GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人的研發(fā)與應(yīng)用

馬飛越，佃松宜，游 洪，劉威峰，田 祿，周 秀，蔡建輝

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.四川大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610000）

GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人的研發(fā)與應(yīng)用

馬飛越1，佃松宜2，游 洪2，劉威峰1，田 祿1，周 秀1，蔡建輝1

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.四川大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 610000）

針對氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear,GIS）內(nèi)部異物顆粒引起設(shè)備內(nèi)部電場畸變,從而造成設(shè)備閃絡(luò)故障問題，通過對異物顆粒的產(chǎn)生原因及影響因素進行分析，研制了一種GIS罐體內(nèi)部異物顆粒清理機器人，實現(xiàn)了GIS設(shè)備內(nèi)部可視化異物清理功能。應(yīng)用結(jié)果表明：機器人檢測不僅提高了750 kVGIS內(nèi)部缺陷檢查的效率，而且保證了檢測人員的安全，為GIS狀態(tài)檢修提供了有效技術(shù)支持。

GIS；異物顆粒；腔體清理；機器人

據(jù)國網(wǎng)公司2006年-2015年設(shè)備故障統(tǒng)計，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）故障占比越來越大，并且故障原因多樣，故障類型［1］大概可分為10種，如圖1所示。

圖1近10年GIS設(shè)備故障類型統(tǒng)計

其中，異物導(dǎo)致放電故障次數(shù)最多，占29%。GIS內(nèi)部異物大多為異物自由顆粒。

2015年11月，某330 kV變電站內(nèi)110 kVGIS設(shè)備超聲波局部放電檢測時發(fā)現(xiàn)母線內(nèi)部存在異物顆粒放電信號，廠家打開手孔蓋板對設(shè)備內(nèi)部目視檢查并通過吸塵方式進行清理，清理后再次進行交流耐壓試驗時超聲局放檢測仍存在異物缺陷，經(jīng)歷3次開蓋檢查才徹底處理完成，不僅耗費了大量的人力、物力及時間，同時經(jīng)歷多次交流耐壓試驗也給設(shè)備造成了累積絕緣疲勞。

1 GIS GIS罐體內(nèi)部異物

1.1異物產(chǎn)生的原因

GIS設(shè)備主要由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電流互感器、電壓互感器等電氣元件組成，利用SF6氣體絕緣性能各元件均封裝在充滿SF6氣體的GIS殼體內(nèi)部［2］。在生產(chǎn)制造階段，設(shè)備內(nèi)部各元件已被打磨光滑并經(jīng)沖洗除去雜質(zhì)，但設(shè)備各部件組裝產(chǎn)生的部件間摩擦、運輸過程中的機械振動、運動部件動作時引起的碰撞沖擊以及放電引起的碎片脫落都會在GIS罐體產(chǎn)生金屬異物顆粒；在設(shè)備安裝過程中抽真空或充SF6氣體時，現(xiàn)場環(huán)境中的漂浮異物也易進入GIS殼體內(nèi)部形成異物顆粒；運行過程中由于設(shè)備吸附劑罩缺陷，密封硅脂及潤滑脂使用不當，金屬件表面油漆等工藝處理不良也會產(chǎn)生異物缺陷［3］，這些異物顆粒有細長的線形、螺旋線形、球形、粉末狀等不同形狀，它們在電場中帶電后受靜電作用會產(chǎn)生運動，嚴重影響GIS設(shè)備的絕緣性能。

1.2內(nèi)部異物的危害

GIS內(nèi)部存在異物顆粒時，由于GIS運行過程中，內(nèi)部異物顆粒處于交變的電場環(huán)境中，在高壓電場作用下，異物顆粒因攜帶電荷會受到電動力作用［4］，當受到的庫侖力大于顆粒自身的重力時，異物顆粒會從罐體底部浮起，并在其表面上跳動，造成GIS內(nèi)部電場發(fā)生畸變，易引起設(shè)備內(nèi)部盆式絕緣子、支柱絕緣子或絕緣拉桿等部件表面閃絡(luò)，造成設(shè)備故障。

2 GIS GIS異物清理機器人的研發(fā)

為了實現(xiàn)電網(wǎng)GIS、罐式斷路器等設(shè)備內(nèi)部的可視化及異物清理功能，確定GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人研發(fā)技術(shù)方案為：控制部分采用Inter Edison控制平臺，并在其上運行Linux系統(tǒng)；人機交互部分采用帶藍牙手柄的Android操作平臺；異物清掃功能通過機器人底部可調(diào)功率的吸塵模塊實現(xiàn)。

2.1整體架構(gòu)組成

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）檢測清理機器人系統(tǒng)，主要由檢測設(shè)備、人機交互系統(tǒng)、移動小車以及電源等部分構(gòu)成，其整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2機器人整體架構(gòu)

圖2中，移動小車為機器人的移動機構(gòu)，其功能為：控制機器人在GIS管道內(nèi)行走、協(xié)助機器人完成預(yù)定的操作指令。在小車的移動機構(gòu)中，分布有運動控制系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機器人的掃地裝置以及電源系統(tǒng)，用以實現(xiàn)GIS機器人的動作操控。檢測設(shè)備系統(tǒng)為機器人的監(jiān)控部分，該部分為一個6自由度的可調(diào)節(jié)的云臺結(jié)構(gòu)，由具有4自由度的機械臂和具有2自由度的旋轉(zhuǎn)云臺共同組成。用于實現(xiàn)機器人對GIS罐體內(nèi)的可視化檢測。人機交互系統(tǒng)通過Android操作平臺與藍牙手柄，實現(xiàn)人機之間的交互。操作平臺與機器人系統(tǒng)之間，通過藍牙傳輸控制信號，實現(xiàn)友好的人機交互功能。

2.2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人硬件部份是整個設(shè)備運行的保障，需充分考慮機器人可擴展性。硬件電路部分主要由電源、主控制電路、驅(qū)動電路、傳感器采集模塊等部分組成，如圖3所示。

圖3硬件電路

電源部分采用防浪涌、防正負反接的措施，加上充分的電源濾波，給系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定可靠的電源環(huán)境。

主控電路包括高速高性能的Inter Edison控制芯片及stm32協(xié)處理器，在Inter Edison上運行的Linux系統(tǒng)，在stm32協(xié)處理器上運行的電機及傳感器驅(qū)動程序，從而保證機器人系統(tǒng)能實時、準確可靠的工作。

機器人本體機構(gòu)主要由移動小車、驅(qū)動機構(gòu)、6自由度云臺攝像頭、補光設(shè)備、傳感器等部分組成（如圖3所示）。機器人設(shè)計尺寸358mm×300 mm×155.6mm(長×寬×高)，重量為3.5 kg，機器臂整體舉升為437mm，機器人左右移動角度20°，能夠充分滿足無死角檢測GIS罐體的要求，同時滿足清掃罐體底部異物的要求。

GIS檢測清理機器人工作于GIS罐體內(nèi)部，其移動小車外形采用了弧形結(jié)構(gòu)，以便更好地適應(yīng)GIS罐體內(nèi)部，同時為機器人提供足夠的工作空間。在移動小車系統(tǒng)的整體設(shè)計中，采用配重的方式設(shè)計其每部分需要裝置的機構(gòu)，包括驅(qū)動機構(gòu)、控制板、電源系統(tǒng)，清掃裝置等，以便機器人的整體重心位于其幾何中心上。在移動小車運動驅(qū)動方式上，為保障其全向移動，實現(xiàn)左右各20°的偏移，同時，在運動過程中各驅(qū)動機構(gòu)之間不存在干擾，選擇了帶麥克納姆輪的獨立懸掛驅(qū)動機構(gòu)。

考慮到現(xiàn)有的驅(qū)動芯片驅(qū)動能力較差，且其發(fā)熱量大的特點，在本項目中，采用MOS管搭建了H橋，通過UART來接收485總線的轉(zhuǎn)速指令，然后經(jīng)MCU處理后形成不同脈寬的PWM驅(qū)動信號，同時，編碼器的值還能實時反饋電機的轉(zhuǎn)速。在整個驅(qū)動機構(gòu)中，隔離芯片的加入有效地隔離了功率級和控制級，其驅(qū)動控制如圖4所示。

圖4電機驅(qū)動

GIS檢測清理機器人的云臺機構(gòu)由4自由度機械臂和2自由度拍攝云臺組成。為實現(xiàn)機械臂舉伸的要求，機械臂選用質(zhì)量較輕，承重較大的材料，其中，機械臂的舉升總長度達437mm，滿足在GIS腔體內(nèi)監(jiān)控舉升300mm的要求；而2自由度的拍攝云臺可在機械臂上360°旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)攝像機在腔體內(nèi)的無死角拍攝；同時，為保障攝像機的拍攝質(zhì)量，在攝像機的拍攝過程中，增加了對應(yīng)的補光方案，以彌補攝像機在拍攝過程中光線不足的問題。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5機器人整體實物結(jié)構(gòu)

2.3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

嵌入式軟件是該設(shè)備的重要組成部分，也是與Android操作平臺上下溝通的橋梁。系統(tǒng)軟件采用搶占式調(diào)度實時多任務(wù)處理，該處理方式能在系統(tǒng)運行的任何時候都先執(zhí)行就緒了的最高的優(yōu)先級任務(wù)，以確保關(guān)鍵任務(wù)被及時處理。在整個設(shè)備的系統(tǒng)中，硬件電路處于從機地位，因此，串口處理處于最高優(yōu)先級任務(wù)，以確保Android操作平臺所發(fā)送的指令能及時執(zhí)行和反饋。采用多個任務(wù)功能處理信號量、郵箱、消息隊列、事件標志之間的信息交換以及對臨界資源的訪問。

依照硬件電路的劃分，嵌入式軟件按照功能相應(yīng)劃分為：通信處理，輸入接口處理，輸出處理，現(xiàn)場環(huán)境信息采集等部分。整體的設(shè)計流程如圖6所示。

圖6系統(tǒng)軟件架構(gòu)流程

為更好實現(xiàn)對GIS管道罐體內(nèi)部的可視化檢測及罐體底部的異物清掃，機器人系統(tǒng)的人機交互平臺采用基于藍牙手柄的Android操作平臺，從而可以通過調(diào)節(jié)手柄的按鈕來實現(xiàn)相關(guān)操作指令輸入。具體的人機交互平臺控制如圖7所示。

圖7人機交互平臺控制

從圖7可以看出，機器人系統(tǒng)通過無線通信方式實現(xiàn)機器人硬件系統(tǒng)與人機交互平臺之間的信號交流。在人機交互平臺中，其主體為基于Android系統(tǒng)的平板控制臺，并將其集成到藍牙手柄控制終端，用以實現(xiàn)機器人視頻模塊的實時信息顯示、機器人運動姿態(tài)的監(jiān)測、機器人系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測以及運動控制模塊的監(jiān)測。

3 效果評價

為驗證研發(fā)的GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人的功能及性能是否滿足要求，結(jié)合寧夏電網(wǎng)某750 kV變電站750 kV斷路器內(nèi)部缺陷檢查處理現(xiàn)場進行應(yīng)用。該斷路器設(shè)備在投運前交流耐壓同時超聲波局放檢測發(fā)現(xiàn)罐體內(nèi)部存在自由顆粒缺陷。由于罐體內(nèi)部較大，操作人員在斷路器手孔部位從外部無法有效檢測設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，操作人員如進入罐體內(nèi)部，殘流的SF6氣體會造成人員缺氧窒息，罐體內(nèi)部濕冷的環(huán)境也易造成人員手腳凍傷。使用機器人對罐體內(nèi)部異物進行清理，很好地解決了這一難題。機器人通過斷路器手孔部位進入罐體內(nèi)部，操作人員在罐體外部通過可視化功能進行檢查操作，機器人在罐體內(nèi)部行走檢查，發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部存在異物顆粒時，通過高清攝像頭將影像傳遞給操作人員，操作人員使用異物清掃功能指揮機器人進行清理，異物清理工作全部完成后，機器人退出罐體。機器人在罐體內(nèi)部檢查狀態(tài)如圖8所示，檢查發(fā)現(xiàn)的罐體內(nèi)部異物顆粒如圖9所示。

圖8 機器人在罐體內(nèi)部檢查狀態(tài)

圖9檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在異物顆粒

4 結(jié)論

（1）GIS罐體內(nèi)部異物清理機器人的研發(fā)，使操作人員可以通過機器人的可視化功能有效檢查設(shè)備內(nèi)部缺陷，避免設(shè)備內(nèi)部異物缺陷的漏檢。

（2）機器人通過弧形結(jié)構(gòu)、麥克納姆輪的構(gòu)架，與GIS設(shè)備及罐式斷路器內(nèi)部弧形的筒體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，不僅可以靈活前進及后退，還能實現(xiàn)橫向位移，為可視化提供廣闊的視野。

（3）機器人采用大功率的吸塵模塊，當發(fā)現(xiàn)異物的時候可以通過控制平臺的吸力水平，適用于不同大小的異物顆粒收集。

（4）機器人采用基于Android操作平臺與藍牙手柄的人機交互模式，不僅為設(shè)備投運前內(nèi)部檢查提供新的手段，更避免了設(shè)備故障時解體檢查接觸有毒分解物對操作人員的安全危害，提升了GIS設(shè)備狀態(tài)檢修的效率及安全性。

［1］ 馬飛越，劉威峰，李奇超，等.超聲波局部放電檢測在GIS自由顆粒缺陷檢測中的應(yīng)用[J].寧夏電力，2016 (5)：44-48.

［2］ 劉洪正.高壓組合電器[M].北京：中國電力出版社，2014.

［3］ 國家電網(wǎng)公司運維檢修部.提升GIS運行可靠性108項措施建議[Z].北京：國家電網(wǎng)公司，2015，12.

［4］ 胡泉偉，張亮，吳磊，等.GIS中自由金屬顆粒缺陷局部放電特性的研究[J].陜西電力，2012（01）：1-4.

Developmentand app lication of robotw ith foreignmatters cleaning function inside the GIS cavity

MA Feiyue1,DIAN Songyi2,YOU Hong1,LIUW eifeng1,TIAN Lu1,ZHOU Xiu1,CAIJianhui1
(1.PowerResearch Institute of State Grid Ningxia PowerCo.,Yinchuan Ningxia 750011,China; 2.Schoolof Electric&Information Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610000,China)

Aiming at the problem of the foreign particles inside gas insulated switchgear(GIS)easily causing electric field distortion inside the equipment and resulting in the arcing fault of GIS,By the analysis the producing reason and the influence of factors of the foreign particles,develops and manufactures a robot to clean the foreign particles inside the GIS cavity,realizes the function of foreign particles cleaning visualization inside the GIS.The application result shows that the robotnot only promotes the inside defection examination efficiency of 750 kV GIS,but also guarantees the safety of the examination staff.It provides effective technique support for GIS condition-based maintenance.

GIS;foreign particles;cavity cleaning;robot

TM83

B

1672-3643（2017）02-0043-05

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.009

2017-01-18

馬飛越（1986），男，工學(xué)碩士，從事高電壓絕緣及試驗研究工作。

有效訪問地址：http：//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.02.009