直流換流站絕緣子除污機器人研制與應(yīng)用

李 浩，崔國強

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118）

直流換流站絕緣子除污機器人研制與應(yīng)用

李 浩，崔國強

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118）

隨著工業(yè)化水平的不斷提高，環(huán)境問題越來越嚴重，霧霾、酸雨、揚塵等惡劣天氣越來越頻繁，絕緣子污染程度日益嚴重，給電力設(shè)備的可靠運行造成巨大安全隱患。各種粉塵在風(fēng)力、重力、電場力的作用下絕緣子設(shè)備的污穢快速增長，當(dāng)天氣潮濕時，灰塵中的可溶性物質(zhì)溶于水中，形成導(dǎo)電水膜，泄漏電流沿絕緣子的表面流過造成閃絡(luò)事故。針對現(xiàn)狀，研制直流換流站絕緣子除污機器人，該機器人能夠自動適應(yīng)攀爬各種直徑的絕緣子，自動識別和跨越法蘭，可在絕緣子上完成行走、吹灰、清污、噴水、吹干等一系列工作，安全、高效、便捷、智能地完成絕緣子清掃除污工作，為直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供有力保障，具有很高的行業(yè)推廣價值，為絕緣子設(shè)備檢修工作標準化提供新途徑。

絕緣子；清掃除污；機器人

0 引言

銀東直流輸電工程是世界上首個±660 kV電壓序列的直流輸電工程，是國家“西電東送”和“外電入魯”的標志性工程，膠東站是山東省境內(nèi)首座直流換流站，全年保持滿負荷4 000 MW運行，對山東省經(jīng)濟發(fā)展和社會進步起著至關(guān)重要的作用。

目前絕緣子清掃主要有3種方法：停電清掃、帶電清掃和帶電水沖洗。帶電清掃和帶電水沖洗受設(shè)備安全距離、技術(shù)條件等因素限制較大，停電清掃是最基本最有效的方法。因此換流站年度的停電檢修除了設(shè)備定期試驗及缺陷消除外，絕緣子清灰工作也成為檢修工作的重點項目。由于絕緣子高達20余米，清掃絕緣子屬于高空特種作業(yè)，清灰難度大，作業(yè)效率低，而絕緣子又是換流站內(nèi)最多的設(shè)備，數(shù)量多達上萬只，因此絕緣子清掃工作費時費力，很難在有限的檢修時間內(nèi)保質(zhì)保量完成工作。直流換流站絕緣子除污機器人的應(yīng)用很好地解決了上述問題［1］。

1 除污機器人組成

絕緣子清掃除污機器人主要由抱緊裝置、彈性清掃機構(gòu)、行走裝置、噴液裝置、清掃手臂等系統(tǒng)組成。

1.1 抱緊裝置

絕緣子履帶抱緊裝置，可適用于不同尺寸的絕緣子，自動感應(yīng)壓力。

抱緊裝置由可調(diào)高度單元 （曲柄搖桿機構(gòu)）、連桿、固定螺栓等構(gòu)成，如圖1所示。抱緊裝置通過調(diào)節(jié)高度，使得絕緣子除污機器人行走機構(gòu)緊貼絕緣子表面，以實現(xiàn)沿絕緣子的連續(xù)移動，實現(xiàn)對多種直徑絕緣子的適用性及對絕緣子連接法蘭的通過性。

圖1 抱緊裝置3D圖

機器人工作時，抱緊裝置通過曲柄搖桿機構(gòu)和連桿機構(gòu)實現(xiàn)履帶輪的抱緊和擴張，由電動伸縮桿帶動滑塊上下移動，進而帶動履帶輪貼緊或松開絕緣子，同時也使機器人能適用于不同尺寸的絕緣子。伸縮桿通過螺桿傳動，具有自鎖功能，當(dāng)意外斷電或出現(xiàn)其他故障時可保證機器人仍然呈抱緊狀態(tài)而不跌落。

1.2 彈性清掃機構(gòu)

圖2 彈性清掃機構(gòu)3D圖

絕緣子除污機器人彈性清掃機構(gòu)由動力電機、清污刷、傳動軸、定位銷、軸承等部件構(gòu)成，如圖2所示。安裝在彈性清掃機構(gòu)支架，可根據(jù)絕緣子的直徑調(diào)節(jié)行走力度，更換不同材質(zhì)、硬度、密度的清污刷，實現(xiàn)不同直徑絕緣子的清掃除污以及去除表面覆雪、覆冰。彈性清掃機構(gòu)支架通過動力電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)同步的角度轉(zhuǎn)變，以達到對絕緣子全面清掃的目的。

1.3 行走裝置

絕緣子除污機器人行走裝置由履帶、電機、防履帶側(cè)滑板、驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)軸、飛輪、連桿、定位螺栓等構(gòu)成。便于機器人在絕緣子上行走，行走裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 行走裝置3D圖

1.4 噴液系統(tǒng)

絕緣子除污機器人噴液系統(tǒng)可實現(xiàn)在絕緣子除污機器人工作時同步進行清洗劑及純凈水的切換噴射，是絕緣子清掃除污的重要步驟之一［2］。絕緣子除污機器人噴液系統(tǒng)由高壓噴嘴、連接管件、絕緣子除污機器人噴液系統(tǒng)控制柜構(gòu)成。1臺絕緣子除污機器人一般配備3～8個高壓噴頭，由耐高溫高壓管連至絕緣子除污機器人噴液系統(tǒng)控制柜中，實現(xiàn)噴水和噴清洗劑切換。

絕緣子除污機器人噴液系統(tǒng)控制柜，設(shè)有高壓水泵、快裝接頭、耐高溫高壓管、逆止閥、安全閥、三通閥、減壓單元、流量控制器、延時控制器、過濾器、切換單元、無線控制器及接收單元、電流源模塊、安全空氣開關(guān)等。噴液系統(tǒng)工作流程如圖4所示，噴液系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示。

1.5 清掃手臂

絕緣子除污機器人清掃手臂由動力電機、轉(zhuǎn)軸、傳動連片、傳動支架、滑塊、彈性清掃機構(gòu)、彈性清掃機構(gòu)支架等部件構(gòu)成，如圖6所示。

圖4 噴液系統(tǒng)工作流程

圖5 噴液系統(tǒng)

圖6 清掃手臂結(jié)構(gòu)

彈性清掃機構(gòu)支架通過動力電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)同步的角度轉(zhuǎn)變，以實現(xiàn)除污機器人對絕緣子的全面清掃。電機與其中1個支架的轉(zhuǎn)軸相連，各支架接有滑塊，每個滑塊與傳動連片鉸接，使圓環(huán)只能繞圓心轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機帶動其中1個支架轉(zhuǎn)動時，通過滑塊與傳動連片的傳動，可以實現(xiàn)其他支架的同步轉(zhuǎn)向，從而控制清掃手臂前端清污刷與絕緣子表面的接觸面積和壓力，達到更好地清掃除污效果［3］。同時可根據(jù)絕緣子的直徑來調(diào)節(jié)行走力度，更換不同材質(zhì)、硬度、密度的清污刷，實現(xiàn)不同直徑的絕緣子清掃除污以及去除絕緣子表面覆雪、覆冰。

2 系統(tǒng)開發(fā)及軟硬件實現(xiàn)

直流換流站絕緣子除污機器人能夠自動適應(yīng)攀爬一定直徑范圍的絕緣子，并且能夠自動識別和跨越法蘭。在攀爬的過程當(dāng)中，通過高速旋轉(zhuǎn)的清污刷和高壓液體、氣體噴槍，安全高效地完成絕緣子清灰工作，機器人配備遙控器，從機器人識別特定絕緣子抱緊，到攀爬清灰等工作，均可由遙控器、人機結(jié)合智能控制，極大解放人力，通過自主開發(fā)設(shè)計的嚴謹代碼邏輯進行控制保護，在保證安全的情況下，大大提高工作效率。

2.1 系統(tǒng)組成

直流換流站絕緣子除污機器人可大體分為電源、控制、檢測以及執(zhí)行4個模塊，系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。其中控制模塊包括機器人MCU的自動控制以及通過遙控器的人為控制。電源模塊為系統(tǒng)各部分提供電源，使用220 V交流供電取代電池供電，一方面可為機器人的清掃工作提供充足的電能，另一方面可減小機器人整體重量，從而減小對絕緣子的壓迫損害。220 V的交流電經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換器至12 V的直流電，使用單獨的電源模塊，12 V直流電至3.3 V的直流降壓集成在控制器電路板上，使用隔離降壓芯片將整個電源電路分割成兩個部分，分別給控制電路和電機供電，以減少干擾。執(zhí)行模塊則包括電機、水泵等，執(zhí)行機器人行走、吹灰、清污、噴水、吹干等一系列流程功能。檢測模塊包括壓力傳感器，紅外測距傳感器等。各模塊之間相互配合，以實現(xiàn)對絕緣子的智能清掃。

圖7 系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)工作流程

除污機器人工作流程如圖8所示，機器人通電后履帶輪將自動張開至最大，將機器人包合在絕緣子上并合上鎖扣，檢查無誤后遙控履帶輪縮緊，通過履帶上的壓力傳感器判斷履帶輪對絕緣子的壓力大小，當(dāng)履帶輪與絕緣子貼合到設(shè)定壓力時，自動停止收縮，然后可手動或自動的開始執(zhí)行履帶輪轉(zhuǎn)動、清污刷轉(zhuǎn)動、噴水、吹灰等工作，此時機器人進入清掃流程。與此同時，機器人的故障檢測系統(tǒng)也會開啟，當(dāng)遇到履帶卡頓、電路短路等問題時將啟動報警裝置，通知維護人員檢測維修、排除故障。當(dāng)機器人檢測自身已爬至絕緣子頂端時，將自動使履帶電機反轉(zhuǎn)，開始下行清掃，同時開啟氣泵噴出高壓氣體，將絕緣子上的殘留水分吹干。當(dāng)機器人檢測自身已爬至絕緣子底端時，將停止工作并發(fā)出聲光提示，通知運檢人員清掃工作結(jié)束，準備進行下一根絕緣子的清掃。

圖8 工作流程

3 系統(tǒng)技術(shù)性能

控制模塊以Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103x系列ARM處理器為中央處理器，搭載各種外圍驅(qū)動電路，如步進電機驅(qū)動電路、直流電機驅(qū)動電路、激光傳感器驅(qū)動電路、電源電路等。所有硬件電路集成在一個雙層PCB電路板上，留有外部接口。電路板表面噴涂三防漆來保護電路，保證電路板的性能，提高其壽命。將整個電路板封裝在鋁合金外殼中，以提高其防電磁干擾的能力。其中MCU的電源由B1205S-2W芯片進行隔離降壓得到，可有效減小電機對控制信號的干擾。

電機采用HB-57FS系列防水步進電機，可減小噴水清洗工作中對機器人自身的損害。通過配備不同減速比的齒輪箱可分別為清污刷轉(zhuǎn)動、履帶輪的轉(zhuǎn)動及伸縮提供動力。

機器人的電源選用明緯超薄電源LRS-200-12，交流輸入電壓通過開關(guān)切換10V／220V，直流輸出范圍為12V，0～17A。具有短路保護、過載保護、過電壓保護、過熱保護等防護功能。

清污刷可根據(jù)絕緣子的尺寸、結(jié)構(gòu)選裝。清污刷采用尼龍、復(fù)合材料，質(zhì)量輕、耐摩擦，不傷害絕緣子表面。配合水流對絕緣子進行清洗可取得很好的清掃除污效果。

履帶及配套履帶輪選用橡膠材料，耐摩擦，且對絕緣子抓緊力高，驅(qū)動輪則采用超高分子聚乙烯材料，質(zhì)量輕，強度高。履帶尺寸根據(jù)絕緣子尺寸設(shè)計，保證機器人能跨過連接絕緣子的法蘭。

履帶輪抱緊絕緣子通過結(jié)合曲柄搖桿機構(gòu)以及連桿機構(gòu)來實現(xiàn)，由電動伸縮桿帶動滑塊上下移動，進而帶動履帶輪貼緊或松開絕緣子，同時也使機器人能適用于不同尺寸的絕緣子。伸縮桿通過螺桿傳動，具有自鎖功能，當(dāng)意外斷電或出現(xiàn)其他故障時可保證機器人仍然呈抱緊狀態(tài)而不跌落。

3個清污刷支架可以通過1個電機的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)同步角度改變，實現(xiàn)全面清掃。電機與其中1個支架的轉(zhuǎn)軸相連，各支架接有滑塊，3個滑塊與圓環(huán)鉸接，圓環(huán)只能繞圓心轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機帶動其中1個支架轉(zhuǎn)動時，通過滑塊與圓環(huán)的傳動，可以實現(xiàn)另外兩個支架的同步轉(zhuǎn)動。

主體框架選用鋁合金材料，在保證強度的同時使其擁有著較輕的質(zhì)量。機器人可對半打開，以便安裝在絕緣子上。兩部分通過合頁與搭扣連接。

4 結(jié)語

直流換流站絕緣子除污機器人的研制與應(yīng)用，解決了目前國內(nèi)換流站支柱絕緣子清灰的難題：降低絕緣子積灰程度，提高設(shè)備的絕緣水平，增強設(shè)備的運行穩(wěn)定性［4］。

［1］孫斌，徐威，楊汝清.高壓絕緣子清掃機器人的動力學(xué)建模及分析［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2004，38（8）：1 304-1 306.

［2］張建興.懸式瓷制絕緣子表面污穢程度預(yù)測方法的研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2005.

［3］雷成華.便攜式輸電線路絕緣子清掃裝置的研制［J］.機電信息，2015（9）：58-59.

［4］王輝.淺談高壓絕緣子的維護與檢修技術(shù)［J］.中國科技縱橫，2011（8）：89.

Development and Application of DC Converter Station Insulators Decontamination Cleaning Robot

LI Hao，CUI Guoqiang
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

With the continuous improvement of the level of industrialization，environmental issues and inclement weather，such as haze，acid rain and dust，have become more serious frequently.The degree of insulator pollution is becoming more and more serious，which results in a huge security risk to the reliable operation of power equipment.Under the action of wind force，gravity and electric field force，the pollution of insulator is increasing rapidly.When the weather is wet，the soluble substance in dust is dissolved in water， forming a conductive film， and the leakage current will flow along the insulator surface，resulting in flashover accident.Aimed at the present situation，a DC converter station insulator decontamination cleaning robot is developed which can automatically adapt to climb various diameters insulators， identify and across the flange，and can walk on the insulator，blow soot，purge，spray，blow dry and more.The insulator cleaning decontamination work can be completed safely，efficiently，conveniently and intelligently by the robot，which provides a strong guarantee for the stable operation of the HVDC system and a new way for the standardization of the insulator equipment overhaul work.So the robot should have a high overall industry application value.

insulators；decontamination cleaning；robot

TP242

A

1007－9904（2017）02－0011－04

2016-08-15

李 浩（1982），男，工程師，從事高壓交直流輸電系統(tǒng)運維檢修；

崔國強（1985），男，從事高壓交直流輸電系統(tǒng)運維檢修。