點(diǎn)，飛機(jī)將執(zhí)行指令模式，精確飛往指定目的地。

圖1：系統(tǒng)硬件組成

定點(diǎn)懸停：飛機(jī)在空中飛行的任何情況下，點(diǎn)擊定點(diǎn)懸停按鈕，飛機(jī)會(huì)執(zhí)行空中制動(dòng)，并迅速定點(diǎn)在當(dāng)前位置，達(dá)到在空中幾乎處于靜止的狀態(tài)。

手動(dòng)控制：在飛機(jī)處于定點(diǎn)懸停模式時(shí)，可推動(dòng)飛行搖桿使飛機(jī)在空中進(jìn)行前后左右的手動(dòng)飛行。這個(gè)功能很重要，可通過(guò)這個(gè)模式找到最合適的位置使飛機(jī)精確降落。

高度控制：在飛機(jī)處于定點(diǎn)懸停模式時(shí)，可通過(guò)高度控制操作桿，控制飛機(jī)垂直爬升和垂直下降，使飛機(jī)達(dá)到需要的高度。 這些功能保證了遙控的穩(wěn)定性和安全性。

2.2.2 高清清掃攝像頭

特制單反相機(jī)云臺(tái)，可嚴(yán)格保持相機(jī)姿態(tài)，可抵消飛行時(shí)姿態(tài)的變化而造成的相機(jī)傾斜和俯仰，并且可大大消除飛機(jī)本身的震動(dòng)。在任何情況下，可通過(guò)云臺(tái)控制操作桿對(duì)云臺(tái)進(jìn)行俯仰和橫滾的操作，使得可以以任何角度拍攝穩(wěn)定的視頻并將信號(hào)遠(yuǎn)傳回地面站，便于工作人員清楚的觀察輸電線路情況。

2.2.3 清掃結(jié)構(gòu)

圖2：清掃結(jié)構(gòu)組成

清掃機(jī)構(gòu)由伸縮式絕緣轉(zhuǎn)動(dòng)桿、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃頭組成。根據(jù)清掃需求，帶清掃刷對(duì)絕緣子表面進(jìn)行清掃，對(duì)于污垢比較嚴(yán)重的區(qū)域遙控發(fā)送命令打開(kāi)電磁閥從碰頭噴出水霧，對(duì)絕緣子進(jìn)行噴灑，再行搽除。

圖3：無(wú)人機(jī)清掃裝置實(shí)物圖

2.2.4 絕緣子測(cè)零

圖4：絕緣子測(cè)零流程

利用DC/DC升壓電路模塊把12V直流電壓升壓到2500V，檢測(cè)時(shí)2500V直流檢測(cè)電壓通過(guò)金屬檢測(cè)臂直接加在待測(cè)絕緣子的上下金具上，檢測(cè)系統(tǒng)采集由此產(chǎn)生在絕緣子上的泄露電流，進(jìn)行相關(guān)的放大濾波處理。處理后的數(shù)據(jù)傳送到高精度單片機(jī)的A/D采樣端，由單片機(jī)進(jìn)行絕緣子的阻值的計(jì)算，從而判斷出是否為零值或者低值絕緣子，并把最后的檢測(cè)結(jié)果通過(guò)自帶的顯示屏實(shí)時(shí)顯示并發(fā)回到地面站計(jì)算機(jī)。這樣做的目的是既可以實(shí)時(shí)看到檢測(cè)結(jié)果，又可以把相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)地面站計(jì)算機(jī)進(jìn)行回放和保存。

2.2.5 地面站系統(tǒng)

整個(gè)無(wú)人機(jī)的絕緣子清掃、測(cè)零、噴吹以及清除異物全部通過(guò)無(wú)線傳輸，由地面站人員遙控完成。地面站系統(tǒng)利用LabVIEW 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)而成，具有顯示效果直觀，可以方便保存數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。Lab VIEW 是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一種基于圖形開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的編譯型圖形化編程語(yǔ)言。

3 裝置的集成與測(cè)試結(jié)果分析

3.1 裝置的集成測(cè)試

整個(gè)裝置通過(guò)單元模塊設(shè)計(jì)測(cè)試，組裝集成測(cè)試的模式，組成系統(tǒng)。 分為一鍵自動(dòng)模塊、精準(zhǔn)指點(diǎn)模塊、定點(diǎn)懸停模塊、推拉搖感模塊、清掃模塊、測(cè)零模塊、地面模塊。

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)多次定點(diǎn)飛行及返回，對(duì)指定地點(diǎn)的上升俯沖，在遠(yuǎn)程可以清晰觀察絕緣子的表面污染程度，機(jī)器人對(duì)絕緣子進(jìn)行了清掃，清掃后明顯干凈，并對(duì)該絕緣子進(jìn)行了測(cè)零，測(cè)零數(shù)據(jù)準(zhǔn)確返回。機(jī)器人對(duì)電網(wǎng)懸掛風(fēng)箏剪短，操作準(zhǔn)確，幾乎不受風(fēng)力影響。

3.3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.3.1 通過(guò)無(wú)線技術(shù)、人工智能、機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)將該數(shù)學(xué)模型通過(guò)實(shí)際的電子裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)攜帶專用機(jī)器人以及機(jī)器人遠(yuǎn)程無(wú)線作業(yè)的數(shù)學(xué)控制模型。

3.3.2 實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)人機(jī)的機(jī)器人清掃測(cè)零裝置。

3.3.3 為今后電力機(jī)器人的研發(fā)提供樣板。

4 總結(jié)

在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的當(dāng)今形勢(shì)下，電網(wǎng)的覆蓋面越來(lái)越大，工人巡檢的范圍也更大，人們用電需求增大，一次污閃事故造成的損失也增大，因此對(duì)電網(wǎng)建設(shè)也必將要求更加完善自動(dòng)化，基于無(wú)人機(jī)的清掃測(cè)零裝置就是這個(gè)自動(dòng)化的一部分，它的使用將工人從繁重的長(zhǎng)途跋涉中解脫出來(lái)，提高工作效率，給電網(wǎng)的維護(hù)節(jié)省了費(fèi)用，增加了效益，所以前景非常好，可適用于在本工程重污區(qū)線路中推廣使用。