柔性象鼻機(jī)械臂在電纜工井故障探測(cè)中的應(yīng)用

王建良

摘 要：電力電纜井因其井下環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備復(fù)雜，給電力檢修工人的生命安全帶來了一定的隱患。為了減少安全事故意外發(fā)生并對(duì)電纜設(shè)施進(jìn)行有效檢測(cè)，設(shè)計(jì)一種柔性象鼻式機(jī)械臂替代人工檢修，電力檢修人員可以在地面上遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂，通過機(jī)械臂攜帶的紅外攝像頭將井下圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)斤@示終端，以獲得完全的井下電纜圖像信息。通過裝置采集到的視頻圖像觀察電纜維護(hù)情況，較好地反映電纜工作狀態(tài)，符合電纜工井的檢修要求。

關(guān)鍵詞：電纜故障；象鼻機(jī)械臂；紅外圖像；遠(yuǎn)程控制

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，電力建設(shè)也隨之飛速發(fā)展，電網(wǎng)遍布全國(guó)錦繡山河，與此同時(shí)各種類型的電力電纜在各地得到廣泛的應(yīng)用。電力電纜供電的優(yōu)點(diǎn)有安全方便、線損小、受自然的影響小。但是在供用電力電纜過程中，一旦發(fā)生故障，很難較快地尋測(cè)出故障點(diǎn)的確切位置，不能及時(shí)排除故障恢復(fù)供電，往往造成停電停產(chǎn)的重大經(jīng)濟(jì)損失。所以，如何用最快的速度、最低的維護(hù)成本恢復(fù)供電是各供電部門遇到故障時(shí)的首要課題。但是由于電力電纜自帶高電壓，且一般實(shí)際狀態(tài)下都為多路電纜并行敷設(shè)，特備是電纜井下檢修，處于自然、土建、電氣多方混雜的環(huán)境，安全問題尤其突出，檢修作業(yè)較易發(fā)生安全事故，對(duì)作業(yè)人員的生命安全和電網(wǎng)維護(hù)構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患。為了減少安全事故的發(fā)生，同時(shí)對(duì)電纜設(shè)施進(jìn)行有效檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)一種新型的柔性象鼻式機(jī)械臂替代人工下井，電力檢修人員可以在地面上遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂，通過裝置實(shí)時(shí)采集到的視頻圖像觀察電纜維護(hù)情況，較好地反映電纜工作狀態(tài)，同時(shí)將采集的視頻圖像存擋，作為日后檢修和事故分析的重要資料。

2 電纜故障分析

2.1 電纜故障分類

電纜線的故障根據(jù)性質(zhì)主要可以分為如下三種形式 ：

（1）絕緣故障：出現(xiàn)這種故障的原因是因?yàn)殡娎|的絕緣水平低導(dǎo)致出現(xiàn)漏電現(xiàn)象、位于主線芯之間或者芯線對(duì)地絕緣電阻達(dá)不到要求以及線芯之間或?qū)Φ匦孤╇娏鬟^大。

（2）接地故障：接地故障主要根據(jù)絕緣電阻值分為完全接地、低電阻接地和高電阻接地三種情況。完全接地指芯線與大地之間的絕緣電阻值為零；當(dāng)?shù)匦九c大地間的絕緣電阻值小于500[kΩ]時(shí)稱為低電阻接地；當(dāng)線芯與大地之間的絕緣電阻大于500[kΩ]，或者達(dá)到了1[MΩ]以上稱為高電阻接地。

（3）斷線故障：當(dāng)電纜一相或兩相芯線斷開時(shí)，發(fā)生斷線故障

2.2 電纜故障產(chǎn)生原因

電纜發(fā)生故障的原因與電纜線的運(yùn)行維修、安裝施工和使用環(huán)境等因素有緊密的關(guān)系，具體原因主要有三個(gè)方面.

（1）機(jī)械損傷。絕大多數(shù)的電纜事故是由電纜機(jī)械損傷引起的，例如，工人運(yùn)輸、安裝時(shí)碰傷電纜或過度彎曲造成電纜損傷。除了安裝施工中的損傷外，電纜的使用環(huán)境也有可能造成損傷，如環(huán)境腐蝕等。

（2）電纜材料缺陷。絕緣層制作時(shí)，由于不符合制作規(guī)定或保護(hù)管理不善，，造成電纜絕緣材料受潮、或老化，嚴(yán)重影響其實(shí)際使用。

（3）操作損傷。因?qū)嶋H錯(cuò)誤操作，如操作過電壓、故障暫態(tài)過電壓作用造成電纜絕緣擊穿使電纜損傷。

3 電纜故障點(diǎn)探測(cè)原理

3.1 故障探測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

針對(duì)上述電纜故障原因，設(shè)計(jì)一種柔性象鼻機(jī)械臂應(yīng)用于電纜工井故障探測(cè)。故障探測(cè)裝置包含柔性象鼻機(jī)械臂、電動(dòng)伸縮桿、電機(jī)動(dòng)力部分、電路控制部分、遠(yuǎn)程遙控裝置和終端顯示裝置。柔性象鼻機(jī)械臂是前端探測(cè)結(jié)構(gòu)，其可在電纜工井中自由活動(dòng)，并通過其頂部的紅外攝像頭將井下的圖像信息傳輸?shù)浇K端顯示。電動(dòng)伸縮桿可以針對(duì)不同深度的電纜工井調(diào)節(jié)長(zhǎng)度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由三臺(tái)12V直流低速電機(jī)控制。遠(yuǎn)程遙控裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性象鼻機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制，便于在地面安全操作，盡量減少人員下井的頻率，減少事故意外發(fā)生的可能性。終端顯示裝置用于接收、存儲(chǔ)井下圖像視頻信息，便于后續(xù)的故障檢測(cè)，裝置的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1.1 柔性象鼻機(jī)械臂

柔性象鼻機(jī)械臂是一種新型的模仿象鼻器官的運(yùn)動(dòng)機(jī)理的仿生機(jī)器人，因其可在任意部位產(chǎn)生柔性變形，具有很強(qiáng)的避障能力和環(huán)境適應(yīng)力，近年來得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)電力纜井空間狹小，環(huán)境惡劣，設(shè)備復(fù)雜，常需要帶電工作等因素，給電力檢修工人作業(yè)帶來了一定的安全隱患，因此采用柔性象鼻機(jī)械臂作為前端探測(cè)裝置代替人工井下檢測(cè)作業(yè)。

象鼻機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式通常分為三種形式：氣動(dòng)人工肌肉、形狀記憶合金的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)方式以及線驅(qū)動(dòng)的外置驅(qū)動(dòng)方式[。氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)方式具有重量輕的特點(diǎn)，通過外部壓縮氣體產(chǎn)生壓力的變化來提供動(dòng)力，使機(jī)械臂產(chǎn)生推拉運(yùn)動(dòng)。但氣動(dòng)人工肌肉存在對(duì)機(jī)械臂的使用環(huán)境、機(jī)械強(qiáng)度和密封材料有較高的要求，需要在密封環(huán)境下才能正常使用，同時(shí)由于氣體作為動(dòng)力源時(shí)，其控制復(fù)雜度較高，控制精度相對(duì)較低。形狀記憶合金是一種在加熱升溫后能恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料。這種合金可以通過改變工作溫度來改變其形狀，但這種方式對(duì)與記憶合金相連接的材料要求很高，不易控制。由于上述兩種驅(qū)動(dòng)方式不易控制，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，因此采用線驅(qū)動(dòng)的外置驅(qū)動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，成本低，同時(shí)具有較高彎曲柔軟程度和一定的抗沖擊能力，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

柔性象鼻機(jī)械臂包括多段串聯(lián)關(guān)節(jié)，其中一節(jié)固定在電動(dòng)伸縮桿上，串聯(lián)關(guān)節(jié)中間為雙彈簧結(jié)構(gòu)，里面是一根長(zhǎng)拉簧，使裝置具有一定的抗沖擊能力和自恢復(fù)力，套在拉簧外是短壓簧，使機(jī)械臂具有較高彎曲柔軟程度。支撐盤片為三角形，設(shè)有一個(gè)拉簧通孔和三個(gè)金屬線通孔，拉簧通孔設(shè)置在支撐盤片的幾何中心處，拉環(huán)通孔設(shè)有圓套用于固定短壓簧。金屬線孔均勻分布在支撐盤片的邊緣，呈60度分布。

三根金屬線松緊程度用于控制象鼻機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方向，控制時(shí)，某一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)通過金屬線將中心拉簧拉伸，另外兩電機(jī)反轉(zhuǎn)適當(dāng)放松，使象鼻頂部向該方向運(yùn)動(dòng)，或者某兩根金屬線控制拉伸，另一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)適當(dāng)放松，也可以是三個(gè)電機(jī)同時(shí)收緊，實(shí)現(xiàn)象鼻機(jī)械臂在空間內(nèi)三維方向甩動(dòng)。電機(jī)反轉(zhuǎn)，可使機(jī)械臂恢復(fù)初始位置。

3.1.2 電路控制部分

電路控制部分包括開關(guān)電源，保險(xiǎn)絲座，繼電器和無線遙控模塊。用于轉(zhuǎn)換電壓，輸出電機(jī)正常工作的12V電壓，繼電器用于控制三部電機(jī)工作，無線遙控模塊用于遠(yuǎn)程控制電路。電路控制部分示意圖如下。

3.1.3 終端顯示部分

終端顯示裝置用于接收、存儲(chǔ)井下圖像視頻信息，便于后續(xù)的故障檢測(cè)。由于井下光線較暗，空間狹小，選用微型紅外攝像頭作為圖像視頻采集裝置，為了使電力檢修人員可通過終端顯示部分遠(yuǎn)程查看電纜工井內(nèi)電纜工作情況，開發(fā)基于WI-FI的終端顯示客戶端，包括手機(jī)客戶端和電腦客戶端。手機(jī)客戶端是電力檢修者實(shí)地觀察井下電纜工作情況的主要方式，其主要功能包括：

（1）建立攝像頭與終端顯示部分的信號(hào)連接，傳輸井下安全電纜工作圖像視頻傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端。

（2）接收傳輸圖像視頻并進(jìn)行存儲(chǔ)。

（3）進(jìn)行傳輸圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等圖像編輯操作。

通過遠(yuǎn)程顯示終端，不僅可以實(shí)時(shí)采集顯示井下電纜工作情況，很好地反映了井下情況，提高了檢測(cè)效率，保證了檢修人員安全，還可以將采集的圖像視頻信息存儲(chǔ)分類，作為日后檢修和事故分析的重要資料。

4 電纜故障點(diǎn)探測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)

通過在柔性象鼻機(jī)械臂的頂部安裝紅外廣角攝像頭，對(duì)電纜工井的電纜內(nèi)部進(jìn)行檢查。本文首先在室內(nèi)條件下檢測(cè)裝置效果，示意圖見圖5。

由上圖可知，技術(shù)人員在不斷電檢修的情況下，通過微型紅外攝像頭對(duì)電纜線進(jìn)行圖像視頻采集，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)絺鞯斤@示終端上，可隨時(shí)對(duì)電纜井內(nèi)的情況進(jìn)行觀察，替代了工人實(shí)際下井檢修操作，消除了工人作業(yè)的安全隱患。

經(jīng)過前期的室內(nèi)研究論證，并在實(shí)際電纜工井進(jìn)行檢修實(shí)驗(yàn)。單個(gè)電纜工井的檢修時(shí)間由過去平均3h，縮短到現(xiàn)在的20min，檢修工人數(shù)量由過去的3～4名，減少到1人完成全部電纜檢測(cè)和存檔。通過裝置實(shí)時(shí)采集到的視頻圖像觀察電纜維護(hù)情況，較好地反映電纜工作狀態(tài)，同時(shí)將采集的視頻圖像存擋，作為日后檢修和事故分析的重要資料。

5 結(jié)束語(yǔ)

檢修作業(yè)較易發(fā)生安全事故，對(duì)作業(yè)人員的生命安全和電網(wǎng)維護(hù)構(gòu)成了嚴(yán)重的安全隱患。為了減少事故的發(fā)生，有效探測(cè)電纜工井故障，本文提供了一種新型柔性象鼻機(jī)械臂應(yīng)用于電纜故障探測(cè)，這種方式操作方便，方便外出攜帶，能耗低，可較長(zhǎng)時(shí)間使用。電力檢修人員可以使用操作裝置遠(yuǎn)距離進(jìn)行遙控，最大程度避免井下的安全隱患。應(yīng)用手機(jī)和電腦終端作為接收顯示端，最大程度的保證了井下的可視性。本裝置可有效替代人工井下作業(yè)，檢修效率極大提高，具有很好的應(yīng)用前景。未來考慮在機(jī)械臂上攜帶更多的傳感器，豐富井下采集的信息，為電纜工井的維護(hù)檢修工作提供更多依據(jù)。

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