導軌式劣化絕緣子自動檢測設備運動機構(gòu)設計與仿真計算分析

谷凱凱，程 林，許曉路，蘇 磊，劉益岑，李德洋

（1.國網(wǎng)電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢430000；2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海200000；3.國網(wǎng)四川省電力公司，成都610000）

0 引言

絕緣子在架空輸電線路中主要起著支撐導線和防止電流回地兩個基本作用，絕緣子的運行安全會影響到整個輸電系統(tǒng)的安全可靠性[1]。然而，隨著時間積累，絕緣子長期暴露在復雜的外界環(huán)境下，受到機電負荷、雷擊、冰凍、強電場、溫濕度變化等的影響，導致其絕緣性能逐漸下降甚至引發(fā)輸電系統(tǒng)事故。有效檢測并及時更換劣化絕緣子，能夠大大降低輸電系統(tǒng)事故發(fā)生率，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[2-3]。

長期以來，絕緣子的檢測一直依靠人工完成。人工檢測絕緣子的工作量大，勞動時間長，檢測效率低，檢測精度欠缺，難以適應當前電力生產(chǎn)對安全的要求。相比直接觀測法，紫外成像法，紅外成像法，超聲波法，憎水性檢測方法，泄漏電流測量法等幾種用于絕緣子帶電檢測方法的實驗室及現(xiàn)場運行情況來看，電場法成本低廉，直接檢測，操作簡單，更加適用于國內(nèi)推廣使用，為高壓輸電線路絕緣子帶電檢測提供了一種行之有效的檢測手段[3-10]。

近年來，國內(nèi)相關機構(gòu)對絕緣子檢測機器人進行了大量研究，利用移動機器人攜帶檢測裝置對絕緣子進行檢測，取得了一些成績，但要實現(xiàn)全自主檢測，多種類型絕緣子通用等功能，其結(jié)構(gòu)設計難度較大，技術不成熟，實際應用效果不理想，總體上仍處于探索階段。目前絕緣子檢測機器人的研究主要有輪式、履帶式、手爪爬行式三種類型[11-14]。輪式機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但路徑、姿態(tài)穩(wěn)定性不足，其應用范圍受到限制。履帶式機器人適用于超高壓輸電線路耐張塔雙聯(lián)瓷質(zhì)耐張絕緣子串帶電檢測，且該類機器人體積較大，攜帶不便。手抓爬行式機器人采用手爪和多軸聯(lián)動機構(gòu)，通過控制手爪的開合和手爪位置的移動來驅(qū)動機器人在絕緣子串上行走，該類機器人機構(gòu)復雜，運動不便，成本高，受絕緣子串型號影響較大。

筆者提出了一種基于電場法的導軌式輸電線路劣化絕緣子檢測設備，其移動機構(gòu)具備遙控功能，可使電場檢測裝置在絕緣子上平滑、輕巧的移動，以提高檢測精度。設備利用電場傳感器實現(xiàn)對絕緣子串電場分布的檢測，判斷絕緣子劣化情況，具有操作簡便、準確性高適應多電壓等級、多種絕緣子類型等優(yōu)勢，能夠提高輸電線路劣化絕緣子的檢測效率，減少作業(yè)強度，對保證輸電線路安全穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。

1 絕緣子帶電檢測設備總體設計

根據(jù)功能需求本絕緣子檢測設備可分為裝置主體、后臺解析部分、手持遙控器終端等部分組成，整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 主體部分

裝置主體部分包含運動執(zhí)行、檢測、控制三個模塊。

1.1.1 運動執(zhí)行模塊

運動執(zhí)行模塊通過固定輔助支架固定在桿塔上，調(diào)整支架角度后，將搭載有移動小車的絕緣導軌固定在支架之上，開啟電源之后，通過手持遙控器控制移動小車帶動電場檢測裝置沿導軌方向做前進、后退，停止運動，完成絕緣子的檢測。

1.1.2 檢測模塊

檢測模塊主要采用電場傳感器檢測電場數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波放大電路后將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU進行處理。

1.1.3 控制模塊

控制模塊主要是讓主控MCU接收手持遙控器的操作命令，按照檢測工作流程控制移動小車在導軌上精確運動，并將電場檢測數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、時間等一系列測量數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊傳輸給手持端軟件及遙控器。

1.2 后臺解析部分

手持端通過無線收發(fā)模塊接收到檢測數(shù)據(jù)包，交給劣化絕緣子分析軟件，對數(shù)據(jù)包進行解包，數(shù)據(jù)分類，結(jié)合電場法檢測模型繪制被測絕緣子串的電場分布曲線，再根據(jù)曲線曲率變化及與正常情況電場分布曲線作比較，輸出檢測結(jié)果。

1.3 手持遙控器及終端

遙控器具備檢測任務的開啟、結(jié)束。手動檢測模式下，控制移動小車前后運行、停止。

手持終端可錄入待檢測絕緣子、線路的基本信息資料，并具備實時檢測數(shù)據(jù)的接收顯示、存儲、曲線繪制，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 導軌式運動機構(gòu)設計

針對野外輸電線路桿塔上的絕緣子進行帶電檢測，需要使用方便靈活，并且適應電壓等級500 kV及以下和各種安裝角度的絕緣子的特點，需要檢測設備滿足操作簡便，輕量化、自動化、通用化程度高，性能穩(wěn)定，抗干擾性好等諸多條件。因此筆者設計了一種具備遙控功能的，在一定角度范圍內(nèi)可以多自由度動作的有軌移動機構(gòu)，作為電場檢測裝置的搭載平臺。導軌式絕緣子分布電場檢測設備運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 絕緣子檢測設備運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of motion mechanism of insulator testing equipment

2.1 移動小車與檢測裝置

移動小車通過連桿搭載檢測裝置，使用遙控器控制其運動，可使檢測裝置沿導軌平滑運動，平穩(wěn)檢測絕緣子串附近的電場強度分布，降低檢測數(shù)據(jù)的波動性，最大限度地減輕操作人員的勞動強度。

移動小車以齒輪齒條作為傳動方式，采用帶減速機的微型步進電機作為驅(qū)動動力，移動速度連續(xù)可調(diào)。導向滾輪采用MC尼龍材質(zhì)，密度小，重量輕，免潤滑，并安置了減震裝置，可適應絕緣導軌伸長后的截面形狀變化，避免移動過程中出現(xiàn)的劇烈抖動，造成的分析誤判。見圖3。

圖3 移動小車示意圖Fig.3 Mobile car diagram

檢測裝置本體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由檢測儀（內(nèi)置電場傳感器、光電傳感器）、連桿接頭、導向罩（ABS工程塑料）等部分組成。電場傳感器為電容式電場傳感器，主要用于對絕緣子串縱向電場的測量；光電傳感器主要用于精確定位傘裙位置，便于檢測儀在絕緣子串上獲取有效一致的電場數(shù)據(jù)；導向罩，在滿足與絕緣子串表面緊密貼合的前提下，使移動人小車能帶動檢測儀順利在絕緣子串移動。為確保檢測裝置能在500 kV電壓等級以下常用復合及瓷質(zhì)絕緣子串上穩(wěn)定平滑移動，設計了三種大小的絕緣子導向罩，如圖5所示。

圖4 絕緣子檢測裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of insulator testing device

圖5 3種尺寸絕緣子導向罩Fig.5 Three sizes insulators guide cover

移動小車搭載分布電場檢測裝置，檢測模塊檢測絕緣子串電場數(shù)據(jù)并將信號傳至MCU進行處理，利用藍牙實時回傳數(shù)據(jù)給塔上作業(yè)人員手持端軟件進行數(shù)據(jù)分析、存儲及曲線繪制，從而判斷出低零值絕緣子的位置。

2.2 絕緣導軌及輔助固定支架

絕緣運動導軌采用高強度絕緣材料加工，與傳動機構(gòu)能夠很好地固定，并能夠多節(jié)拼接，適用于多種長度的絕緣子串檢測需要，加上穩(wěn)定支撐作用的導向滾輪，使移動機小車在其上能平滑的直線運動。根據(jù)電壓等級的不同，能快速增減絕緣導軌的長度，以適應現(xiàn)場操作的需要。

輔助固定支架可在0～90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，能方便導軌固定在桿塔上，確保軌道能夠盡可能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動角度保持與絕緣子的距離，以免產(chǎn)生較大波動，形成誤判。見圖6。

3 絕緣運動導軌仿真分析與校驗

由于絕緣子檢測設備需要進行輕量化設計，筆者在材料選擇和受力狀態(tài)上進行了仿真分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理提供參考依據(jù)。

3.1 計算方法與內(nèi)容

計算方法為有限元法[15-16]，所用計算軟件為有限元分析軟件ANSYS Workbench 14.5。首先導入Solid works建立的絕緣子檢測支架模型，做相應簡化處理并進行剖分，然后施加載荷并確定約束條件，最后對計算結(jié)果進行分析。

圖6 絕緣導軌與輔助固定支架Fig.6 Insulation guide rails and auxiliary fixed bracket

詳細計算內(nèi)容如下：

1）60 mm×30 mm×3 mmU型槽管、60 mm×30 mm×3 mm矩形管、50 mm×30 mm×4 mmU型槽管三種管型絕緣導軌在輔助固定支架上固定，且檢測設備拖曳小車在最遠端時，支架的整體撓度分布情況、轉(zhuǎn)動套管的應力分布情況。

2）更改設計為帶懸臂的簡支梁結(jié)構(gòu)，支架的整體撓度分布情況、轉(zhuǎn)動套管的應力分布情況。

3）轉(zhuǎn)動管臂長度由300 mm減少到200 mm，轉(zhuǎn)動管臂的應力分布情況。

4）輔助固定支架型材為30 mm，分析豎直固定的桿件形變能否滿足強度要求。

3.2 仿真模型設定

圖7至圖9分別為Solidworks絕緣子檢測支架模型的正視圖、俯視圖、側(cè)視圖和等軸側(cè)圖。

圖7 檢測支架正視圖、俯視圖Fig.7 Front view and top view of detecting bracket

圖8 檢測支架側(cè)視圖Fig.8 Side view of detecting bracket

整個模型大致可分為四個部分：

1）輔助固定支架：由桿件、鉸鏈扣、鉸接頭等部件組成，起支撐作用。

圖9 檢測支架等軸側(cè)圖Fig.9 Isometric view of detecting bracket

2）扣件：由導柱上下扣、吊桿凹扣、轉(zhuǎn)動套管等部件組成，作用是連接導軌和豎直管件。

3）導軌：通過插銷和塔扣連接固定五根絕緣導軌。

4）檢測儀。

支架模型圖如圖10、圖11所示，其相關結(jié)構(gòu)和材料設置如下：

1）絕緣導軌總長7.5m，截面分別為60mm×30mm×3 mm（U型）、60 mm×30 mm×3 mm（矩形）、50 mm×30 mm×4 mm（U型）；構(gòu)成輔助支架的桿件長度分別為1.3 m、0.8 m和0.4 m；拖動小車移動的連桿長度為0.8 m。所用材料為環(huán)氧酚醛層壓布棒3 240。彈性模量為24 GPa，泊松比為0.35，密度為1 800 kg/m3。

2）吊桿上扣板、鉸鏈扣、移動鎖緊扣、單耳鉸鏈頭、雙耳鉸鏈頭、堵頭等部件所用材料為鈦Ti-8AI-1Mo-1V。彈性模量為120 GPa，泊松比為0.32，密度為4 370 kg/m3。

3）轉(zhuǎn)軸、導體下扣、導體上扣、彈簧壓扣、轉(zhuǎn)動套管、聯(lián)接板、軸承套、端板、活動鉸鏈扣、活動鉸鏈軸管所用材料為Q235A。彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

4）定位銷、彈簧柱塞、滾針所用材料為45結(jié)構(gòu)鋼。彈性模量為190 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。

5）線盤、連接塊、滾針排固定環(huán)件所用材料為2A12（鋁合金）。彈性模量為74 GPa，泊松比為0.36，密度為2 850 kg/m3。

6）部分僅靠配合固定的區(qū)域增加連接件，并用布爾操作粘連。

圖10 檢測支架模型圖Fig.10 Model diagram of detecting bracket

圖11 檢測支架局部剖分圖Fig.11 Partially cutaway diagram of detecting bracket

3.3 加載與求解

本文中仿真的前提條件是假設檢測裝置（小車）一直擱置在絕緣子上，并考慮移動小車擱置在絕緣導軌最遠端時的極端情況，前置約束條件如下：

1）輔助支架是固定的，底部應施加一個固定約束。

2）移動滑環(huán)受到牽引力和反方向的摩擦力，因?qū)嶋H過程中為緩慢勻速運動，可視為二力平衡，可不另外施加力。

3）整個檢測裝置受重力作用，仿真過程對全局施加重力加速度進行重力場模擬。

4）小車僅能在切向運動，并且受到一個向上的支持力，仿真過程通過對小車施加Frictionless Sup?port約束確保小車僅在切向運動。

3.4 仿真分析與結(jié)論

首先對導軌為60 mm×30 mm×3 mmU型管（轉(zhuǎn)動套管長度為300 mm）時的撓度以及轉(zhuǎn)動套管的應力分布進行了分析，其支架的總變形云圖如圖12所示。

圖12 導軌為60×30×3U型槽管時的總變形圖Fig.12 The total deformation of the guide rail as a 60×30×3 ushaped slot tube

絕緣導軌受到重力作用從而位移較大，最大位移出現(xiàn)在絕緣導軌的中間至右端處，約為21.2 mm。絕緣導軌受到重力下垂，而左側(cè)與轉(zhuǎn)動套管相接部分受到向上的支持力，右側(cè)因檢測小車擱置在絕緣子上而受到連桿傳遞的左上方向的支持力，因而最大位移處出現(xiàn)在絕緣導軌的中間位置，具體位置與導軌、轉(zhuǎn)動套管的長度、質(zhì)量等參數(shù)有關。

由局部變形圖13，可觀察豎直管的撓度分布。撓度最大值出現(xiàn)在豎直管的上方，約為2.8 mm，原因是重力對豎直管件產(chǎn)生力矩。輔助支架下方施加固定約束，因此支架部分撓度較小。桿件2的遠端因豎直管的向右的彎矩微微上翹。

從轉(zhuǎn)動套管應力分布云圖14可以看出，應力的最大值出現(xiàn)在靠近轉(zhuǎn)軸（轉(zhuǎn)動套管與豎直管件連接部件）處，大小為20.97 MPa。

圖13 導軌為60×30×3U型槽管時的局部區(qū)域變形圖Fig.13 The local deformation of the guide rail as a 60×30×3 U-shaped slot tube

圖14 導軌為60×30×3U型槽管時的轉(zhuǎn)動套管等效應力圖Fig.14 Equivalent stress diagram of rotating bushing of the guide rail as a 60×30×3 U-shaped slot tube

采用同樣的方法，分別對不同尺寸的導軌以及不同長度套管的組合進行了仿真分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同管型、套管長度的最大撓度、應力結(jié)果Table 1 Maximum deflection and stress results of different tube type and bushing length

由表1可知：

1）轉(zhuǎn)動套管長度一致時，采用U型槽管后整個檢測支架的變形明顯小于矩形管，即U型槽管優(yōu)于同型矩形管，且節(jié)省材料。

2）當轉(zhuǎn)動套管長度由200 mm增加到300 mm時，可減小絕緣導軌的撓度，改善轉(zhuǎn)動套管的等效應力。

3）50×30×4U型槽管整個檢測支架的撓度及轉(zhuǎn)動套管的等效應力優(yōu)于60×30×3U型槽管和矩形管。

在選擇50×30×4U型槽管的作為導軌后，本文進一步分析計算了在導軌左端適當增加向下拉力時的整體形變和套管應力分布，圖15所示為總變形圖。

為方便對比分析，轉(zhuǎn)動套管長度仍選為200 mm，在導軌最左端施加200N豎直向下拉力，此時整個支架相當于帶懸臂的簡支梁。絕緣導軌受到重力作用從而位移較大，最大位移出現(xiàn)在絕緣導軌的右端處，約為16.706 mm。絕緣導軌受到重力下垂，導軌最左端受到向下的力，大小為200N，此時導軌類似于杠桿，轉(zhuǎn)動套管充當支點，豎直管件右側(cè)的絕緣導軌被頂起。

如圖16所示，豎直管件的撓度最大值出現(xiàn)在豎直管的上方，約為1.99 mm。桿件2的遠端因豎直管的向右的彎矩微微上翹。

圖15 導軌為50×30×4U型槽管，導軌左端施加200 N拉力時的總變形圖Fig.15 The total deformation of，the guide rail as a 50×30×4 U-shaped slot tube，200 N tension force is applied at the end the left

圖16 導軌為50×30×4U型槽管，導軌左端施加200N拉力時的局部區(qū)域變形圖Fig.16 Local deformation of the guide rail as a 50*30*4 U-shaped slot tube，200 N tension force is applied at the end the left

圖17 導軌為50×30×4U型槽管，導軌左端施加200 N拉力時的轉(zhuǎn)動套管等效應力圖Fig.17 Equivalent stress diagram of rotating bushing of the guide rail as a 50×30×4 U-shaped slot tube,200 N tension force is applied at the end the left

如圖17所示，等效應力分布與之前略有不同，出現(xiàn)了兩個峰值區(qū)：一個是靠近轉(zhuǎn)軸的區(qū)域，一個是轉(zhuǎn)動套管左側(cè)區(qū)域。出現(xiàn)第二個峰值的原因是導軌最左端的力讓絕緣導軌產(chǎn)生一個彎矩，套管左側(cè)產(chǎn)生較大的剪切應力。最大的應力值達到14.4 MPa。

由表2可知，在導軌左端適當增加向下拉力可進一步減小導軌的整體變形和套管應力，保證安裝穩(wěn)定性，故可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇左端加力的方式改善導軌的形變，保證絕緣子電場檢測的精確性。

表2 左端施加200 N拉力后仿真結(jié)果對比Table 2 The simulation results comparison after 200 N tension force is applied at the end the left

根據(jù)以上仿真分析結(jié)論，筆者選用300 mm的轉(zhuǎn)動套管可有效改善其應力分布，絕緣導軌采用高強度絕緣材料加工，分為五節(jié)，每節(jié)長1500 mm（不含公頭長度），橫截面長度50 mm，橫截面寬度30 mm，厚度4 mm，U型槽管。絕緣導軌由可拼接的絕緣桿體組成，各導軌均有編號，相鄰編號導軌能夠通過母頭公頭緊密牢靠地拼接固定，根據(jù)電壓等級的不同，可快速增減絕緣導軌的長度，以適應現(xiàn)場操作的需要。固定后移動小車能在其上平滑穩(wěn)定的進行直線運動，帶動電場檢測裝置進行絕緣子檢測。

4 現(xiàn)場試用

根據(jù)仿真分析的最優(yōu)結(jié)果，試制了導軌式劣化絕緣子帶電自動檢測設備樣機，如圖18至圖20所示。

圖18 耐張串瓷質(zhì)絕緣子電場檢測Fig.18 tension string of porcelain insulator electric field detection

圖19 復合絕緣子電場檢測圖Fig.19 Electric field detection figure of composite insulator

為驗證樣機的實際檢測效果，2015年10月，在220 kV永陽Ⅱ回線路上進行了現(xiàn)場試用。

現(xiàn)場試用結(jié)果表明，本方案設計的絕緣子檢測設備能在絕緣子上平滑、輕巧移動，從而提高了檢測精度，利用電場傳感器實現(xiàn)對絕緣子串電場分布的檢測，判斷低值絕緣子所在位置，提高輸電線路劣化絕緣子的檢測效率，為現(xiàn)有絕緣子檢測手段提供了重要補充。

圖20 耐張串瓷質(zhì)絕緣子電場檢測Fig.20 Electric field detection figure of tension string of porcelain insulator

5 結(jié)論

論述了一種新穎的劣化絕緣子分布電場帶電檢測設備總體設計方案，著重闡述了其運動機構(gòu)的工作原理及實現(xiàn)方式，針對關鍵結(jié)構(gòu)采用有限元法進行了仿真分析，在保證機構(gòu)運行穩(wěn)定的前提下為輕量化設計提供了參考依據(jù)。

與現(xiàn)有的絕緣子檢測設備、檢測手段相比，本文提出的機構(gòu)具有運動平穩(wěn)、操作簡單、適應性好等優(yōu)點，因而更具有實用價值。設備現(xiàn)場安裝便捷，減少作業(yè)人員高空作業(yè)時間，可用于檢測多電壓等級、多類型的輸電線路絕緣子，具備較強的拓展性，能有效檢測出劣化絕緣子并實現(xiàn)準確定位，對確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

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